■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
楔子
各位ASMM的讀者大家好，接下來Dr. Q為大家帶來一些非常關鍵的基礎知識，作為粉末技術的入門秘籍，這些秘籍不光是給粉末壓製(PM)或金屬粉末注射成形(MIM)而已，也不光是金屬材料，包含金屬、陶瓷以及高分子聚合物等，甚至是食物如麵粉、奶粉等，Dr. Q將由基礎探討來讓大家理解粉末技術的物理、化學、數學。而這些內容也將分為下列章節逐期連載於本雜誌中：「Part I. 微量成分對鋼鐵金屬材料有何影響？」、「Part II. 什麼是粉末最佳的形貌？」、「Part III. 固體的特殊性」、「Part IV. 三觀製程──粉末技術的結構變化」。
Part II. 什麼是粉末最佳的形貌？
第二篇要談的是大家都有興趣的，到底什麼才是粉末最佳的形貌？粉末不就是球體堆積最佳嗎？過去，我們在學習材料科學或是粉體科學都一直使用圓球體做為假設條件便於計算粉末的種種現象，所以認知最佳的粉末形狀便是球形，不過事實上真的是這樣嗎？
粉末科學的基礎──幾何計算
觀察目前MIM產業用的三種粉末顆粒，如圖1所表示的顯微照片可觀察到，其中最符合科學計算的粉末是氣霧化法，那些粉末近似球體；其次為水氣聯合物化法，利用高壓水氣緊接著在氣霧化之後破碎粉末，粉末呈現的粗細分佈不一的狀態；而水霧化法，則是破碎的非常細小。
目前科學家使用電腦軟體分析（如有限元分析法）後，把粉末模擬成如圖2的等軸顆粒形狀，這樣便非常容易來透過電腦數值計算與分析，但是這樣的結果會與實際狀況是有落差的。畢竟，以現有的粉末霧化與分級工藝，要讓金屬粉末全部都能成為等軸狀的顆粒是一件比較難的事，目前球形氣霧化粉除非能夠透過正確的級配，否則燒結製品的密度很難以到達令人滿意的結果，這和使用非球形霧化的水氣聯合霧化、水霧化粉的燒結結果相比，反而是後者能夠令我們滿意的。為什麼？不是說球形粉末有最好的堆積密度嗎？
這是有趣的問題但是卻沒有一個很好的解釋，通常簡化的數學運算只能幫助我們理解基礎，但是沒有經過實際的觀察和工藝的理解，很容易把一些細節給忽略。例如：在傳統的稀土磁石-銣鐵硼製粉工藝並無法利用現有霧化製粉，因為銣鐵硼熔湯必須在高真空中急速冷卻且不能碰觸水以免破壞真空，使用真空融煉後將銣鐵硼熔湯倒向旋轉的水冷銅盤，高速旋轉的水冷銅盤使熔湯飛濺獲得薄化的銣鐵硼粉末，這些銣鐵硼粉末特徵成為薄片狀的非等軸晶，那麼這樣的粉末形狀，在經過製程後便可以使用取向技術獲得較高的生坯密度，同時兼具方向性磁力線的效果。圖3中有很有趣的粉末外型比較圖。
現象學──觀察學
人們很容易相信眼前看到的而忽略更細微的觀察，更會有類似於鳥類（遠古的恐龍）一出生見到會動的就是媽媽的直覺，例如學習知識只認定第一次學到的就是對的，因此長久以來我們對於粉末技術的部份誤解是很難糾正過來的，例如：
- 過度追求更細的粉末，粉越細小產生越大的比表面積，導致製造過程的阻力，局部的收縮變形和凹陷：
-越細小的粉末表面不圓滑，一旦互相接觸摩擦力大，使喂料溫度很快飆升；
-越細小的粉末容易團聚不好分散，在製程中形成假像大顆粒，然後崩解影響喂料的黏結劑比例，使製程不順利；
-越細小的粉末要包裹相同厚度的黏結劑，這導致細小的粉末要調配更大量的黏結劑，收縮比必須變大，增加了變形的機會；
-細小粉末容易飛揚，造成不必要的意外和危險。
- 要求圓球形粉末，卻始終無法解釋密度不佳以及孔洞的存在；
- 在粉末的燒結製程中，人們總是以為Z軸受到重力方向影響大，X、Y軸方向因為面摩擦而得到較不穩定的尺寸；
- 大部分的人忽略了加工流向的過程，然而有些時候這些現象是顯而易見的，例如傳統金屬板材加工的流動痕，使得材料有方向性的性質；在金屬粉末床的3D列印更是容易見到層與層之間的界線。
如圖4，在2007年的時候，美國MIM大師──R.M. German教授提出的有趣圖形（本文發表於國際粉末注射成形雜誌，2007年3月份第一卷第一期第34~39頁），經過幾篇論文和電腦數值的計算，算出了最佳粉末的形狀竟然不是圓球形，而是特殊的扁豆形（長度和寬度比例為1：2，扁土豆狀），可以在注射壓力流推擠與堆積得到更高的生坯密度。
令人驚訝的是該論文同時發表的一張高堆積密度的MIM微結構照片(2007)，竟然和目前(2022)廣東潮藝金屬噴製的粉末在自然堆積的狀態幾乎是一模一樣，如圖5所表示，因此理解正確的霧化級配對於MIM的粉末選型有驚人的重要性。
最佳粉末形貌──獲得最高堆積密度
因此我們可以來大膽的推論，級配的粉末和非圓球狀粉末可以獲得更高的生坯堆積密度是最好的結果，球型粉末固然容易滾動，但是其噴製過程的氣霧化粉末不容易獲得細小的球型粉，如果我們可以採用兩種粉末（氣霧化+水霧化）混合，或是直接使用水氣聯合霧化粉末，是可以得到更高的生坯堆積密度，那也就可以推廣此概念到積層製造的粉末鋪粉的技術，這答案應該是肯定的。
請回看圖3的說明，當成千上萬的扁顆粒在鋪粉刮刀的動作（左右推平的作用力流向），粉末可堆積得更密（Z軸方向），所以適當的扁型粉末更有助於提升粉末製品的堆積密度。關於這點，大師R.M. German似乎老早在2007年就分析這個結果。
Part II. 小結
粉末的選形在幾何形貌上扮演著至關重要的地位，然而一些早期的仿真採用簡化的物理模型導致我們忽視了實際的現象學，雖然這樣的結果可能打擊了球型霧化粉末的製造廠商，但是相信製造商是有更好的辦法解決這個堆積密度的問題，很期待供貨商繼續改善製粉技術，畢竟，沒有最好的粉末外型但有更好的解決辦法，Dr. Q一直深信粉末技術將帶領我們走向更遠的未來。
