■ ACMT/ 邱耀弘
本文發表於國際粉末注射成形期刊 2018 年9 月份第十二卷第三期第71~82頁
前言
早在去年(2018)的夏天，PIM產業界的領袖們齊聚在 德國洛斯堡，參加 Arburg GmbH + Co KG( 以下簡稱 德國阿博格公司)的第二屆國際PIM會議。此會議是在 公司首屆PIM會議召開的五年後再次舉辦，其目標是 通過零件製造商、材料供應商、設備製造商和研究人員 兩天的介紹，探索金屬和陶瓷射出成形的未來。 Georg Schlieper 博士在本次 PIM International 的活動上作了 以下的整理會報。
第二屆 Arburg PIM 會議於 2018 年 6 月 5~6 日在德國 洛斯堡的Arburg客戶服務中心舉行。此次國際活動聚 焦於金屬和陶瓷注射成形技術的未來潛力，約有200人 來自23個不同國家的參與者參加。與2013年舉辦的首 屆Arburg PIM會議一樣，受邀代表們聚集在一起，就 最新的應用開發以及對生產工藝、材料和設備的全新觀 點來相互交流。在為期兩天的活動中，來自學術界和業 界的專家共同做了十八次演講，討論了PIM技術未來的 各個方面。除了這些高級演示之外，代表們還可以看到 各種突破性的MIM和CIM組件的射出成型，例如智能 手機外殼、渦輪機葉輪和LED散熱器。同時，許多社交 活動提供了與其他客人建立聯繫的機會。
全球性和區域性PIM市場 幾位發言者介紹了他們對全球PIM (粉末注射成形) 行業市場數據的估計。根據美國加利福尼亞州聖地亞 哥州立大學 Randall M. German 教授的說法，2017 年PIM產品的總銷售額超過25億美元(圖1)，而年 增長率為12％。以中國為首的亞洲PIM產業是迄今為 止最強勁的產業，佔全世界MIM零件產量的三分之 二左右。歐洲的市場佔有率約為20％，美國的市場佔 有率約為15％。亞洲市場主要由消費電子行業推動， 而歐洲市場則廣泛基於汽車和消費品。在美國，槍械 部件在MIM行業中發揮著關鍵作用。陶瓷射出成形 部分的規模約佔全球PIM市場的15％。
北美MIM產業
來自CM 爐具的Jim Neill和來自Centorr真空工業的 Scott Robinson，根據2018年3月出版的國際粉末冶 金雜誌上發表的一篇文章，仔細研究了MIM市場， 該文章由 Peter K Johnson( 特約編輯 ) 撰寫。文章中 提到的資訊和採訪16個行業專家代表顧問、金屬粉末 供應商、設備製造商、服務公司及MIM零件製造商。 作者估計北美MIM零件的銷量為3.67~4.2億美元， 年增長率為5％。需要注意的是，北美數字僅指金屬 注射成形行業，並不包括陶瓷。
歐洲MIM產業
歐洲粉末冶金協會 (EPMA) 執 行 董 事 Mr. Lionel Aboussouan 介紹了 MIM 和 PM 行業的市場數據 ( 圖 2)。歐洲MIM產業的年營業額估計為4.1億歐元(4.75 億美元)，而全球市場營業額為25.8億美元。 Mr. Aboussouan強調，雖然歐洲MIM市場主要是汽車和 消費品，但機械工程和醫療應用也很重要(圖2&3)。
亞洲PIM產業
來自中國深圳南方科技大學材料科學與工程系副教授 余鵬先生對亞洲PIM產業進行了全面而詳細的概述 (部分資料引用Dr. Q)。余副教授將2017年中國MIM 行業的年銷售額定為8.53億美元。中國MIM生產的 三分之二用於手機，而其餘的則均勻分佈在汽車、消 費品、工具和醫療等常見的MIM應用中(圖4)。日 本則是在2010年至2016年期間經歷了六年的MIM 產量下降，但在2017年恢復到MIM市場收入的估計 1億美元，預計增長率為5-6％。日本MIM市場主要 基於工業機械、醫療和汽車應用。印度的PIM產業在2014 年至 2016 年間的收入從 5000 萬美元增加到 1.5 億美元，其中大部分產品出口到北美、歐洲和日本(注 意，根據 Dr. Q 手上資料，2017 年印度 Indo MIM 公 司是全球營業額最高的約為2億美金，實際上包含 MIM產品的下游組裝也算進去，估計實際約為1.1億 美金是純粹MIM零件；中國的精研科技Gina在2017 年則有約9億人民幣營業額，折合美金約1.3億，應 該是全球純MIM零件製造的最大供應商)。其他PIM 產品的重要供應商是韓國(8,000萬美元)和新加坡 (5,200萬美元)。亞洲的MIM產業預計將繼續保持強 勁增長，特別是在汽車和醫療市場。
