粉末注射成形详解

粉末注射成形的模具設計邱耀弘博士ACMT粉末注射成形技術委員會副主任ACMT粉末注射成形技術委員會副主任PIMA-CN中國粉末注射成型联盟輪值主席Dr.Q/ACMTMIM/PresidentofPIMA-CNV1.0May.15th20162016PIMA-CNACMT的4S(四個科學)的(四個科學)科學試模科學製模科學製模科學選材科學製造2016PIMA-CNPIM產品變形主要的因素MjitfdftifPIMtMajorpointsofdeformationofPIMparts•摩擦變形−注射成形過程中多種黏結劑的混合後凝固的扭曲應力−粉末形狀造成的黏結劑分布不均的扭曲−模具結構造成喂料的粉膠分離重力變形今天的講題•重力變形−燒結過程中的地球重力引力造成變形−產品沒有一個夠平的支撐面2016PIMA-CN2016/10/16 Sunday講義內容講義內容•09:30~10:30第一單元PIM的概論•10:50~12:10第二單元喂料技術•13:40~14:40第三單元模具設計的挑戰•15:00~16:30第四單元遇見未來•15:00~16:30第四單元遇見未來2016PIMA-CN第一單元：PIM的概論第一單元：PIM的概論SectionI:AintroductionofdldSectionI:AintroductionofdldPowderInjectionMoldingPowderInjectionMolding2016PIMA-CN冶金的相關技術RelationTechnologyofMetallurgyRelation Technology of MetallurgyPowderMetallurgy粉末冶金今天的講题粉末冶金PressureMolding,PM粉末壓製成形法今天的講题PowderInjectionMolding,PIM粉末注塑成形法Metal–powderInjectionMolding,MIM金属粉末注塑成形idjildiCeramic–powderInjectionMolding,CIM陶瓷粉末注塑成形3DPrintingbyMetalPowder3DPrintingbyMetalPowder金屬粉末3D打印DiffusionBondingForming–“BulkPowderSintering2016PIMA-CN6DiffusionBondingFormingBulkPowderSintering擴散焊接成形法–巨大體積的粉末燒結第五代的金屬成形製程The5thgenerationofmetalformingprocessThe 5tgeneration of metal forming process金屬成形制程2016PIMA-CNPIM金屬和陶瓷零件像塑膠注射零件一樣的設計DesignyourmetalorceramicpartlikeDesignyourmetalorceramicpartlikeplasticmolding利用塑膠注射的模具可以快速複製部品的優點，將金屬或陶瓷零件生坯採用相同的方式複製，隨後以熱製程將之脫脂與燒結後，作成金屬或陶瓷的實體零件。2016PIMA-CN日本粉末冶金協會的設計範例DesignsamplefromJPMADesign sample from JPMA 2016PIMA-CN金屬粉末注射成形製造流程MIMprocessflowchartMIM process flow chart  Materialforms材料形式MetalpowderMetalpowder金属粉末Binder粘结剂Feedstock喂料Greenpart生坯Brownpart棕坯Sinteredpart烧结件(Silverpart)(银坯)Finishedpart完成件粘结剂几乎不收缩15~18%收缩几乎不收缩1518%收缩KneadingDe-binding脱脂Sintering烧结Secondaryprocess二次处理g混炼Palletizing造粒Injection注射成形2016PIMA-CN10Recyclefeedstock回收喂料Process製程MIM的競爭制程–金屬加工技術Competed