2013 粉末注射成形技术高峰论谈

1、2013年粉末注射成形技术产业化现状及发展趋势暨粉末注射成形高峰论坛,Dr. Q, CTO of MIM BU. & STDCUNEEC 邱耀弘博士,金属粉末射出成形事业处&策略性技术开发中心，台湾晟铭电子科技股份有限公司技术长 V1.0, Sep. 1th , 2013,粉末注射成形技术 射料之备制、装备、使用以及回收管理,Abstract摘要,粉末注射成形日本工业界形容其为第五代成形技术主要特色在于使用固体材料的高温固态与部份液态扩散技术-烧结(Sintering)让材料由粉体的状态固结成实体材料成为实用的产品。因此本文探讨及在使用这门”聚沙成塔”之术必须要从材料源头管理下手的重要性这是目

2、前国内业者必须要急起直追的要务！,Differences in Glossary術語的差異,整列摆盘,Continuation of topics from SH延续上海的议题,脱脂/脱黏/排胶,真空/大气烧结,整型/二次加工,表面/热处理,成品,混炼/密炼,射料团块,射料造粒,注塑成形,注件加工/修边,金属原料/黏结助剂,取代尚未 未成熟 完全成熟,模拟分析,快速成型,钼舟/陶瓷盘 国内成熟,回 收 管 理,Content内容,射料系统的演绎 正确的选择粉体 装备 练习与统计-数学与科学的演进 回收料管理,射料系统的演绎,Process flow chart of MIM粉末注射成形的制造程

3、序,Shrinkage ratio 1618% from green part to sintered part烧结体比起生坯体会有1618%的体积收缩率,Classification of binder system黏结助剂系统的分类,蜡基系统助剂 塑基系统助剂,此为国内惯用区分方式但有差异的！,助剂系统的区分因低温脱黏段的媒介而不同！,目前专利技术尚由美德日掌握脱黏设备和配方也尚未标准化不建议在MIM上使用,Process of de-binding 脱黏的程序,脱黏的目的 移除低分子量(Wax, SA等填充剂、界面活性寄与润滑剂等) 移除高分子量(POM,为BASF料之主填充剂) 创造多

4、孔性坯体、以利气氛流动排除更多助剂、以及烧结的热气流动,Characteristic of different de-binding process不同脱黏的特征,Binder system of China国内的黏结助剂系统,早期：将近100%外购射料(喂料) 德国巴斯夫(BASF)的塑基(POM system)系统 优点：不需要调料；不用高阶材料研发人员；工艺单纯 缺点：材料昂贵；无法对成份微调；技术掌握度控制于他人 中期：少量台湾与日系助剂 台湾厂与日本公司的配方以蜡基(Wax base)系统为主 优点：可大幅降低射料成本；可对金属材料微调；技术自有掌握 缺点：须有高阶材料研发人员；工艺

5、须严格控制 近期：国内自行研发/BASF全面降价袭来 塑基与蜡基并行 优点：自主能力提升促进产业与上下游整合 缺点：力争上游必须更努力缺乏精密检验技术(官、学协助) 注意重点：新一代BASF的便宜射料,正确的选择粉体,The best powder - I最佳粉体 - I,不是圆球(气喷法/羰基法)最好 不是多角形(水喷法或碾碎法),R.M. German发表国际粉末注射成形期刊2007年3月份第一卷第一期第3439页 Dr. Q已经翻译并放至于百度文库，欢迎参考引用,Powders, binders and feedstocks for powder injection molding 粉末

6、注射成形的粉末,黏结助剂与射料,The best powder - II最佳粉体 - II,双粒径分布 小粒径价格高，用量小填缝隙 大粒径成本低，用量大作填充 颗粒形状 圆颗粒易微调，优秀表面封孔性 角颗粒易保形，形状度确定,装备,Equipments of MIM feedstock preparation射料准备的装备,测量装备(*可要求供货商提供或委外检验) *激光(LASER)粒径分析仪 *扫描式电镜(Scanning electric microscopy, SEM)与元素散射分析(EDS) 高景深光学显微镜(Optical microscopy, OM) 干压药碇模具 微小微克式/

