粉末注射成型的案例
Moldex3D模流分析之粉末注射成型模塊模擬
粉末注射成型（PIM）為傳統射出成型的重要衍生制程，其提供另一種解決方案，用以生產由金屬或陶瓷材料所制成的高精度產品。金屬粉末注射成型制程被廣泛應用于消費性電子與信息工業領域，而陶瓷粉末注射成型制程則主要用于汽機車與醫療產業。粉末注射成型與傳統射出成型的主要差異在于備料（feedstock）。在粉末注射成型中，粒狀備料是由金屬或陶瓷粉末和高分子黏著劑兩種材料混合而成，其粉末體積通常為40%-60%。金屬或陶瓷粉末是形成最終產品的主要原料，但一般很難被加工，因此藉由黏著劑如塑料或蠟以降低粉末的黏度，以利將粉末注入模穴中。
粉末注射成型制程包含四項基本步驟：(1) 制備含有所需粉末的備料；(2) 備料經射出成型成為生胚；(3) 脫脂以移除生胚中的黏著劑；(4) 燒結剩余的粉末結構以得到最終產品。一般而言，燒結后發現的塑件缺陷多在射出成型過程中就已形成，例如：蠟痕、頂針痕、分模線等，這些缺陷并不能在脫脂或燒結過程中減少或消除。在金屬粉末注射成型工業中，黑線（black line）是由于粉末－黏著劑的相分離現象而在塑件表面產生的缺陷，常發生于高速與高壓的射出成型制程中，此相分離現象會影響生胚的質量，對于燒結過程中的翹曲與機械性質都非常重要。因此，如何預測模具充填時的粉末濃度是必須重視的課題。
Moldex3D 粉末注射成型模塊功能導覽
Moldex3D粉末注射成型模塊（PIM）能仿真三維粉末注射成型制程，包含金屬與陶瓷兩種粉末。粉末注射成型充填的一般概念多數承襲于傳統射出成型制程模型，這兩者的主要差別在于射入模穴的材料復雜程度。Moldex3D粉末注射成型模塊能提供充填階段時的粉末濃度分析結果，以觀察粉末－黏著劑的相分離現象。
注意：Moldex3D粉末注射成型模塊支持solid與eDesign網格模型。
1.
展開 Moldex3D仿真分析之粉末注射成型制程復雜形狀產品
為什么使用粉末注射成型(PIM)模擬?
粉末注射成型(PIM)技術起源于1973年，利用金屬或陶瓷粉末加上一定量的黏著劑(binder) 共同組成置備料(feedstock)。 粉末注射成型置備料可以透過射出、脫脂與燒結等程序后，可以做出各種產品。粉末注射成型透過單一的加工制程直接做出復雜形狀的產品，適合大量制造，已經廣泛使用于各種產業。
挑戰
? 產品表面及外觀質量
? 有效的降低體積收縮、翹曲、黑線 (不均勻的粉末濃度)的效應，達到高燒結產品的質量需求
? 黑線現象和粉末與黏著劑的相分離以及低粉末濃度區域有關
Moldex3D 解決方案
? 模擬由粉末及黏著劑組成的流動行為
? 預測潛在的缺陷，例如翹曲或黑線等問題
? 評估在粉末濃度區域的剪切效應
? 評估粉末與黏著劑的最佳混合比例
? 計算原料的性質
? 成型條件優化，例如溫度及充填速度等
應用產業
? 汽車
? 機械
? 醫療
? 消費性產品
展開 Moldex3D模流分析之粉末 (Powder Injection Molding)
粉末注射成型簡介
粉末注射成型（PIM）為傳統射出成型的重要衍生制程，其提供另一種解決方案，用以生產由金屬或陶瓷材料所制成的高精度產品。金屬粉末注射成型制程被廣泛應用于消費性電子與信息工業領域，而陶瓷粉末注射成型制程則主要用于汽機車與醫療產業。粉末注射成型與傳統射出成型的主要差異在于備料（feedstock）。在粉末注射成型中，粒狀備料是由金屬或陶瓷粉末和高分子黏著劑兩種材料混合而成，其粉末體積通常為40%-60%。金屬或陶瓷粉末是形成最終產品的主要原料，但一般很難被加工，因此藉由黏著劑如塑料或蠟以降低粉末的黏度，以利將粉末注入模穴中。
