加州Rancho Santa Margarita的卓越制造中心生产的第一款应用产品，这款产品由世界知名发明家，设计师和工程师理查德·米特纳（Richard Miltner）设计开发，这款复合刀具是基于传统制造方式设计的一种新的产品，但是，无论这个想法多么新颖，也必须有配套的加工工艺和一定的经济效益。 本案例研究将探讨液态金属工艺如何使产品成型，以及这种技术对未来生产复杂金属结构零部件的意义。

液态金属技术具备某些传统工艺无法实现的优势。对于传统工艺，既要提高精度，质量和性能，同时又要满足成本要求是比较困难的。液态金属合金为工程师提供了重新思考产品的机会，摆脱长期以来的工艺规则和限制。

液态金属工艺具有以下几个优势：

1、液态金属技术具备某些传统工艺无法实现的优势，比如用模具制造高硬度金属制品；

2、传统工艺，既要提高精度、质量和性能，同时又要满足成本要求是比较困难的，但液态金属工艺可以做到；

3、液态金属合金为设计师提供了更多的设计思路，摆脱过去的硬质金属加工工艺规则和限制。

液态金属工艺：设计师的梦想

当Miltner-Adams（美国著名刀具公司）第一次接触的Liquidmetal的团队时，提出了一种复合刀概念。设计理念是基于一个八个组件的产品，加工过程及其复杂，且精度要求很高。

复合刀的设计概念非常简单，只是结合了直刀和折刀的最佳特点。这些特点包括：

1、像直刀一样坚固；

2、像折刀一样方便携带；

3、刀锋具有保持性；

4、容易打磨；

5、安全持握；

6、开合简易；

7、易于拆卸。

以易用性为首要任务，复合刀可以在比较复杂的条件下完成任务。 与直刀或折刀相比，复合刀可以在保证安全的同时更有效地完成工作。

在这个设计方案中，如果使用传统工艺原来的八个独立的部件的制造费用是非常昂贵的，因为零件的结构相当复杂。 另外，一旦组装，刀将非常难以拆卸，这是其主要缺点。理查德·米特纳与Liquidmetal团队密切合作，复合刀的最终设计将零件数从八个减少到两个 ——刀片和保护器。

最终的这两个部件如果使用CNC加工也是非常昂贵的，且加工的难度很高，而使用MIM工艺则无法加工尖刃部分。

不可思议的精度与创新

复合刀的开启和关闭功能使其非常方便使用，但是同时也要求两部分要完全贴合。在刀片打开和关闭位置之间创建平滑过渡所需的精确计算精度是0.0005英寸（0.0127mm或12.7微米）。Liquidmetal工程师利用液态金属工艺实现了令人难以置信的精度和公差，来满足两个零件的精度要求。

由于液态金属合金为无定型结构且无相变，收缩率较小，这使得尺寸精度很容易保持在±0.075%之间，这种工艺的稳定性使得像复合刀类似的设计得以实现，且价格也不会太高。 为了实现复合刀概念的旋转开合部分，Liquidmetal工程团队发明了一个专利“互锁桶铰链”，以改进功能设计。这个专利可以应用于许多更广泛的产品上面。 典型的桶形铰链需要多个组件，并且工艺复杂，组装耗时。 但是，Liquidmetal创新的互锁桶铰链减少了零件数量，从而减少了模具费（降低了成本），改进了使用便利性以及拥有更好的性能。

Liquidmetal团队在开发桶形铰链设计时有以下几点考虑：

1、两个部件必须在不使用外部工具的情况下可组装或拆卸；

2、两个部件在关闭位置和打开位置必须是可以锁定并且是安全的；

3、刀和保护器在关闭位置和打开位置之间也必须有安全锁。

简而言之，使用者能够方便的将刀和保护器组装在解锁位置，将保护器固定到锁定的关闭位置，并将保护器移动到锁定的打开位置。

鉴于此，设计团队在桶铰链设计时设定了这些要求：

•不超过五个扣位；

•零件解除锁定，以0°的角度拆卸或组装；

•铰链的卡舌不应在其他位置；

•零件应在20°至200°的范围内牢固且均匀地锁定 。

为了实现这种设计，利用Python编程进行计算。该算法采取initial/seed的解决方案，并测量其适合度。

适合度是一个计算出的数字，衡量如何安全地紧固这两个部件，是通过函数的按点重叠，在一个给定的位置和接触的位置重叠环形周围计算得出。然后程序随机地采取一个解决方案，并以随机的方式改变它（改变按点的位置和或按点的大小）。

然后测量这些突变的适应性，保持较好的突变和丢弃较差的突变，然后优化每个接触点的大小和位置，以始终保证零件坚固性（即零件不会分开）。该算法运行超过14小时，产生数以百万计的可能以测试他们的契合度，从而优化设计。