7、洛式硬度计 密度计与天平 游标卡尺与2.5D投影式电子量测仪(Optical gauging products, OGP) 万能拉伸试验机 射料备制装备 Z字粗大轴混炼机(国内有厂家可供应必须注意轴心的设计) 标准模具(每家厂可以开出类似万能试验机拉伸用狗骨头试棒与圆饼),日本制的专用混炼机 可混炼体积: 3 公升(Liter) 铁系列金属射料每次可混13公斤 约两个小时内完成一次,国产的专用混炼机 可混炼体积: 5 公升(Liter) 铁系列金属射料每次可混20公斤 约两个小时内完成一次,Kneader with a big “thick Z” screw粗壮的Z型螺杆混炼机,练习与统计-数

8、学与物理学的协助, :物体/混合物的密度 M :纯物质/混合物的总质量 V :纯物质/混合物的总体积 M :混合物的个别质量之总和 V :混合物的个别体积之总和,Density equation of physical 物理学上的密度公式,重量 重量是可以利用来快速检验产品/原料、且可满足在线有效的测试数据。 利用天平磅秤都可以快速有效获得 密度 必须根据查表得到的是”理论密度” 实际以密度计(使用阿基米得原理排水来获取体积数据)测量只能抽检居多，以此得到的是实际密度 实际密度/理论密度=相对密度(%，以百分比对应称呼) 体积 阿基米得原理，物体排开水的体积恰好与水的重量相等数值(其实严格来说

9、是4C的水才算)，即水1g = 1 c.c. = 1 cm3 体积数据取得最不容易判断，请注意。 注意到以模具射出过程由于射出条件加上模穴尺寸确认在相对的测量上生坯重量的误差才是最容易检验测量的！,Need to know the conditions 必须要知道的条件,Example I Density of Fe-2Ni alloy计算范例- I . Fe-2Ni的计算密度,Fe,铁(元素表)可知密度为7874 kg/m3 = 7.874 g/cm3 Ni,镍(元素表)可知密度为8908 kg/m3 = 8.908 g/cm3 注意工业标示的Fe-2Ni是表示重量比(Fe- 2wt%Ni，

10、化学上常用的是莫耳比mol%或是体积比vol%，都是不同的) 因此要计算此材料的合金密度(实际上有些合金后会有体积膨胀或收缩，但在MIM界都假设合金化理论密度不变情形) 以100g总重量来分配，Fe = 100-2 = 98g, Ni = 2g 套之前密度公式，要求出个别材料的理论体积 Vol. of Fe = 98g/7.874g/cm3= 12,446cm3 Vol. of Ni =2g/8.908g/cm3= 0.225cm3,请以前页方式计算不锈钢316L的理论密度,实际查SUS 316L的密度约落于8.037.9 g/c.c.之间 MIM产业计算SUS 316L都采用7.9 g/c.

11、c.约有3%误差,316L不锈钢是奥氏体不锈钢，晶体结构为面心立方，纯铁为体心立方结构，两种晶体结构的原子堆積密度不同，不宜直接用纯铁的密度来推算316L不锈钢密度。4系不锈钢为铁素体型或马氏体型，晶体结构与纯铁类似，建议用该类材料作为例证，误差会小很多,316L不锈钢是奥氏体不锈钢，晶体结构为面心立方，纯铁为体心立方结构，两种晶体结构的原子堆垛致密度不同，不宜直接用纯铁的密度来推算316L不锈钢密度。4系不锈钢为铁素体型或马氏体型，晶体结构与纯铁类似，建议用该类材料作为例证，误差会小很多,Example II Feedstock of SUS-316L计算范例- II . SUS 316L的

12、射料调配,已经条件 知道Sandvik 316L,取市场常规料密度为7.9 g/cm3 已知某市售助剂的平均密度为0.973g/cm3 总重量来分配 金属固体：助剂= 10 : 0.773 求出生坯密度？ Msus = 10g, Vsus= 10g/7.9g/cm3 =1.2658 cm3 MM3= 0.773g, VM3=0.773g/0.973g/cm3=0.7944 cm3 生坯密度= (10+0.773)g/(1.2658+0.7994)cm3=5.21 g/cm3 实际 测量的生坯为5.14g/cm3,比实际小，故推测因为理论不锈钢316L的密度可能高估，误差约为1.48% 如果不锈