粉末注射成型制程包含四項基本步驟：(1) 制備含有所需粉末的備料；(2) 備料經射出成型成為生胚；(3) 脫脂以移除生胚中的黏著劑；(4) 燒結剩余的粉末結構以得到最終產品。一般而言，燒結后發現的塑件缺陷多在射出成型過程中就已形成，例如：蠟痕、頂針痕、分模線等，這些缺陷并不能在脫脂或燒結過程中減少或消除。在金屬粉末注射成型工業中，黑線（black line）是由于粉末－黏著劑的相分離現象而在塑件表面產生的缺陷，常發生于高速與高壓的射出成型制程中，此相分離現象會影響生胚的質量，對于燒結過程中的翹曲與機械性質都非常重要。因此，如何預測模具充填時的粉末濃度是必須重視的課題。
Moldex3D粉末注射成型模塊功能導覽
Moldex3D粉末注射成型模塊（PIM）能仿真三維粉末注射成型制程，包含金屬與陶瓷兩種粉末。粉末注射成型充填的一般概念多數承襲于傳統射出成型制程模型，這兩者的主要差別在于射入模穴的材料復雜程度。Moldex3D粉末注射成型模塊能提供充填階段時的粉末濃度分析結果，以觀察粉末－黏著劑的相分離現象。
注意：Moldex3D粉末注射成型模塊支持solid與eDesign網格模型。
1.
展開 Moldex3D模流分析之Powder Injection Molding
為什么使用粉末注射成型(PIM)模擬?
粉末注射成型(PIM)技術起源于1973年，利用金屬或陶瓷粉末加上一定量的黏著劑(binder) 共同組成置備料(feedstock)。 粉末注射成型置備料可以透過射出、脫脂與燒結等程序后，可以做出各種產品。粉末注射成型透過單一的加工制程直接做出復雜形狀的產品，適合大量制造，已經廣泛使用于各種產業。
挑戰
? 產品表面及外觀質量
? 有效的降低體積收縮、翹曲、黑線 (不均勻的粉末濃度)的效應，達到高燒結產品的質量需求
? 黑線現象和粉末與黏著劑的相分離以及低粉末濃度區域有關
Moldex3D 解決方案
? 模擬由粉末及黏著劑組成的流動行為
? 預測潛在的缺陷，例如翹曲或黑線等問題
? 評估在粉末濃度區域的剪切效應
? 評估粉末與黏著劑的最佳混合比例
? 計算原料的性質
? 成型條件優化，例如溫度及充填速度等
應用產業
? 汽車
? 機械
? 醫療
? 消費性產品
展開 
金屬粉末注射成形——MIM成型工藝與產品設計
金屬粉末注射成形——MIM成型工藝與產品設計
近十年MIM的產品應用Part VI：高爾夫球桿頭配件
范例說明
圖3為網頁上輸入「MIM GLOF CULB」便可以找到的品牌高爾球具的廣告，并且直接注明該球頭的成型工藝便是采用我們熟悉的金屬粉末注射成型(MIM)，其中該公司更是直接把MIM設計成商標的一部分。各位讀者也能夠在網絡上搜尋介紹此產品的影片，并且重溫MIM工藝流程的影片。影片關鍵詞為MIM, process, Glof, Club輸入Youtube找尋，以下網址表示www.youtube.com/watch?v=9h_v5x9XHfk。
圖3：在網絡商店中售賣的MIM工藝制作的高爾夫球頭，制造公司并將MIM制作成為商標的部分表明采用金屬粉末注射成型完成，照片引用自www.globalgolf.com/golf-clubs/1053711-cobra-king-mim-classic-grind-wedge
Dr. Q并不在此重新敘述MIM工藝的優勢，但是部分讀者可能會問Dr. Q這么大的體積和重量MIM能夠燒得出來？產品不會龜裂還是變形？別忘記，本次Dr. Q是帶來跳脫3C產品零配件輕、薄、短、小，而是考慮如何制作較為重、厚、長、大的高爾夫球頭，在前幾期的專欄也有說到3C產品使用的厚重夾具，高爾夫球頭的挑戰顯然又比那一期的更為巨大。
