为何粉末冶金和MIM是机器人低碳降本、轻量化的关键工艺

目录TOC\o"1-1"\h\z\u粉末冶金，人形机器人轻量化、低碳降本关键 1MIM，人形机器人精密复杂零部件绕不开的工艺，低碳降本必经之路 4相关上市公司及盈利预测 9风险分析 粉末冶金，人形机器人轻量化、低碳降本关键粉末冶金（PowderMetallurgy，PM）是一种先进的材料加工技术，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金由于其显著的省材、高精准度、高稳定性等优点，已成为解决新材料问题的钥匙之一，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。粉末冶金工艺其原理是先将均匀混合的粉料压制成形，借助粉末原子间的吸引力与机械咬合作用，使制品结合为具有一定强度的整体，然后在高温下烧结。在高温环境中，原子活动能力增强，粉末接触面积增多，进一步提高了粉末冶金制品的强度，并使其获得与一般合金相似的组织。图1:粉末冶金工艺主要流程属加粉末冶金制品具有成本优势及性能优势，应用范围十分广泛。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点，非常适合于大批量生产，还可以用于生产传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件，因此从普通机械制造到精密仪器、从五金工具到大型机械、从电子工业到电机制造、从民用工业到军事工业、从一般技术到尖端高技术，均能见到粉末冶金工艺的身影，产品被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。汽车是粉末冶金制品最重要的消费领域。粉末冶金零件广泛应用于汽车发动机、变速器和制动系统。发动机中的气门座圈、导管和活塞环，由铜基或铁基合金制成，能承受高温高压，提升发动机性能和寿命；变速器的齿轮、同步器齿毂精度高、强度好，使换挡更平稳，提高传动效率；制动系统的刹车片、刹车盘添加特殊摩擦材料，具备良好摩擦和耐磨性能，保障制动安全。一辆汽车约有30-50个粉末冶金零件。例如，大众某款电动车的电机转子采用粉末冶金工艺，重量减轻15%，能耗降低8%。图2:粉末冶金零部件在汽车中广泛应用 图3:粉末冶金零部件在汽车中的应用部件应用系统具体部件应用系统具体部件汽车底盘减振器零件、导向器、活塞和低阀座制动系统ABS传感器、刹车片泵类零件燃油泵、机油泵和变速器泵中关键零部件发动机）关键零部件、排气管支座变速箱换挡机构、行星齿轮架、离合器片、同步器齿套和齿毂体 睦股人形机器人与汽车核心零部件具有高度共通性。汽车与机器人的核心零部件，在设计逻辑、生产工艺及成本管控体系上存在高度共通性。具体来看，汽车线控制动系统所包含的电机、滚珠丝杠、传感器等核心部件，与人形机器人线性执行器的关键组件高度重合；汽车电驱动系统采用的电机-电控-变速箱经典结构，也与机器人旋转执行器的电机-控制器-减速器架构一致。基于这一产业基础，粉末冶金技术及制品具备从汽车零部件到机器人零部件的跨界优势。图4:人形机器人零部件58机床粉末冶金是人形机器人轻量化的关键路径之一。粉末冶金已经成功应用于汽车轻量化领域，在保证安全、耐用和可靠性的前提下尽量减轻车身和关键部件的重量，粉末冶金通过制造铝合金、钛合金等轻质金属基复合30%-50%粉末冶金是人形机器人低碳降本的关键路径之一。粉末冶金技术的核心优势在于近净成形，材料用量减少：传统铸造、锻造因预留加工余量，材料利用率仅60%-70%，粉末冶金近净成形却能将其提升至95%以上。能耗降低，碳排放大幅降低：传统铸造需熔金属，锻造要多次锻打加热，粉末冶金烧结无需全熔金属，能耗可降40%-60%；后续加工量下降、效率提升：在成型阶段，粉末冶金就把零件尺寸精度控制在±0.05mm，后续机加工量可降80%以上。粉末冶金可以满足人形机器人对材料性能的多元化要求。产品设计灵活：粉末冶金技术能够精准把控材料的成分以及微观结构，能按照不同的要求，打造出具有特定性能的材料。这种很强的可控性，给粉末冶金材料原料多样：粉末冶金原料可以采用多种类型的粉体材料，并通过调整粉末比例达到不同产品性能，包括钨、钼、钛等难熔金属。