金属粉末射出成型(MIM)

金属粉末射出成型(MIM)

■ 耀德讲堂 / 赵育德 讲师

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.080)

前言

在1997-1999于台北工专材料资源科五专部（现为台北科技大学）首次碰到恩师 邱耀弘 博士（以下称邱博），就注定了我与MIM结下不解之缘，在退伍后幸运的考入台湾工业技术学院（现为台湾科技大学）高分子学系就读并顺利取得到硕士文凭，并在2010年在邱博的带领下，我们从台北飞到杭州机场，旋即由当时公司（宁波成铭电子）接驳到宁波的北仑出口加工区，开启了我的人生命运(MIM)的第一站，转眼可数至今已经13年。

记得当时MIM工艺仍旧采用美/日的蜡基系统为主的喂料技术，在业务上初步接触的手机双雄是大家耳熟能详的芬兰诺基亚(NOKIA)和美国摩托罗拉(MOTOROLA)，都已经开始使用MIM件，因此我开始学习到如何和电子产品机构料的工程师沟通产品制造的问题。一直到了2012年成铭的MIM工厂搬迁南下到东莞长安（东莞成铭电子），目的是承接智能型手机大厂的订单，双雄已经变成加拿大黑莓(BLACK BERRY)机以及首次将成铭电子纳入AVL的美国苹果公司(APPLE Inc.)，它们大量采用MIM制品作为智能手机的关键机构零组件。其实，早在我出生之前十年（1972年），MIM工艺便已经在美国申请了发明专利，申请者是美国Parmar Tech.公司（目前该公司仍存在），该发明讲述以MIM工艺制作铌合金作为火箭推进器的后燃气喷嘴，由于材料耐高温、质地硬且难以成型，以MIM工艺成功的完成大量制造的任务，在2011年起由于手机与智能手机的刚需，MIM工艺才在诞生至少近40年才得以出头天。

目前在网上已经有大量的资料说明MIM工艺的程序，不过我认为邱博修改的欧洲EPMA的流程图更为清楚和传神，如图1所示。

图1：由邱博士修改自EPMA的MIM工艺流程图

其中，主力成型设备是ACMT协会和ASM杂志经常提及的射出成型机（射出机、注塑机或称啤机，早年广东白话的称呼）。虽然射出成型是在1945年二战之后才开始大量的流行，但因为塑胶原料的进度使射出技术也日新月异的推进，而金属射出成型自然是藉由射出技术所扩展的，因此了解金属粉末、高分子聚合物的性质就变得非常重要，正好我在学生生涯的学习都派上用场。

两个灵魂──喂料与模具

MIM最重要的两个灵魂在于喂料与模具，而灵魂的连接器就是射出成型机，这是近五年与邱博到处当顾问服务客户所得到的重要说法，如下说明。

喂料(Feedstock)

喂料是由金属粉末（固体颗粒）与黏结剂（高分子聚合物），这是MIM工艺采用和塑胶射出工艺一样的方式，利用砲筒的加热以温度改变高分子聚合物的相由固转液的特性，且此时液相的黏结剂有足够的黏度能够携带金属粉末固体均匀的流动并填充到模具的模穴中，来获得设计过形状的生坯，最终通过脱脂和烧结获得金属的零件。因此，金属粉末的粒度分布、形状和面貌与黏结剂成分的比例设计有绝对的关系。

表1与表2显示MIM的金属粉末、黏结剂与喂料组成应该注意的参数和判断机制，以确保获得最终产品的质量控制。由于一般的MIM工厂不一定有这么多的精密仪器，最好在采购物料时能够要求供应商提供必要且实时性的报告（切勿使用过时的报告，批量间的差异会导致制程控制的不定性），并且自己厂内至少要有几样检测仪器，才能确保MIM喂料的质量。

表1：MIM的粉末的质量控制（黄底为MIM工厂应有的仪器）

表2：黏结剂与喂料的质量控制（黄底为MIM工厂应有的仪器）

其中，熔融指数测定仪(Molting Flow Index meter)是一种很有效可以测量喂料（不论是新、旧或是多次射出的残料）的有效工具，可以帮助我们把现有喂料的特性给检验出来。如图2所表示，每个温度点取三次平均值。

