粉末成型的案例
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 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。
金屬粉末射出成型(MIM)
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。
表1與表2顯示MIM的金屬粉末、黏結劑與喂料組成應該注意的參數和判斷機制，以確保獲得最終產品的質量控制。由于一般的MIM工廠不一定有這么多的精密儀器，最好在采購物料時能夠要求供應商提供必要且實時性的報告（切勿使用過時的報告，批量間的差異會導致制程控制的不定性），并且自己廠內至少要有幾樣檢測儀器，才能確保MIM喂料的質量。
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 技術文章 | 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 如何利用Moldex3D粉末成型解決方案解決產品黑線問題
黑線是一種表面缺陷問題，常見于金屬粉末射出成型(MIM)。造成黑線的原因是金屬粉末與黏結劑之間發生分離，導致局部粉末濃度下降。多數的黑線發生在原料(Feedstock)注入模穴時，從生坯(Green Part)上即可觀察到。然而，大部分的生產者發現問題時，往往已經在燒結之后，為時已晚。
黑線發生的區域代表粉末濃度較低，黏結劑比例則相對高，在燒結過程中，黑線發生的區域會產生外觀缺陷或是機械性質降低等問題。隨著產品設計越趨復雜，用傳統試誤法解決黑線問題已無法符合成本經濟。如何在燒結前，掌握成型原料特性，確保成品的生坯質量才是關鍵。透過以下實際案例，我們將介紹如何善用Moldex3D模流分析軟件提供的粉末射出成型解決方案，確實改善黑線問題。
以下案例為一個扇形澆口MIM產品，根據粉末濃度與剪切率分析結果，其表面濃度分布均勻。然而，靠近扇形澆口位置附近，因剪切率較大，導致濃度分布有顯著落差，這些區域也是在生胚上最容易發生黑線的位置。透過Moldex3D粉末射出成型解決方案，可以完整整合網格、材料特性以及掌握成形條件，更重要的是，過去難以預測的黑線發生位置及原因，現在可以透過調整適當成形條件獲得改善。
(a) MIM零件之扇形澆口幾何 (b) 粉末濃度分布結果 (c) 剪切率分布結果
下面為Moldex3D仿真黑線位置與實際結果比較圖，結果顯示仿真分析與實際情形高度相符，更應證了模擬分析可以有效于杜絕設計瑕疵，針對設計質量有效把關。
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。
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展開 材料是一切的開始
隨著計算機科學與檢驗探頭的技術越趨進步，粉末的分析結果由定性已經逐漸邁向定量分析結果，對于制造的精密度就會更準確，那么質量檢驗過程的效率包含取樣、檢驗、數據收集以及分析自然就要被要求更有效率。
圖3：相對圓球度使用標準多面體來模擬
表面狀況
圖4是實際以掃描式電子顯微(Scanning Electronic Microscopy, SEM)進行影像拍攝，目前還是處理人為主觀判斷，不同粉末制程可以容許使用的粉末表面狀況也有所不同。
圖4：幾種粉末的特征。1.是多角狀如硬質合金，采用破碎研磨后有銳利的邊角，必須利用較多的潤滑劑和黏結劑包覆粉末，才能進行成型；2.是水霧化的鐵粉用于傳統粉末冶金壓制上；3.是水氣聯合霧化法制作的不銹鋼粉末，已經是有略為圓球狀并混合有長條米粒狀的粉末，以及一部分的細粉，這非常適合給MIM使用；4.是氣霧化法不銹鋼粉末多用在金屬增材制造上的粉床熔融法上
材料的化學成分
在三大金屬粉末成型技術所使用的金屬材料是有區分的，如表2所表示。詳細的牌號會在后面介紹三大制程時詳細說明。
表2：三大金屬成型技術能夠制作的金屬材料
小結
經過將近半世紀的努力，粉末成型技術已經榮登金屬零件制造技術的近凈成型(Near Net-shape)殿堂之首，在全球華人努力下中國制造的金屬粉末（包含三大技術所用）已經位居全球產量之冠且性價比最高的地位，市場需求和應用亦同于金屬粉末原材料的情況，我們恰逢其盛況，歡迎更多讀者的閱讀并加入粉末成型的行業。
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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
粉末冶金工藝的基本工序有幾步?