13、钢316L的密度以7.8 g/cm3，计算生坯密度应落在？Ans : 5.1887g/cm3,理论尺寸收缩率计算,承上页， 计算线性整体尺寸收缩因子(OSF) 金属固体体积加上助剂体积= (1.2658+0.7994)cm3= 2.0652cm3 假设这是一个立方体，则开3次根G0 = 1.2734cm = 12.734mm 理论上烧除助剂，获得一个烧结后的致密物体则烧结体之体积= 1.2658cm3 ，则G1 = 1.0817cm = 10.817mm 线性收缩比= 12.734/10.817 =1.177 前一页的经验值 生坯密度误差=1.48%时， 这些误差都是固体的金属 密度值造成时，

14、则按体积误 差计算成线性误差为: (1.48%)0.333=1.13% OSF最小可能= 1.177x (100-1.13)%= 1.164 (取中间值以1.17为配方比),OSF, Over-size Shrinkage factor整体尺寸收缩因子,注意: OSF的计算之后，仍必须针对整个零件上的x, y, z的”p”尺寸，进行测量，然后根据不同位置的尺寸增量或减量，对模具进行修改，这是必要累积的经验,Example III Un-know feedstock计算范例- III .未知射料反推计算,根据上述两页的射料添加计算，我们可以知道下列数据的重要性 已知烧结体的线性尺寸(取三方向主要

15、尺寸)、密度、重量 该烧结品的生坯之线性尺寸(取三方向和上述尺寸之相同位置)、密度、重量 材料的材质 可以反推助剂放入多少重量影响线性整体尺寸收缩因子 取一定体积的材料(用一套已知结果的模具射出)，经烧除助剂(得到烧结品)，这些系列的数据就可以帮助我们救回射料。 以市售日本标准蜡基助剂为例 金属:助剂=10:0.773 = 92.8:7.2，则应该收缩比控制在1.1771.163，由于烧结技术的关系，我们取其中间值设计1.170,救回已知材质不知收缩比射料,假设 5吨已知均质射料，实际烧结后与实际产品尺寸误差为最长尺寸小3/1000，有下列解法： 重开模具，或是烧结更高温或更长时间可能有效但容

16、易失控浪费时间 重新配料，才是好方法 3/1000=0.3%，注意该尺寸的误差为最长尺寸，取之作为一立方体之边长。 例如取样长度为5mm,实际的长度必须为5.015mm，体积误差为53:5.0153 =125 : 126.1283 即为需要增加的体积= 126.1283-125= 1.1283 mm3 也就该立方体缺少1.1283mm3的体积增加金属粉末进去！ 那就可以把已知材质的密度套进公式，例如316L密度=7.9 g/cm3，这粒方体的重量增量应该为1.1283 X7.9/1000 = 0.00891g的增重。 那到底这批料要加多少金属粉材可以调到正确OSF？ 已经知道原材料有5吨？可以

17、射多少个5mm3的生坯？5吨的体积= 5x106g/7.9g/cm3 =632,911.4 cm3所以可以作成126,582.3个 生坏 计算按照上述每个生坯要增加0.00891g X 126,582.3就可以得知总量,回收料管理,Keeping one single recipe or modifying tooling ? 维持单一配方还是修改模具,实际订单总量：如果订单数量大，修理模具最恰当 工厂的余料：工厂余料多，建议将余料调配成新料作为库存消耗 工程师人力：人力少，调配射料比较快 模具场反应速度：反应速度越快，修模当然就理想,Version control of feedstock射

18、料版本控制,同一产品的射料，每次至少要将单周的用量准备好 以版本别来控制，例如F0指的是全新混好的射料或是外购的新射料 F1是射完第一次F0所剩余的料头、废生坯，经过确实的整理与粉碎到正确的颗粒大小，提供下一次射出。 F2, F3, F4 .比照，同时要测量数据监控每一批料的尺寸差异。 假设F5发现尺寸变大超标，请重新配料，将F5重新配出定义为F50。 则F51, F52, F53.也是根据上述程序一直演进。 简单的包装以PP料袋(厚度至少为0.5mm)，包装后标示版本、材料种类、配比、产品代号等等，并加注日期 同一个产品，在生产过程最多只有两个版本的射料在生产车间，以方便管理并掌握进出 到底是买射料还是自己调配？ 品牌射料：配方弹性少，回收技术含量高，但质量稳定且工厂不须配置调配人力与装备 自有射料：与品牌射料刚好相反 建议：