■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
前言
2023，剛剛結束的一年。對大中華地區的MIM產業而言，甫結束COVID-19疫情便遭受嚴重挑戰的一年。向來使用MIM機構件最大量的智慧手機銷售量遭受到前所未有的下滑。這給產業帶來不小的衝擊。所幸，縮減的訂單卻使得MIM產業空出足夠的時間尋找新的出路。圖1顯示了由2010-2023年大中華地區MIM銷售額與APPLE公司的MIM訂單關係。APPLE的MIM訂單確實影響著大中華地區的MIM銷售狀況。不過它的影響力卻正在縮小，為何？
Dr. Q在經過一整年的尋訪大中華地區的MIM產業後，在新年之際向各位讀者報告觀察的結果（2024年1月花了20天的行程進行多家MIM關聯公司的採訪），由材料、設備、製品與工藝四個方面分析與討論，發覺大中華MIM產業的小宇宙正醞釀爆發的新力量。更進一步的，Dr. Q也發現了大中華地區MIM的普及已經促進了Metal BJT推進。
材料──MIM粉末製造能力恰巧提供MAM的粉末需求
沒有人可以預料到MAM的出現會導致MIM粉末的大幅降價。其實原因也很簡單。MAM使用的粉末規格和MIM是重疊的。儘管大部分MAM必須使用球形度高的粉末，但在整批粉末製造出來被MAM取用後會剩餘不少的細粉剛好可提供給MIM使用。不過MEX則可採用MIM喂料技術直接使用MIM現有的各等級粉末。無疑的，這些額外需求幫助了MIM粉末製造商有更多的生意。圖1表示了目前粉末成型技術所使用的粉末範圍。
圖2內容的縮寫說明
- PM是粉末壓製-燒結法，粉末冶金技術 /PM is “Press and Sinter” of Powder Metallurgy.
- DED 直接能量沉積法，積層製造法 /DED is Direct Energy Deposition of MAM.
- PBF-EB粉床-電子束沉積，積層製造法 /PBF-EB is Powder Bed Fusion – Electric Beam of MAM.
- PBF-LB粉床-雷射沉積，積層製造法 /PBF-LB is Powder Bed Fusion – LASER Beam.
- BJT黏結劑噴射法，積層製造法 /BJT is Binder Jetting Technology.
- MIM是金屬粉末注射成形 /MIM is Metal powder Injection Molding.
- SLM/SLS 分別是選區雷射融化與燒結方式，積層製造法的粉床法 /SLM/SLS are Select LASER Melting and Sintering of PBF-LB.
以下是Dr. Q對數家粉末製造公司進行的採訪紀錄。在中國有超過50家粉末製造同時具有MIM與MAM粉末的製造公司，包含不同的製粉工藝（羰基法、氣霧法、水霧法與其他高階法）、不同材料（包含鐵系、不鏽鋼、鎢、鈦、銅、鈷、鎳等）。
湖南驊騮新材料有限公司（中國氣霧化不鏽鋼粉末最大製造商）告訴Dr. Q，不鏽鋼316L/304L/17-4PH仍舊是保持成長的。他們更進一步的提供MIM喂料給印度和其他海外國家。更多的MIM製品製造公司都希望粉末製造公司能夠提供全方位的粉末與喂料解決方案，以減少中間品質的差異，並能降低成本。但是最令人驚豔的就是鈦與鈦合金的粉末需求成長。根據江蘇金物新材料有限公司（目前中國境內最大鈦粉製造公司）的資料顯示，2023年的MAM粉末成長大約是前一年的二倍，MIM的粉末需求則超過前一年的四倍。總體出貨量全年超過200噸（TA1/TA2/TC4）。2023年中國MIM加上MAM使用的鈦合金粉末已經超過800噸。雖然美國蘋果公司縮減了MIM零件的使用量導致ASTM F75粉末需求降低，但是折疊屏智能手機的翻轉絞鏈興起使得高強度工具鋼粉末需求增加，還包括民間的指甲刀、菜刀、電動剪刀與智慧鎖都使用類似的材料。另外，Dr. Q使用200系列不鏽鋼開發出的MIM 200CY粉末（來自大量加工的廢棄邊料）。在一次性燒結後便可以得到HRC 49的硬度，為MIM綠色環保打開一條新的出路。目前已經應用在縫紉機的零件上如圖3所表示。