PIM工藝之電腦數值模擬
有一種進一步推進PIM技術的方法是電腦數值模擬軟 件，如 MAGMA (Sigmasoft PIM 模擬軟件公司 ) 的 Mr. Götz Hartmann 所強調的那樣，正在注射成形工 藝中的廣泛使用。儘管塑料注射成形技術中的電腦數 值模擬現在已經很普遍，但是在粉末注射成形方面還 有許多工作要做。其中一個原因是熱塑性材料和PIM喂料顯示出明顯不同的流動行為，因此電腦數值模型 需要對 PIM 喂料進行特殊調整。 Mr. Hartmann向與 會者保證，今天的電腦數值模型在描述PIM喂料射出 成型所涉及的實際過程方面非常可靠，因此在模具設 計方面可以節省時間和金錢。而壁面摩擦對粉末-粘 合劑偏析的效應已藉由毛細管流變儀測試來進行。與 熱塑性塑料不同，PIM喂料的流動行為被稱為“噴泉 流動”，是一個在PIM喂料中經常發生的流動行為， 又稱為“噴射流”。在孔隙的橫截面增加的地方，可 能發生與粘合劑和粉末的粉膠分離有關的噴射。而如 今可以通過計算機模型逼真地表現出這些現象。
對PIM喂料流進行建模有助於在模具設計開始時檢測 可能的成型缺陷，並在實際模具製造之前對其進行校 正，並改善注模。 Hartmann 給出了 PIM 工藝計算 機建模的其他例子。他概述了模具的熱平衡和模具內 的熱流對於有效的射出成型至關重要。計算機模型必 須包含模具中所有熱相關部分，包括其熱物理性質和 相鄰部件之間的熱傳遞。圖5顯示了Variotherm的 一個循環期間模具的四個溫度圖像，Variotherm是一 種創新的模具分析技術。燒結爐中的溫度曲線也已經 建模，並且有研究顯示，部件在托盤上的佈置對爐子中的溫度均勻性具有顯著影響。與稱為“游擊式”的 混沌或隨機佈置相比，在直線排列的所謂“軍事”佈 置允許在加熱元件和部件之間進行更有效的輻射熱交 換。這導致爐內更有效的熱交換，並因此在爐負載中 提供更均勻的溫度。通過計算機模擬還研究了各種加 熱速率和部件相對於熱源的取向對爐負荷中溫度梯度的影響。
1.PIM粉末和喂料的創新
1-1.17-4PH：粒徑大小與加工性
原料的可用性和成本是PIM零件總製造成本的重要組成部分，因此可望在該技術的未來發揮關鍵作用。對 於金屬粉末，粒徑大小是主要的成本因素，細粉末要比粗粉末更昂貴。
Keith Murray (來自英國尼思的Sandvik Osprey公司， 氣體霧化金屬粉末的主要供應商) 呈現了在17-4PH (最廣泛使用的MIM合金之一)的粒度對加工和最終 性能影響的一項研究。氣體霧化粉末呈現出球形顆粒 形狀，並且在流動特性、低雜質水平和高振實密度方 面優異。該研究比較了三種氣體霧化等級，分別是粒 徑為90％ -10μm (D50 =5.4μm)、90％ -22μm (D50 =10.3μm) 和 -32μm (D50 =13.5μm)。並使用基於聚 甲醛(POM)的粘合劑製備具有56-65 vol.%的各種固 體載量的喂料。
射出成形壓力與固體負荷的關係曲線(圖6)表明， 90％ -22μm等級在固體含量高達62 vol.%時具有最 佳的可模塑性。在較高的固體含量下，不僅成型壓力 增加，而且孔隙率也更高並且在1350℃下燒結後更粗 糙。最好的結果是使用在1350℃下的62 vol.%和燒 結的固體負載的90％ -22μm所能達成。■