产品结构及功能多样：可以生产出其他工艺难以制造或无法制造的特殊材料和制品，例如多孔、发汗、减震和隔音等特殊功能材料，金属-塑料、双金属等复合材料及制品，多孔材料等，满足耐磨、耐腐蚀、轻量化等多元化的性能要求。人形机器人进入量产阶段，粉末冶金工艺适合关节电机齿轮等零件批量制造，成本及性能优势将得以体现。粉末冶金不适于生产大型产品，由于金属粉末的流动性不如熔融金属，所以形状和尺寸都有一定的限制，重量不超过10公斤；人形机器人零部件并无大型零件，粉末冶金产品适用范围更广。粉末冶金需要采用模具生产，模具制造成本高，只适用于批量生产；人形机器人设计阶段，零部件可以采用多种成型工艺，进入量产阶段，粉末冶金的优势将得以体现。粉末冶金工艺产品一致性高，生产产品公差小，适合人形机器人零部件的批量生产。MIM（MetalInjectionMolding，金属粉末注射成型）是一种生产复杂精密零件的近净成形的先进制造技术。MIM是将金属粉末与其粘结剂的增塑混合料注射于模型中的成形方法，它将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域，是近年来粉末冶金学科和工业领域中发展迅猛的一项高新技术。在当折叠屏手机及人形机器人快速发展的趋势下，MIM工艺尤其在折叠屏铰链和机器人灵巧手零部件的批量制造中具备突出优势。MIM被誉为当今最热门的零部件成形技术。《国家重点支持的高新技术领域（2016）》将高精密度金属注射成形（MIM）技术作为重点支持的高新技术领域之一。麦肯锡2018年5月发布的《先进制造与装配调查报告》中，MIM技术在全球10大先进制造技术中排名第二。MIM工艺分为混合喂料、注射成型、脱脂、烧结、后处理等步骤。1）混合喂料：将微细的金属粉末与有机粘结剂按照比例混合，加热到一定的温度使粘结剂熔化，形成具有良好流变性能的注射料。MIM金属粉末颗粒尺寸一般在0.5~20μm。2）注射成形：将专用喂料装入注射机料筒后加热到指定温度使其具备流动性，在适当的压力下将注射料注入具有零件形状的模腔中，形成坯件（生坯）。3）脱脂：运用物理或者化学方法将成型部件中粘结剂去除，形成灰坯。在烧结前去除绝大部分的粘结剂，残留的部分在烧结环节完全清除。4）烧结：经过脱脂的坯件在一定的气氛下加热到低于其中基本成分熔点的温度，保温使烧结体强度和密度增加，成为具有良好物理和力学性能的制品和材料。5）后处理：消除产品在烧结过程中的收缩差异，均质化产品质量，同时满足客户不同表面要求，包括整形、CNC、攻牙、喷砂、镭雕、抛光、研磨、清洗、PVD等工序。图5:MIM工艺流程martMoldingMIM工艺适合生产复杂、高精密零部件，适合人形机器人精密复杂零部件生产，如灵巧手。MIM=粉末冶金采用MIM300g。且人形机器人灵巧手空间狭小、关节多，因此需配备更多小型、精密零件，MIM形状设计没有限制，适用于几乎所有产品，可一次成型高度复杂几何形状的零件。图6:工艺生产的复杂精密小型零件 图7:灵巧手需要更多小型、精密零件arberMeta 海精MIM工艺可以从设计源头入手，减少产品装配工序，提高效率、降低成本。MIM可以设计成型具有复杂三维形状的零件，可以具备外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉通孔、盲孔、凹台等系列特征，因此可以与客户协同设计，充分利用MIM可实现复杂几何形状一体成型的优势，将原本由多个工艺零件组装成型的部件通过MIM成型合并为1个零件，减少生产环节、去除产品装配工序，达到系统化降本。图工艺将4个零件合并为1个零件 图9:工艺将5个零件合并为1个零件本设 本设MIM工艺近净成形，材料利用率高，制造成本低。MIM工序少、无切削或少切削，成型零件的形状已接近最终产品形态，材料利用率高，几乎没有材料浪费，生产过程清洁、废料少、能耗低，是零部件低成本生产的关键工艺，尤其对于材料成本较高的加工尤为重要。图10:零部件越复杂工艺成本优势越突出 图技术优势雷达图联精 联精MIM工艺采用模具，效率高，大批量生产有望进一步降低成本。MIM使用金属模具、注射机成型产品生坯，生产效率大幅度提高，适合大批量生产；同时MIM产品的一致性、重复性好，从而为大批量和规模化工业生产提供了保证。