對於限制性高的鋁和銅金屬粉末，BJT似乎帶來一絲曙光。在過去眾所周知，使用PBF LB/EB製作鋁合金容易發生爆炸風險，而MIM鋁金屬粉末混合喂料容易摩擦起火。銅製品又因為反射率過大導致3D列印效果不佳。我們發現BJT可快速得到上述材料的模型生坯然後使用MIM燒結工藝，然後輔以CNC加工後可以很快地獲得精密的樣品提供開發和研究。最後才決定製作模具採用MIM工藝進行大量的製品生產。BJT+MIM將會成為未來5年在粉末材料製程的整合手段運用於新產品開發和量產的結合。
設備──自動化與演算法協助操作的方便、效率與安全
目前傳統機械零件製造業正面臨到缺少年輕的技術者參與的窘境。受到高等教育的年輕人不願意進入傳統機械零件製造業主要在環境因素。畢竟許多傳統製造業的環境不佳、危險性高。MIM產業發展正面到這樣的衝擊，Dr. Q在2012年將臺灣的MIM經驗分享到大陸之後，MIM各製程的製造設備廠商便卷起一股改良設備的旋風。儘管在經歷三年的疫情影響導致設備廠商普遍生意不佳，但是設備廠商仍舊勇於進行改良。因此2023年已經出現購買新設備替換舊設備的趨勢。控制設備的電腦更新帶來更新的演算法，更安全、高效率、省電以及方便操作是中國MIM設備共同追求的目標。
舉幾個例子來說。東莞昶豐機械科技有限公司在2020年起已經研發完成、生產，並販賣四個槳葉轉子的密煉造粒一體機，在2023年獲得非常好的銷售成果。這個設備使得MIM喂料從混合到造粒可以在同一個程式完成，並且實現全自動化和簡單操作。四槳葉提高了喂料的密度並減少混料的時間。廈門至隆真空科技有限公司則把運用在科學實驗上的高壓燒結技術，製作1~20MPa及快速冷卻的脫脂燒結爐提供給MIM零件燒結使用。打破了過去批次燒結爐僅會使用真空/分壓氣氛的方法。深圳星特爍科技有限公司也在催化脫脂爐設備的基礎上，除了拓展到溶劑脫脂設備之外，還增加脫脂與預燒結一體化爐的設計（溫度最高達950℃）。這可以解決MIM生坯脫脂後脆弱無法移動的問題，並且讓燒結過程減少黏結劑污染精密燒結爐與其後燒結程式。這些設備的改良如圖４、圖５所示。
製品──找到合適自己可量產的產品且用心製作
在過去將近十年的顧問工作，Dr. Q至少輔導超過50家MIM製造相關的公司（包含：粉末、黏結劑、設備以及製品）。地點則遍及中國大陸、臺灣、日本，尤其是MIM製品公司。要找到合適自己可量產的產品一直是不容易的事情，因為每家MIM公司的背景都有差異。有一大部分MIM公司原來都有著注射塑膠製品的專長；有一些公司則原來從事板金加工的金屬零件專長。另外，有些則是擅長小型金屬零件的CNC加工。也有一些公司因為地緣關系而熟習特定零件產品的製造。當然，會投入MIM製造的公司都知道自己比較熟悉的產品就會做得好。
在中國的廣東省，能以珠江左右側來區分兩大產品區塊。珠江口的右邊（深圳與東莞側）擅長電子產品，因此這裡是智慧手機與穿戴式電子產品上的MIM 零件製造大本營。另外一側比較偏向家電製品與廚具（珠海與陽江側），因此使用MIM工藝製造機械用的齒輪以及廚房的刀具、工具自然成為該地區的強項。圖6為MIM工藝製作的不鏽鋼420指甲刀，材料的源頭也是當地鍛造菜刀原料的邊角料提煉而成。在接近廣州的位置，高爾夫球頭和高檔皮包扣具則集中在此，MIM較為大型的零件是此區的大宗。然後，我們來到中國東邊的長江流域又發現有不同的專長。由於APPLE產品的代工廠發達，因此製作MIM零件用於APPLE產品上自然就成為重點。在長江流域稍微下方的浙江地區，磁性材料元件和小五金商品則領導MIM製造商朝向這兩個方向。往更北邊的北方就比較偏向機構用產品，包含汽車、紡織以及工具五金等。台灣的MIM因受惠於中美貿易戰爭的影響，許多歐美訂單轉而向台灣下單。這樣來說，2023的MIM產業狀況屬於持平，比起其他產業要好的很多。