使用这种两件式刀，容易组装和拆卸，关键在于整个开启和关闭旋转期间没有其他缺陷。下图是说明所选设计的最终适应度的图表。 在刀和保护器的旋转过程中，除了打开位置之外，没有任何缺陷。

当然，这仅仅是许多案例中的一个， Liquidmetal团队有充足的经验，可以帮助客户去解决实际的问题。

令人难以置信的弹性和耐腐蚀性

仅有0.0005“的公差，由Liquidmetal制造的复合刀几乎没有给自己留任何余地。普通结晶材料如不锈钢，钛和铝的弹性小于0.70％（原始形状的百分比）。 这意味着一旦材料被弯曲超过了数值，它就是塑性的（永久的）变形的。液态金属合金LM105具有1.80％的弹性，如下表所示，当压力达到这个极限且没有塑性变形时，它还是会恢复到原来的形状。

这种特点让复合刀具保持在其严格的公差范围内，且保护器和刀片部件之间保持平滑和一体。任何其他结晶材料，无论强度多高，都会在经受类似的弯曲应力时最终塑性变形，并产生两个组件之间的摩擦而损坏。 正是液态金属合金的高精度和没有塑性变形的特点，成就了这种完美的设计。 

Liquidmetal团队为了追求准确和相关的质量测试，采用了FEA（有限元分析）模拟。利用Solidworks软件和实施测量实验材料属性，

该模拟让Liquidmetal工程师准确了解测试前刀具的局限性。 模拟三点弯曲试验显示了失效前应力集中和最大挠度最大的区域。从这些结果，开发了一个实验质量保证测试，其中每个刀将经受理论最大负载的33％（约575牛顿或130磅）。这对应于三点弯曲试验中刀的中心处的3.0mm的位移。

液态金属的防腐蚀能力是惊人的，远远超过传统金属。Liquidmetal团队对混合刀进行了具体的测试。在65℃和90％相对湿度的海水溶液中测试混合刀30天; 对于直接成型和喷砂处理的制件，带有和不带有不锈钢夹子的样品。

 测试前后测量刀具质量，没有明显的质量损失。

液态金属零件，无论是成型和喷砂处理，都通过了浸渍腐蚀试验。 这些零件根本没有生锈。 在带有夹子的部件上，不锈钢夹具周围存在少量锈蚀，液态金属刀没有显示出腐蚀迹象。因此，电偶腐蚀确实发生，但是很小。 不锈钢夹具优先腐蚀，因为它用作原电池中的阳极; 这是没关系的，因为不锈钢是可以更换的而且成本低廉。

液态金属合金存在大量的腐蚀的数据，最近正在进行的电腐蚀研究揭示了材料的真实性能以及其极限。 在这个“有趣”的实验中，将一块液态金属合金紧紧地紧固在由德国不锈钢制成的渔具上，并经过洗碗机几个月（超过100个循环）在下面的图像中，在清洁之前，钢刀在接触侧和非接触侧都具有腐蚀产物积累（锈蚀），而液态金属合金在非接触侧没有生锈迹象， 触点侧不锈钢刀片微小腐蚀。然而，在两种材料的清洁过程中，所有的锈都很容易被去除。 且没有迹象说明在以前生锈的区域之下液态金属材料变质，这说明液态金属钝化层保持了原样。所有的腐蚀产物很可能就是不锈钢的溶解。 此外，腐蚀产物在整个不锈钢接触表面上无法形成。 

因此，尽管这些结果告诉我们，液态金属和不锈钢确实创建了一个类似电池的结构（使用液态金属作为阴极和不锈钢作为阳极），但它们的阳极指数很可能非常相似，导致非常低的腐蚀速率。 总的来说，液态金属和不锈钢的最小电镀腐蚀令人印象深刻，进一步证实了材料在复合刀具中的应用的优势。

结论

当Miltner-Adams最初寻求LiquidmetalTechnologies作为其刀具设计的制造商时，他们正在寻找一种尖端的材料，以符合他们的创新产品。 而液态金属合金就是他们所需要的一种创新材料，Miltner-Adams收获很多。

在不断寻求改进的材料和制造工艺的过程中，每个产品都可以看到液态金属技术的优势略有不同。 对于复合刀具，液态金属工艺将零件数量从8个减少到2个，大大简化了组装和降低成本。通常为了保证精度都会大幅增加成本，即使在高端加工操作的情况下也是如此。最后，复合刀具利用液态金属合金的无与伦比的高强度和高弹性组合，具有令人难以置信的耐腐蚀性，使其成为一把真正独特的刀。复合刀具是一个典型的案例，液态金属技术可以在控制成本的前提下带来很多前所未有的应用。

PS：复合刀在美国的KnifeCenter.com售价为260美元。

https://www.knifecenter.com/brand/290/Miltner-Adams#vidipop