展開 對金屬3D打印閥體零件表面質量的思索
在零件加工時，設計師需要量化權衡以確定使用何種加工工藝，例如：金屬打印，鑄造或金屬粉末注射成型。
金屬3D打印鈦合金支架表面處理前后對比，圖片來源：NASA & valve magazine
典型的金屬粉末注射成型具有很好的表面質量（一般Ra為30-50），而鑄造相對粗糙（Ra在100到500微米之間）。金屬3D打印的表面粗糙度則較高，通常在Ra 250-400 +。
值得設計師注意的是，金屬3D打印的工藝有多種，例如：定向能量沉積、粉末床選區激光熔融，而每種工藝加工的金屬零件具有的表面粗糙度不同。此外，使用的打印機類型、工件的復雜程度，打印材料以及增材制造零件的設計方式、打印時零件擺放方向等因素都有可能影響3D打印零件的最終粗糙度。
通過表面后處理工藝可以提升金屬3D打印閥體的最終光潔度，但表面后處理會產生成本并增加一定的制造時間，因此，在設計師決定采用金屬3D打印作為閥體的制造手段之初，需要將這些因素考慮進去，納入閥體制造的總成本和周期中，在設計3D打印零件時，也需要留出后處理加工余量。
通常，在進行后處理之前，3D打印零件越接近所需的最終光潔度，精加工的消耗就越低，反之則會產生較高的消耗，比如說，如果3D打印零件的表面粗糙度是800 Ra，但是最終需要達到<50 Ra，則需要很大耗費才能達到目標。
許多常見的拋光后處理技術可以使3D打印零件達到表面粗糙度的要求。然而，這些工藝不一定是制造商獨立完成的，當需要外包加工時，就會產生運輸和管理費用等額外的成本。當需要多方參與時，質量問題的風險也會增加。
傳統制造方式給閥體設計，尤其是流體通道的設計優化帶來的局限性是顯而易見的。然而，金屬3D打印技術卻可以制造出帶有復雜流體通道的一體化閥體。
展開 Moldex3D模流分析之使用實驗設計功能改善成型條件
在塑料成型制程中，各項參數的選擇都會改變最終產品的質量。透過Moldex3D Studio的實驗設計法(DOE)，即可分析從產品設計、材料選用到成型條件各階段的變化，以掌握影響質量的各項條件。
Moldex3D提供多樣化的控制/質量因子，且除射出成型之外，更支持芯片封裝等塑料成型制程。使用者只要透過DOE精靈，即可預測各項成型參數的最佳組合，大幅降低傳統試誤法所需時間，并快速厘清各項變因造成的影響。
?步驟1：新增實驗設計
首先建立DOE基礎分析組別，并完成模型、材料、成型條件、分析順序、計算參數的設定后，右鍵開啟組別清單，并點選新增實驗設計來啟動DOE精靈。
注：Moldex3D的DOE功能目前支持的模塊包含射出成型、粉末注射成型、芯片封裝成型。
?步驟2 分析順序設定
DOE精靈會根據使用者選擇的基礎組別，設定分析順序的默認值，用戶亦可依照分析需求進行調整。在DOE方法中，設定控制因子的數量與其水平數，系統會自動選擇適當的田口直角表(此處為2階水平的2個控制因子用L4(23)直交表)。
?步驟3 質量與控制因子
控制因子為需要被改善的參數設定，水平決定控制因子的變化的步數，也可視為優化分析的分辨率。本范例中使用材料(ABS、PP)與充填時間(0.8至1.6秒)做為控制因子。
質量因子是改善的目標，本范例中使用保壓_壓力(對象：全局、目標：望均)與翹曲_總位移(對象：距離、目標：望小)做為質量因子，兩者權重皆為1，代表重要性相同。
備注：自Moldex3D 2021起，網格與材料可作為控制因子的選項。質量因子部分，翹曲_總位移新增支持不同量測項目，包含全局、真圓度、平坦度與距離。