Process of MIM –Metal Forming  Process pgGlassalloyprocessDensity密度SurfaceroughnessFreedomofmaterial5Glassalloyprocess玻璃態合金製程Forging鍛造表面粗糙度材料自由度43鍛造Lost-waxcasting脫蠟鑄造Accuracy精准度Productioncost生產成本21PressMoldingofPM傳統粉末壓制3DPrinting精准度生產成本3DPrinting3D列印MIM金屬粉末注射成形FreedomofDesign設計自由度Manufacturability可製造程度PSEhithtdbCNChii注意每個制程之後都沒有跟隨金屬粉末注射成形Mechanicalproperties機械性質設計自由度可製造程度2016PIMA-CNP.S.EachprocesswithoutsecondprocessbyCNCmachining注意,每個制程之後都沒有跟隨機加工來討論對手1：第一代金屬成型技術•重力鑄造–I：翻砂鑄造•重力鑄造-II：失蠟鑄造/脫蠟鑄造/精密鑄造•壓力鑄造I：傳統壓鑄/半固融注射•壓力鑄造–I：傳統壓鑄/半固融注射•壓力鑄造–II：玻璃態合金/非結晶鈦合金/液態金屬2016PIMA-CN重力鑄造–I：翻砂鑄造重力鑄造–I：翻砂鑄造對MIM威脅等級：**•產品大於100g以上,越大件越好製作•製作效率低,每小時一個木模翻砂頂多20次(以一模二穴的100產品)穴的100g產品)•後加工-絕對的必要•材料種類多,有凝固偏析的可能；以鐵系,鎳系和銅系合金用途居多2016PIMA-CN2016/10/16Sunday合金用途居多•常見產品：五金工具、氣動工具、機床圖:引用自百度重力鑄造–II：失蠟鑄造/脫蠟鑄造/精密鑄造重力鑄造II：失蠟鑄造/脫蠟鑄造/精密鑄造金屬熔湯砂箱•在翻砂基礎上，以木模或是鋼模先灌出複數蠟模型(成品生坯)•將每一個蠟模型接與樹枝狀蠟膠砂箱(大件需要)道沾合一起•沾浸濕砂在蠟模外，並給予陰乾•加熱烤乾砂模,並脫除蠟液蠟模加熱烤乾砂模,並脫除蠟液•堵住脫蠟口，進行金屬熔湯灌注•清理模砂並對金屬零件後加工蠟模天工開物–青銅時期鑄造銅鐘對MIM威脅等級：***對MIM威脅等級：•產品1g~1000g較為有效率，也能做很大•製作效率高,每小時可翻鑄上百件(以10個100g產品一掛)•後加工:絕對必要材料種類多有凝偏析的能以鐵系鎳系和銅系合金多2016PIMA-CN2016/10/16 Sunday圖:引用自百度•材料種類多有凝固偏析的可能；以鐵系,鎳系和銅系合金居多•常見產品：戒指、水暖器材、金飾店的產品、氣動工具、槍枝等零件重力鑄造–I：傳統壓鑄/半固融(或稱觸變Thixod)注射重力鑄造I：傳統壓鑄/半固融(或稱觸變Thixod)注射①熱室法②冷室法加料系統浸材料融湯③半固融注射對MIM威脅等級：***•產品1g~100g較為有效率加料系統浸入材料融湯加料系統不浸入材料融湯③半固融注射產品1g100g較為有效率•以注射機方式和鋼模(壓鑄)複製的效率很高，每小時可注射效率已模次計算•後加工:絕對必要•材料種類多,有凝固偏析的可能；以鋁鋅系、鋁鎂系、鎂鋁和銅系合金用途居多常見產品3C產品金屬外殼和結構件氣動工具玩具2016PIMA-CN2016/10/16 Sunday圖:引用自台灣工研院•常見產品：3C產品金屬外殼和結構件、氣動工具、玩具重力鑄造–II：玻璃態合金/非結晶態合金/液態金屬最先進的可壓鑄玻璃態合金的壓鑄機玻璃態合金每次注射對MIM威脅等級:  ****最先進的可壓鑄玻璃態合金的壓鑄機與MIM注射機不同在於真空熔體腔/熔湯槽玻璃態合金每次注射要熔掉的一個整材料錠對威脅等級•產品0.1~1000g•製作效率高,幾乎相當MIM•產品不需再次燒結，少量機加工材料種類較少都是有專利的配方加工品限制多2016PIMA-CN2016/10/16 Sunday•材料種類較少，都是有專利的配方，加工品限制多圖:引用自PowderInjectionMoldingInternational什麼是玻璃態(非結晶態)合金?WhatisaGlass/anAmorphousalloy?