■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
楔子
眾所周知，氣體和液體物質是無形的，最簡單的例子就是水，把水裝到任意形狀的容器，受到重力下拉的影響，水會迅速填滿容器並符合容器內的造型，但是要是容器是具有底切結構或是半封閉結構就有可能沒有辦法讓水填滿該空間並留下氣泡，如果該處有排氣設計，那水就可以順利填滿這個容器，然後加以降溫固化獲得有形狀的冰塊，傳統的金屬鑄造就像水固化成冰，差異在溫度區間不同，但液相凝成固相是一致的現象。因此，固體材料如果想和水一樣的填充到容器中，唯一的辦法就是把固體研磨成粉末並加入適當的載體，固體粉末便可以理想的填充到容器中的空間。
有了這種概念，利用固體粉末化或甚至加入部分可以相轉變（固-液）的無形狀物質便可以用來塑造形狀，甚至我們還不需要有邊界的容器，改用有邊界的能量輸入，迫使該區域材料由固轉變液再轉變為固，最終達到一個有邊界形體的產品，這便是一種粉末成型的製造概念，包含需要模具的傳統粉末壓製法(PM, Press and Sinter)、金屬粉末注射成型法(Metal -powder Injection Molding, MIM)，以及當下最多人討論，不需要模具的金屬積層製造(Metal Additive Manufacturing, MAM)，無論是哪一種工藝，由無形的材料獲得到有形的產品，都屬於粉末成型技術的一大特色。
有形的模具──可靠的大量生產工具
再回想更有趣的，古代人類早早就會利用粉末成型來製作工具，例如陶器與瓷器、泥造房屋等，這可說是最早的3D造型產品，產品成型是靠人手捏出來的；食品上使用粉末技術更不在話下，把收穫的穀物曬乾後研磨成粉，再重新加水攪拌混合成為食材，如水餃皮、麵條、各種造型的饅頭等等，雖然這些不是應用在金屬成型的範疇上，但顯然粉末成型技術的無形與有形之間的轉換，在人類社會老早就使用著並長期應用著、我們很難探究到底是誰發現粉末成型的技術，但不可否認的這個成型技術的價值給人類發展帶來無限的可能。
使用模具定形並快速獲得產品的時代顯然比徒手捏製產品時代來的更晚，因為聰明的祖先們很快地發現以模具控制固定形狀對於產品的特性是有保障，也就能夠精確地計算物料並換回豐厚收入，否則沒有定性（形狀）就沒辦法定量，產品的品質無法獲得保證。20世紀（1901-2000年）可以說是模具橫行的起源，而且是集中在後50年，在第二次世界大戰結束後人們開始覺醒，工業進化不是用來殺戮同類而是來造福彼此，大量製造各種民生用品修補戰爭帶來的禍害，因而凸顯了模具對文明進化的重要性。
有趣的是，人類使用最早的模具是來自砂子──這也是一種粉末狀態的陶瓷顆粒，用沙子塑造形成型腔，將熔融金屬倒入型腔後經過冷卻，打破砂模便可以得到金屬產品，不過這個砂模只能使用一次，這便是有數千年歷史的金屬鑄造，即便是現代對於超過1000℃的金屬仍都採用砂模鑄造。隨後發展到現在可重複使用鋼製的模具，注射塑膠熔體甚至是金屬熔體或是金屬粉末與黏結劑混合的喂料熔體，經冷卻獲得製品的雛型，模具必須堅固並經得起多次反復的熱應力和材料流的衝擊。在1960-2000年的40年之間，隨著塑膠材料高速的發展也促使模具技術的大幅進步，因此注射成型（包含塑膠注射、金屬壓鑄與金屬粉末注射成型）與衝壓（包含粉末冶金壓製、板金加工）兩種技術可稱為人類發展以來製造有形物品最快速的兩個方法，生活在現代社會的人們很難不使用到注射與衝壓的零件，這些零件所組成的產品已經成為生活上的必需品，包含手機、飲料瓶，甚至汽車和飛機中，無處不在。模具製造產品經成為現代文明必須工藝。然而模具的製造費用高且所需要的製造時間長，產品要大量製造的代價並不便宜，每個產品必須分攤模具的費用，當產品越少、分攤費用越高，那有沒有更好的辦法呢？
看不見的邊界──能量協助定義形狀
在模具技術大量發展之前，可能許多製造業主都始料未及的是一種特殊的且可控的能量出現──雷射（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER台灣採用音譯）又簡稱為激光（大陸採用意譯），其理論基礎起源於物理學家愛因斯坦，1917年愛因斯坦提出了一套全新的技術理論「光與物質相互作用」。雷射的出現造就了現代熔融型積層製造的開發，並且也全面提升了相關雷射產業的出現，半導體、醫療工業也因雷射得以興盛，雷射與不鏽鋼的發明堪稱是人類近百年來十個頂尖且有影響力的發明之二。
跟大部分能量源相比較，雷射是一種可以集中並有指向性可控的能量源，這對於製造業幫助就異常的高，指向性能量可以非常清楚地切割、焊接材料，尤其是焊接，更廣義的來說，把兩個物件焊接在一起可以形成一個一體化物件，於是這個技術觀念被用到把一堆粉末融化並形成一個一體化物件的一部分，然後重複有序地進行這個步驟，我們便可以獲得尺寸控制和形狀可控的物體，這樣便是金屬積層製造的基礎，在上世紀後50年到本世紀至今(1950-2023)，這種技術已經趨近成熟，不需要特別製作模具，便可以獲得我們想要的零件與產品，對於製造工業無疑是一個巨大的突破。
金屬粉末在金屬積層製造扮演的角色變得舉足輕重，利用控制粉末不同大小顆粒範圍以及雷射的功率與光斑大小，我們可以用這種加法加工獲得不同精細程度的產品，再搭配減法加工的數值切削，目前最精細的解析度已經可以達到5-8μm的積層製造後的精度，這已經比早期50μm一層的解析度要高出非常多，當然，金屬粉末的顆粒也由15-53μm的範圍移轉到0.8-15μm的範圍，而雷射的功率和光斑也就更低更小。沒錯，那這樣的積層製造堆積產品的速度不就更慢了？別忘了，我們製造的產品當然也就更精細，這和大型產品的設計是截然不同，讀者要分辨清楚積層製造的工藝和產品體積與尺寸的關係很大，俗話說「殺雞不用牛刀」便是要針對產品來選擇適當的工具，需要細微結構通常產品的尺寸就非常的小，如果把巨大的產品拿給極高精度的積層製造方式來做，在本質上已經違反製造效率的原則，也不符合該技術的能力範圍。
展開
本期專刊由敝人(Dr. Q)進行編寫，有鑑於著重在粉末成型技術，特邀趙育德先生一同進行內容的編寫，敝人在粉末冶金與金屬粉末注射成型已經有30年的經驗，趙先生是敝人在職過程的學生兼任事業上的合作夥伴，在金屬粉末注射成型有15年的經驗並加上4年博士班的金屬積層製造學習，我倆都蒙台灣科技大學機械工程系林舜天教授(PM/MIM)與鄭正元教授(MAM)的指導，藉助本次專刊將所學與工作經驗、技術前沿分享給廣大的讀者，一起在粉末成型三大技術領域向前邁進。