展開 電子束3D打印EBM制造無裂紋鎢金屬部件
EBM技術使用在真空中加速的電子束來熔融金屬粉末。通過移動電子束，有可能以添加方式從金屬中生產出三維部件，也就是逐層生產，這項技術最初是為鈦合金和需要高加工溫度的材料開發的。
預熱減少變形和固有應力
為了使用鎢創建3D打印部件，Antusch和他的同事通過EBM機器中的電子束在熔融鎢金屬粉末前對其進行預加熱。研究人員解釋說，這種預熱程序減少了金屬的變形和固有應力，使得加工在室溫下容易斷裂但在預熱后可以變形的材料成為可能。
Antusch宣稱EBM與其他技術（如激光打?。┫啾?，在生產無裂紋鎢部件方面要好得多。而且，與粉末注射成型技術（另一種廣泛采用的用于制造復雜、大批量凈成形部件的先進制造技術）不同，Antusch指出，使用新方法"你不需要昂貴的工具，可以自由設計打印部件"。
IAM-WK的研究人員參與了亥姆霍茲協會和歐洲聚變計劃（EUROfusion）的工作，其長期目標是為聚變能源和醫學工程中的高溫應用開發材料和工藝（如為CT掃描儀制造零件）。他們現在計劃對其打印的鎢材料的機械性能進行表征和測試，以用于此類應用。
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展開 Moldex3D模流分析之資料標簽
粉末信息 (Powder Information)
粉末信息(Powder Information) 顯示加在熔膠內的粉末相關信息。
包括粉末種類，也就是所謂的粉末類型，如金屬粉末或陶瓷粉末、粉末大小、粉末濃度和粉末摩擦系數。在這些項目中，自定義項目為粉末大小和濃度，這二個項目需要量測且為變量。然而，摩擦系數是一個很敏感的參數，需要特別謹慎處理。這個表格為評估粉末注射成型的分析結果的重要依據。
結構黏彈性 (Structure VE)
顯示選定材料的相關黏彈系數與模型，材料的黏彈性數據如下圖所顯示，只有含有黏彈性質的數據的材料才能于材料精靈內顯示黏彈性信息。
光學 (Optics)
會顯示光學性質，包含不定向光折射率、流體引致光壓系數與熱引致光壓系數。僅有具光學性質的材料可使用[光學]。
塑料分子鏈的光極化力是異向性的，表示折射率與分子骨架的方向是不同且橫向的。材料的特征與加工時的條件都會決定異向性，分別舉例，如分子鏈的化學組態與構造，以及成型條件與模具設計。異向性折射率也稱為雙折射，會大為影響光學性質，一般也認為這是開發光學產品的重要因子。
引起光學塑件雙折射的原因主要有兩個。一個是充填時歸因于分子方向的流體引致殘留壓力。另一個是因體積收縮與釋放不平衡引發的熱殘留壓力。一般通常認為雙折射主要是受整個加工過程，包含充填、保壓與冷卻階段時的流體力學和溫度所影響。
IC 材料(IC Material)
指定 IC 組件的熱性質和機械性質，以預測封裝過程中溫度和應力的影響。
Ply
1）滲透率 (Permeability)
指定迭層當熔膠流過時三個方向 (兩主軸與垂直方向) 的滲透率。在不同方向可以選擇是否考慮壓力及剪切變化的影響 (點擊更多信息來觀看模型)。
展開 一文了解氣體輔助注射成型
由于注射點的數量減少,所以波紋和熔接線也相應減少.
降低生產成本
由于減少了壁厚,因此降低了零件成品的總重量.
由于壁厚較小,因此縮短了冷卻時間和循環時間.
由于降低了鎖模力和注塑保壓壓力,能源消耗成本降低.
由于零件的集成化,從而降低了裝配成本.
降低投資成本
由于注射壓力較低,因此可以降低注塑機的鎖模壓力,可使用噸位較小的注塑機.
由于注射壓力較低,從而減少模式具制造成本.
由于注射壓力較低使模具的損耗減少,從而降低了維修成本.