MIM是弹性较大的工艺，年需求量几千到几百万的产量能够非常经济地实现，且更具经济性。人形机器人初期设计阶段，对零部件需求量少，MIM工艺不具备优势，随着人形机器人未来放量，MIM经济性优势愈发突出。得益于MIM工艺的显著优势，越来越多的人形机器人厂商采用MIM工艺。特斯拉、Figure等企业已采用MIM工艺，FigureAI已经完成下一代Figure03的设计，采用MIM工艺制造时间大大缩短，相比传统CNC工艺可将零件制造时间从一周缩短至20秒以内，大幅降低了生产成本。图12:Figure03采用MIM工艺大幅降低制造时间igureAI官MIM工艺可以满足多元化材料及性能需求，满足人形机器人未来性能迭代要求。适用于MIM的金属材料非常广泛，原则上任何可高温浇结的粉末材料均可由MIM工艺制造成零件，包括传统制造工艺中的难加工材料和高熔点材料。考虑到经济性，MIM主要的应用材料涵盖铁基、镍基、低合金、铜基、高速钢，不锈钢，硬质合金、钛基金属，为人形机器人零件多元化性能需求以及性能迭代提供保障。表1:常用MIM材料及其应用领域材料体系合金牌号、成分应用领域低合金钢Fe-2Ni,Fe-8Ni汽车、机械等行业的各种结构件不锈钢316L，17-4PH，420，440C医疗器械、钟表零件硬质合金WC-Co各种刀具、钟表、手表陶瓷Al2O3，ZrO2，SiO2IT电子、日常生活用品、中标钨合金W-Ni-Fe，W-Ni-Cu，W-Cu军工业、通讯、日用品钛合金Ti，Ti-6Al-4V医疗、军工结构件磁性材料Fe，Fe14Nd2B，SmCo5各种磁性能部件工具钢CrMo4，M2各种供给宏新材，AIOT大数MIM零件表面光洁度好、尺寸精度高，内部微观组织均匀、密度高、性能好。传统粉末冶金的原料粉末粒度为50-100μm，MIM采用粉末更细，粒度小既能加速烧结收缩，有助于提高材料的力学性能，且表面光洁度好、尺寸精度高。MIM是一种流体成型工艺，粘接剂的存在保障了粉末的均匀排布，从而可消除毛坯微观组织上的不均匀，进而使烧结制品密度可达到其材料的理论密度，制品的高致密性可使强度增加，韧性加强，延展性、导电导热性得到改善。MIM未来将在人形机器人、AI算力硬件、新能源、消费电子及高端制造领域大放异彩。人形机器人灵巧手。目前灵巧手数量有限，部分零件采用CNC加工方式，MIM已经在机器人灵巧手领域得到了设计者更多的重视，特斯拉、FigureAI已经采用MIM工艺用于人形机器零部件/灵巧手零部件领域生产，为人形机器人降本提供关键路径。人形机器人减速器。MIM手术机器人及微创手术电动吻合器。MIM工艺，其主要设计出发点也是减重，同时提高强度、降低成本。接触人体部位的手术钳头，超声刀，吻合器等零件的应用比例和市场规模有望持续提升。终端硬件。随着传输速率不断提升，对高速连接器的强度、硬度、耐用性、导电性以及导热性有更高的要求，MIM技术零件在高速背板连接器有更多的使用机会，东睦股份成功开发了高速连接器外罩（housing）MIM件，间接配套到英伟达新一代GB200NVL72服务器。此外，在功率提升、散热性要求高的领域，如大容量光模块、散热冷板等领域，MIM结构件同样具有无可比拟的优势。中高端消费电子及高端制造。折叠屏铰链由多个金属零件组装而成，结构设计复杂，精度高，MIM工艺相比CNC相关上市公司及盈利预测国内上市粉末冶金及MIM企业包括东睦股份（富驰高科为其子公司）、精研科技、统联精密、海昌新材，等。其中东睦股份粉末冶金业务国内市占率最高，MIM业务规模国内最大，技术能力较为领先，精研科技、统联精密、海昌新材等也有较快发展。不同于粉末冶金在汽车领域的低速渗透（安全要求极高，验证周期长），在当前算力设备包括液冷设备、中高端消费电子（折叠屏手机、AI/AR眼镜）、人形机器人对低成本、高一致性、高性能、高精密、高复杂零部件（粉冶和MIM的优势特点）需求高速增长的趋势下，粉末冶金及MIM工艺在上述领域的渗透率将会加速。同时具备原材料及材料配比技术、粉末冶金工艺和MIM工艺的材料部件一体化平台型公司优势更为显著，具备长期竞争力。因此推荐一体化平台型公司东睦股份，关注在粉末冶金及MIM领域发展较快的精研科技、统联