晶界晶粒A結晶態金屬固體正常凝固,原子可以有序的排列有序結晶產生相變化晶粒B有序結晶產生相變化以X光繞射可顯示原子排列晶格的缺陷晶界金屬溶液以X光繞射可顯示原子排列結晶的固體(長程有序)所以有不同的相和結晶方向可以看到有晶粒和晶界非結晶態金屬固體急速過冷,原子來不及排列原子的晶格有序排列–晶體原子無序排列–非晶體類似液體的排列非結晶態金屬固體,無序結晶沒有相變化以X光繞射僅顯示環狀沒有結晶的固體(可能有短程有序)像玻璃就是我們熟悉的材料，玻璃就是一種2016PIMA-CN沒有結晶的固體(可能有短程有序)所已幾乎和液體狀態的金屬相同這樣稱為玻璃態或非晶態或液態的固體在常溫狀態仍保留其高溫液態的無序原子排列玻璃態合金的強度和彈性很高玻璃態合金的強度和彈性很高玻璃態合金玻璃態合金強強度彈性限2016PIMA-CN玻璃態合金具有很驚人的彈性但是表面硬度又高，一般金屬很難達到這樣非晶態合金的綜合比較數據非晶態合金的綜合比較數據非晶態金屬2016PIMA-CN資料來源：BYD公司的報告對手2：第二代金屬成型技術•鍛造法•金屬塑性加工2016PIMA-CN古老的技術鎔鑄後鍛打古老的技術–鎔鑄後鍛打金庸倚天屠龍記金庸–倚天屠龍記•屠龍寶刀、號令天下•倚天不出、誰與爭鋒•倚天不出、誰與爭鋒•中國古代鑄劍與鍛造技術―先鑄型―後槌鍛(熱鍛)―再浸滲(熱處理)―重複鍛(冷鍛)()2016PIMA-CN什麼是金屬塑性加工?什麼是金屬塑性加工?•金屬的塑性加工是使金屬在適當溫度以及外力作用下，使金屬產生塑性變形的基本加工技術•金屬零件加工後獲得所需形狀、尺寸和晶相組織，可對金屬產品的性能提升•金屬塑性加工的種類很多，根據加工時工件的受力和變形方式，基本的塑性加工方法有鍛造、軋製(a)、擠壓(b)、拉拔(c)、鐓厚(d)、拉深(e)，彎曲、剪切(分類到沖壓加工)等類對MIM威脅等級：**•產品0.1~1000g•製作效率較低,約每小時百餘件(大小不等時間)2016PIMA-CN2016/10/16 Sunday•產品不需再次燒結,必須配合後機加工圖:引用自百度對手3:第三代金屬成型技術•機械加工法•金屬材料移除加工絕對是朋友的對手技術2016PIMA-CN四大加工移除術+數值控制•車(Turning):被加工件夾持旋轉，刀具不轉•鑽(Drilling):刀具旋轉但僅垂直Z軸運動，被加工件不動鑽(Drilling):刀具旋轉但僅垂直Z軸運動被加工件不動•銑(Milling):刀具旋轉可X,Y,Z軸移動,被加工物也可移動,數控加工的基礎•磨(Grinding):少量移除的精密加工，拋光和研磨都屬於本技術對MIM威脅等級:***對MIM威脅等級:  ***•產品0.1~5000kg•附屬加工，是大部分金屬的產品都需要的好朋友•金屬件的定位孔/絞孔/搪孔等高精確度的孔位，一定是2016PIMA-CN2016/10/16 Sunday//要通過機加工達成圖:引用自百度CNC和MIM的較爭(1) –人機料法之人與機優勝指標人員CNC加工MIM製程人員CNC加工MIM製程加工知識編程與機台維護專業標準化粉末注射製程課程現場作業人數(普工)少修坯多技術分析與排解(工程師)等同等同管理技術量產排程/維護保養量產後加工排程高階主管能力(總工)著重技術密集與尺寸達標著重全面與材料科學機器CNC加工MIM製程機器CNC加工MIM製程加工設備管理簡易較雜設備彈性僅能處理加工移除多種材料可操