星期一, 5月 16

    3C产业:借由模具和射出成型技术快速的变迁

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    ■邱耀弘 博士

    产品体积越小,改变得越快

    当 APPLE 在 2016 年 9 月 8 日发表 AirPods 无线耳机至今,起初的各种怀疑和谩骂与取笑的声音,随着时间逐渐转变成称赞与讚叹,因此若哪一天AirPods能在手机 APP或在耳机本体上显示体温状况(表面颜色改变), Dr.Q认为这也是APPLE的本事,因为人们设计更好的 硬件和软件为的便是对人类作出更好的服务。本篇所要谈的,便是当产品的体积越小,改变的速度越快,小尺寸的3C电子装置相对于汽车而言,包含模具的开发与 修改成本、使用的安全规范与承担的人类生命安全风险 显然都较低,但我们必须了解到,若没有发现高分子塑胶材料,那这些理所当然的事情都将成为幻影;有了正确的材料与高分子塑胶这两大辅佐功臣,模具和射出工 艺也才得以上场发挥。

    快速的制造方法

    射出成型的方式是把原材料变成产品最快的制程工艺, 而且可以说是净形(Net Shape)加工,加工过程是借助 高分子材料分子级的相变化,通过加热到达玻璃转化点 (Glass transition point, Tg) 以上的温度,使高分 子材料软化具有流动性,再以压力将软化流动的材料 高速注射到模具的模穴中;在本世纪中,部分的金 属材料也利用这样的原理,加热材料达到金属的熔 点 (Melting point, Tm)或是合金的共晶熔点 (Eutectic melting point, Te),同样的也可以类似射出成型的方 式完成压铸(Die casting)或液态金属射出成型(Liquid Metal Technology, LQMT);当然,也把热固性材料 的模塑料 (Molding Compound) 成型法加入到新式 射出成型的一部分,接下来在Dr.Q为大家进行几种 创新的射出成型与搭配的模具技术进行简单的回顾之 前,我们来了解泛(广义)射出成型方式,如图1所 示,即是透过加热使材料发生相变化借由压力(注意, 不光是利用自身的重力,必须借由设备加压),使材 料通过模具上的流道后,填充到模穴的程序。而在 表1中,Dr.Q列出近十年比较走红的几个泛射出成型 技术,并随后进行简单的图示说明以方便大家通盘了解。

    图 1:泛注塑成型的几个要素

    表 1:泛注塑成型技术表列,包含材料与辅助材料

    泛射出成型技术

    模塑料成型(Molding Compound) 模塑料成型法的材料组成主要包含硅填充物、环氧树 脂以及其他添加剂,主要利用这些封装材料的包覆对 於半导体晶圆和线路的形成保护功能,以免受到外界 环境的影响及破坏。一般固态模封材料(EMC)主要组 成份包含了 70~85% 无机填充物、15~25% 树脂、硬 化剂、脱模剂、著色剂(通常有碳黑和铁氧棕色,其 他颜色较少见)、应力松弛剂、阻燃剂与其他材料。

    金属压铸成型(Metal Die Casting) 压 铸 机 分 为 热 (Hot chamber) 室 法 与 冷 室 (Cold Chamber)法,差別在于热室法的浇铸系统是浸泡 在融熔的材料熔汤中,因此热室法最多只能加工到 700°C以下的材料,在设备中有一支鹅颈(Gooseneck) 取代注射的喷嘴(Nozzle);冷室法就比较类似於现有 注射机,材料是在另外的腔室加热后再送到压铸材料 供给单元(即活塞)来推送材料(如图2(a)、(b))。

    图 2:三种类似的金属注塑成型方式之区别:

    (a) 热室法压铸;(b) 冷室法压铸;(c) 金属触变成型法,又称金属半固熔螺杆注射法

    金属触变成型技术(Thixod Molding Technology) 如图2(c)所示,这项技术是专门用在镁合金成型制程 的设备,镁合金制作成片状或圆柱状类似塑胶颗粒大 小,借由砲筒的加热与螺杆带动把合金向前挤压,并在加热到几乎要熔解的状态时(一半固体一半熔体称 为半固熔体,又称触变态),再加压注射到模穴中完 成制程获得镁合金件。目前此类加工技术的镁合金机 壳用在笔记本电脑、平板电脑、手机外壳都有不错的 成绩。

    粉末射出成型(Powder Injection Molding)