在2023年的觀察，更多的MIM製品廠都「關起大門」用心做產品。比起十年前大家都只會製作給智能手機配件的時代。似乎符合了German教授的提醒──長單好過潮單的預測。
工藝──MIM與更多工藝的產品整合
MIM自身就是一個整合數種製程的技術，包含粉末混煉、喂料造粒、生坯注射、修邊擺盤脫脂、燒結以及後處理。當然別忘了模具的設計與驗證來量產。當我們獲得MIM製品之後，往往發現僅通過MIM這樣的結果無法滿足客戶的要求。在過去一年的訪談，Dr. Q發現越來越多組裝件的需求出現在MIM零件製品廠。除了把MIM零件尺寸、表面光潔度、色彩裝飾做好之外，我們必須和其他製程和不同材質的零件組合在一起。那麼和積層製造的零件組合自然也不是新鮮事。因此MIM零件製造公司也可以經由組裝製造獲取多的營業額和利潤。
如圖6的不鏽鋼420指甲刀便是由三件MIM零件加上一片研磨貼紙、以及一根不鏽鋼轉軸。在組裝之前，每一件MIM零件必須先磁力研磨去除毛刺和表面的粗糙感，然後施以表面噴砂粗化、清洗以及鈍化抗腐蝕。在裝完轉軸後再進行刃口的研磨開鋒、貼上研磨貼紙，並按照客戶要求以鐳射雕刻特定商標和文字，才能夠成為真正的商品。在過去，可能一把指甲刀需要分為幾家工廠來承接MIM的後工序，但隨著競爭的激烈程度，這些後工序很有可能變成MIM廠自己的絕活──這也是未來的趨勢。或者如廣東、浙江地區一貫的跨廠整合。不同家工廠各自提出的專業技術，加上快遞網路完成跨廠合作完成商品。那麼，資源整合將會是未來MIM的重要管理技術。
同舟共濟──MIM與Metal BJT的合作元年
Metal BJT並非新的技術，但是比較有效率的設備是近幾年才有的。Dr. Q在2023年的走訪才驚訝地發現，原來MIM零件製造公司已經有數家投入BJT技術並產出產品銷售到市場上。包含HP、Desktop Metal與ExOne國際知名廠牌的Metal BJT都展開了不同的產品線布局。不約而同的是Metal BJT都尋找MIM製造公司的説明，尤其是解決燒結的困擾。Metal BJT挾其數位化模型以不需要開模具便可以快速且有效率的列印為數不少的金屬粉末生坯，這推翻了金屬小型機構零件製造的傳統方法。但是要把粉末生坯固化並形成真正的金屬零件，這個就需要小老弟MIM的説明。（根據歷史資料，AM技術早在1964年便開始，MIM則是誕生在1972年）。當然，別遺漏了圖6的提醒。Metal BJT要能夠真正地變成商品還是需要循著MIM的商品化整合後製程來完成。
由於Metal BJT帶來的新機會，MIM原有的設備商也正開始發動新的生意創想。包含如何保證BJT粉末的前處理、生坯的移動和運輸、更有效率的脫脂和燒結設備等。舉個例子，MIM目前使用的燒結爐規格越來越大，由240L、480L甚至到了600L或是龐大的連續式的燒結爐。這些並不合適用在BJT，因為BJT並不是少樣大量產出的工藝流程。因此開發小體積的燒結爐並改變MIM攏長的冷卻製程，這樣能夠節省燒結耗能和時間幫助BJT更有效率的服務製造業。Dr. Q認為Metal BJT可完全的循著MIM地區成長的模式，聚沙成塔、眾志成城，共同成為粉末成形的堅強技術。
生生不息──MIM度過50歲後的第一年
也是2023年，APPLE公司新推出的Iphone 15終於把使用近十年的雷霆接口更換成Type C。這個以MIM工藝生產超過20億個的電子連接器終於來到謝幕的階段。MIM製造的雷霆接口帶給我們堅固又耐用的使用經驗，提供超過上億人每天能夠平穩的使用使手機並安全的充電和接收電子訊息。MIM零件已經跟隨在人類身邊，默默的服務人類並貢獻它自己。新一代的貼身MIM零件已經出現並且快速的推展開來。用於快速可更換的智慧手錶錶帶扣(Lag of watch band)承接雷霆接口的使用，也開始服務人類。如圖6所示兩個做為機構元件的MIM零件。更多作為機構元件的MIM零件被開發出來，並且持續的使用著。包含各種能量轉換連接器、動力船動元件的齒輪等。「繼往開來、生生不息」──相信MIM技術能夠長命百歲的服務全人類。