图2：典型的MFI测试的图形

许多工程师会觉得这个测试很麻烦，因为21.6Kg的配重举上举下令人疲惫，等待喂料升温又很久，重点在于观察与判断的能力缺乏，射出的师傅往往以为塑胶材料的温度越高、流动性越好，忽略了MFI测试已经告诉我们喂料的甜区温度(Sweet Zone Temperature)，过高温且射速高导致生坯的压力残留高、射出喷流和粉胶分离（黑痕、黑线）。这是几年下来发现MIM工厂不重视喂料检验质量的数据，一旦射出的生坯有缺陷，往后的程序是无法挽回前面所犯的错误，烧结后的零件自然出现许多问题。

模具(Tooling, Mold)

另一个灵魂则在于模具，更精确来说，是整套模具的温度控制，模具的内腔与机构受到原始客户设计图的限制，很多地方都有无可避免的缺陷，因此在模具设计的时候一定要能够注意到排气与水路的排布，在ACMT理事长 蔡铭宏 先生的课程提到模具有命运风水之说，即产品的厚度（模具的命）、模内结构的排布与进胶点位置（模具的运），再加上排气（模具的风）及水路设计（模具的水），特别是MIM喂料在多种高分子聚合物与润滑剂等的混合物中是含有大量的金属粉末（体积占比>50%以上），MIM产品往往又设计出不等肉厚的特征甚至是非常厚（>传统塑胶厚度1.5mm），模具的温度平衡与控制就不是容易的事情。

因此，MIM生坯要能射出得好，恐怕模具的排气和水路需要下功夫，模温机甚至不会仅有一部（在过去的经验是以多部模温机来协助粉胶分离的消除），请读者注意，MIM喂料和高分子聚合物比较起来，含有金属粉末导热快，因此冷却快会导致喂料快速硬化，自然就无法好好的填充，因此如何控制模具中喂料的温度，水路设计便非常重要。

第三个灵魂──短射观察

注意，所有射出成型的短射观察不是以百分比，而是要以几何断面的形状来进行射出短射，根据短射的结果才能调整多段射出的参数设定包含射出速度、计量位置，如图3在耀德的客户端配合课程的训练进行短射，尤其是针对产品具有变化很大的截面，一定要进行短射分析，并且观察粉胶分离出现的位置在哪？气泡与内部缺陷出现的位置？工程师要注意观察并切开生坯分析。

图3：MIM射出成型过程的短射观察──必须根据截面积变化来进行

MIM工厂位置

有趣的是在疫情肆虐的这三年中，两岸20大工厂也悄悄的发生一些变化，排名差异不大但每家公司有计划性的扩编到不同城市，台资厂也投资大陆第二工厂，主要是客户的要求必须多地投产，以降低成本并符合及时交货的条件，因此珠三角和长三角都向外延伸，包含福建的厦门、湖南长沙和安徽的滁州，都是为了将来更大的投入而准备。请见表3所述。

表3：两岸综合20大MIM工厂

产品应用

金属粉末射出成型的应用开始有了重大的变更，今年邱博在ASM杂志所推出一系列的MIM新产品文章，都已经充分的说明电子3C产业不景气的状态下，MIM产业自寻出路并斩获不少好订单，包含如下：

• 笔记本计算机转轴开始变化到折叠屏智能手机转轴；
• 缝纫机配件大量改用MIM工艺，弃用传统冲压与精密铸造、压铸工艺；
• 广东省阳江市的菜刀与指甲刀出货量惊人；
• 3C 产品的EMS场使用MIM治具与夹具，第三世界用起MIM医疗器械与工具；
• 高端品牌包与皮具使用MIM制作精品扣件与标牌（图4）；
• 美国高尔夫球杆头配件也开始用MIM工艺制作（图4）；
• 小模数小齿轮开始利用MIM工艺。

图4：高端品牌包与高尔夫球具也都开始用到MIM制品

小结

金属粉末射出成型最少改变了我个人，把我再推向另一个需要粉末成型技术的技术──金属积层制造，然而我所拥有的知识却都是来自MIM，各位读者一定仔细理解粉末技术的重要性，这是恩师邱博在2010年领我进到粉末技术世界一再叮咛我并要求我的事情，没想到在2019年开始当顾问进行巡回授课时，我也开始和各公司的伙伴们说起和邱博同样的话。学海无垠、唯勤是岸，正如我最喜欢从事的工作──金属粉末射出成型工艺教学，早出、晚归并与各位同在生产线上、混料机、射出机、脱脂炉和烧结炉的旁边，感受MIM给我生命的力量。

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