粉末冶金工藝的基本工序是：
1、原料粉末的制備。現有的制粉方法大體可分為兩類：機械法和物理化學法。而機械法可分為：機械粉碎及霧化法;物理化學法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。其中應用最為廣泛的是還原法、霧化法和電解法。
2、粉末成型為所需形狀的坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強度。成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型。加壓成型中應用最多的是模壓成型。
3、坯塊的燒結。燒結是粉末冶金工藝中的關鍵性工序。成型后的壓坯通過燒結使其得到所要求的最終物理機械性能。燒結又分為單元系燒結和多元系燒結。對于單元系和多元系的固相燒結，燒結溫度比所用的金屬及合金的熔點低;對于多元系的液相燒結，燒結溫度一般比其中難熔成分的熔點低，而高于易熔成分的熔點。除普通燒結外，還有松裝燒結、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結工藝。
4、產品的后序處理。燒結后的處理，可以根據產品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機加工、熱處理及電鍍。此外，近年來一些新工藝如軋制、鍛造也應用于粉末冶金材料燒結后的加工，取得較理想的效果。
展開 Deform多孔材料的滾珠軸承環成形 ￥2.99
材料密度變化的對象（例如粉末成型中使用的材料）應建模為多孔對象。
當前可用于多孔材料的唯一迭代方法是直接求解方法。該方法不具有快速收斂能力，因此，多孔材料模擬可能比可比較的塑性材料模擬花費更長的時間。
下面是一個滾珠軸承環（如下圖）壓縮成形的實例，這里只取一個其橫截面進行分析。
1 新建一個問題，并命名為Porous_race。然后進入前處理，打開2D模塊。
2 模擬控制部分只考慮變形不考慮傳熱。依次導入工件幾何體PM_pre.igs，上下模幾何體PM_top.igs和PM_btm.igs。
3 設置坯料基本性質。溫度2000F，密度0.9，材料AISI-4340[1550-2200F ( 850-1200C)]。
這里的密度是相對密度，不是絕對密度，取值為0-1。這個值最好設置成0.7及以上，因為DEFORM不能對散粉壓縮進行計算，即需要一定密實的材料。
設置材料密度除了這樣統一設置之外，還可以通過Advanced中的Element data設置。這兩種方法的區別是，后者能設置局部的密度信息，見下圖。其中Range可以批量給一定范圍的單元賦值，而Picking則可以給單獨選擇的單元賦值。
4 劃分網格。這里簡單的劃分350個網格。
5設置上模運動速度為7。下模保持默認。
6 進行定位設置，上下模均采用干涉定位。
7 定位關系設置。
展開 破曉時分──MBJT成為MIM的強大競爭者
而在成形溫度方面，MBJT相較于其他金屬積層制造技術，如SLS/SLM(Selection LASER Sintering/Melting)、MMJT(Metal Material Jetting Technology)或是MEX（MEX - Material Extrusion包含PEP - Powder Extrusion Precipitation或FFF - Feedstock Filament Fusion技術，采用粉末制作成的喂料進行擠出成型），MBJT的成形溫度無疑是最低的(~80℃)。這是非常巨大的優勢，沒有高溫帶來的打印品變形、扭曲以及加工過程的爆炸風險。
對于金屬粉末選型除了球形度要求高之外，限制性的如高反射率（目前僅純銅、銅合金和純鋁）、活潑性高（鈦、鋁等純金屬或合金）都可以在MBJT的設備中進行打印，對于特殊金屬材料3D打印技術的開發有了更為寬廣的大門。
那么，有了MBJT就不需要MIM了？
恰好相反，俗話說「只要帶個鼠字，都歸貓管！」，即便是黃鼠狼也懼怕貓。既然黏結劑噴射是粉末成型技術的一個分支技術，自然就歸粉末師傅Dr. Q管了（Dr. Q就是往自己臉上貼個金，好看！），MBJT和MIM可以說是很難分開的孿生兄弟技術，此話怎說？
展開 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。
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