你了解三段注射成型工藝嗎？
普通二段成型工藝
為了解決復雜的注塑問題以及生產穩定，注塑成型工藝應該：
盡量減少每模之間的差別
工藝穩定
材料成型時粘度一致
每模切換位置以及切換時材料的粘度一致
為了保持這種穩定，注射階段通常使用速度控制，速度越快，材料粘度越低。當注射到95%~99%時，切換為保壓，此時應使用壓力控制。
在注射到95%~99%時，模具型腔末端還未完全充滿塑料，但模具型腔內的塑料同時開始冷卻收縮。也就是說，V/P切換非常不穩定。
三段成型工藝
與兩段成型工藝一樣需要保持工藝的穩定性，除此之外，三段成型工藝的特點是：將切換點略微提前，注射完成進入補縮階段，直到填充型腔至99%轉保壓。保壓只是為了抵住型腔內的壓力，直到澆口封閉。
這樣，形成一個新的工序：注射階段（速度控制）、補縮階段（速度控制）和保壓階段（壓力控制）。補縮階段覆蓋了不穩定的切換動作，使得成型工藝更穩定。
展開 金屬粉末射出成型(MIM)
公司（目前該公司仍存在），該發明講述以MIM 工藝制作鈮合金作為火箭推進器的后燃氣噴嘴，由于材料耐高溫、質地硬且難以成型，以MIM 工藝成功的完成大量制造的任務，在2011 年起由于手機與智能手機的剛需，MIM 工藝才在誕生至少近40 年才得以出頭天。目前在網上已經有大量的資料說明MIM 工藝的程序，不過我認為邱博修改的歐洲EPMA 的流程圖更為清楚和傳神，如圖1 所示。
圖1：由邱博士修改自EPMA 的MIM 工藝流程圖
其中，主力成型設備是ACMT 協會和ASM 雜志經常提及的射出成型機（射出機、注塑機或稱啤機，早年廣東白話的稱呼）。雖然射出成型是在1945 年二戰之后才開始大量的流行，但因為塑膠原料的進度使射出技術也日新月異的推進，而金屬射出成型自然是藉由射出技術所擴展的，因此了解金屬粉末、高分子聚合物的性質就變得非常重要，正好我在學生生涯的學習都派上用場。
兩個靈魂──喂料與模具MIM 最重要的兩個靈魂在于喂料與模具，而靈魂的連接器就是射出成型機，這是近五年與邱博到處當顧問服務客戶所得到的重要說法，如下說明。
喂料(Feedstock)喂料是由金屬粉末（固體顆粒）與黏結劑（高分子聚合物），這是MIM 工藝采用和塑膠射出工藝一樣的方式，利用砲筒的加熱以溫度改變高分子聚合物的相由固轉液的特性，且此時液相的黏結劑有足夠的黏度能夠攜帶金屬粉末固體均勻的流動并填充到模具的模穴中，來獲得設計過形狀的生坯，最終通過脫脂和燒結獲得金屬的零件。因此，金屬粉末的粒度分布、形狀和面貌與黏結劑成分的比例設計有絕對的關系。
展開 聚甲醛注射成型工藝分析
注射壓力：
注射壓力的大小主要取決于聚甲醛（POM）的熔融流動性，流道、澆口的厚度和寬度，以及塑料制品的厚度等因素。通常為40～130Mpa，對于厚壁制品，注射壓力可取小值，反之薄壁制品則應取大值。
注射速度
常見為中速偏快，過慢易產生波紋，過快易產生射紋和剪切過熱。
背壓
越低越好，一般不超過200bar
滯留時間
如設備沒有熔膠滯留點，POM-H 可在215℃滯留35分鐘，POM-K 可在205℃滯留20分鐘不會有嚴重的分解
在注塑溫度下熔體不能在機筒內滯留超過20分鐘。POM-K在240℃下可滯留7分鐘。如果停機，機筒溫度可降到150℃，如要長期停機就必須清理機筒子，關閉加熱器。
停機
清理機筒必須用PE或PP，關閉電熱，把螺桿推在前位。料筒和螺桿必須保持清潔。雜質或污垢會改變POM的過熱穩定性（尤其是POM-H）。
所以當用完含鹵聚合物或其他酸性聚合物后，應用PE清理干凈后才能打POM塑膠原料，否則會發生爆炸。若作用不當的顏料、潤滑劑或含GF尼龍的物料，會導致塑料降質。
后處理
對于非常溫使用的制件且質量要求較高，須進行熱處理。
退火處理效果，可將制品放入濃度為30%的鹽酸溶液中浸30分鐘檢查，然后用肉眼觀察判斷是否有殘余應力的裂紋產生。
展開 粉末冶金成型技術
粉末冶金成型是粉末冶金生產中的基本工序之一，目的是將松散的粉末制成具有預定幾何形狀、尺寸、密度和強度的半成品或成品。粉末冶金成型技術是利用金屬粉末以及化合物粉末的混合物為原料，經過成型燒結操作，制取金屬氧材料及其復合材料的加工方法。