    粉末射出成型是Dr.Q本身擅长的技术,尤其是金属 的部分,利用注射技术来成型金属或陶瓷零件是非常 先进的,也因为借助射出成型的技术才可以进行大量 生产。近十年来,粉末射出成型技术已经被3C产业 中的智能手机列为主要生产技术,最令一般大众惊奇 的莫过於粉末注射产品在射出成型之后的脱脂与烧 结,注射品可以保持相对的几何形状而且等比例收 缩,当然这个技术也经过了近40年的努力改进,才 能成为今日制造主流技术的翘楚。从图3中我们可 以发现,粉末射出成型是一个比较繁复的制程集成, 其中主要四个制程包含混料、注射、脱脂和烧结,经过烧结后才能获得产品的金属或陶瓷实体粗坯(烧结 体),在这之后要配合传统金属后加工的工艺来进行处理,以达到最终产品的外观、尺寸与精度的要求。

    图 3:金属粉末注塑成型的流程图

    液态金属成型技术(Liquid Metal Technology)

    LQMT目前的主流成分是以铝材料为基底,并加入5 到6种不同金属粉末,以形成复杂的共晶反应迅速降 低熔点(约低于1200℃),借由熔汤的低流动性快 速地打入模穴中冷却固化,而得到的金属零件仍需要 经过少量的加工,才能得到最终的产品以符合设计规 格,并非属于净形加工完全不需要再加工与整形。而 如图4中所展示的设备,便是采用类似於射出机的 结构,不同的地方在于砲筒改为快速真空熔炼腔,当 材料锭化后仍旧如压铸方式以活塞加压熔汤打入模穴中。

    图 4:左图:最先进的 LQMT 压铸机与传统塑料注塑成型机外型类似,主要差异在于真空熔体腔(熔汤槽);图右:
    LQMT 的定量注射要熔掉的一整个材料锭形状

    奈米成型技术(Nano Molding Technology, NMT)

    奈米成型技术是一种用于金属与塑胶的结合技术。对於您的客户提出产品外壳的外部需有金属表现,内部 又有复杂结构,并且产品重量要轻的需求时,奈米成 型技术是目前最好的解决之道,用以取代塑胶嵌入金属射出、锌铝及镁铝压铸件。透过奈米成型技术,可 以提供一个具有价格竞争、高性能、轻量化的金塑整 合性产品。在整个技术中最特別莫过於奈米处理剂 (如T、C、F、U、……等,日本的大成化成公司是最早的,随后在2010年后中国厂商也发明了数种类似的方法),对金属成品表面进行微小蚀刻孔洞,并保 留剂量在注射工程塑胶同时反应,进而达到物理性的 锚栓结构,使工程塑胶和金属密著接合在一起。从图 5中,我们可以看到金属经过T处理剂浸泡而使药剂微小蚀刻金属所有表面,再将金属件放入模内注射特 定工程塑料成为结构。而图6中所呈现的则为工程塑 料与金属件经NMT注射的黏著机理。

    图 5:奈米成型技术是利用工程塑料,经由注塑机完成必要的结构并黏附于金属件上

    图 6:工程塑料与金属件经 NMT 注射的黏着机理

    液态硅胶成型(Liquid Silicon Rubber Molding)

    液态硅胶成型的应用很早,不过早期的方式都是用灌 注模具的方式,一直到近年先进国家突破了液态硅胶 组份的超高流动性,以及进入模穴后的加热固化周期 上的突破,遂逐渐的被3C产品所重视,并应用在三防(即防尘、防水、防震),这都是因为硅橡胶的密 封和弹性使然。过去那些单纯的P+R和M+R(这里 的P指的是泛用塑胶和工程塑胶;R代表硅橡胶;M 则代表金属成型件)已经满足不了先进的智慧手机, 是以MIM+R(即以金属粉末射出成型零件结合硅橡 胶)开始被运用在高阶的智慧手机上了。

    模具技术永远在进步

    以上所有的泛射出成型都有一个共同点,那就是都需要一个强而有力的模具。这个模具必须具备良好的进 胶系统、优秀的温度控制、良好的密封性,且又能适 当的排气;近年来更是加入随形冷却、急冷急热、变 模温以及更先进的控制系统,这些都是永远在进步的 模具加工技术。随着模具加工成本不断在降低,很 多人以为少量射出成型将被3D列印取代,但这其实 是多虑了,別忘记射出成型对材料施加的压力高达 50Mpa(50Mpa = 500X 0.1 Mpa=500倍大气压), 产品获得的密度是绝对高于3D列印的,3D列印的材 料密度都低于95%(FDM法)。

    根据CMM杂志历年的文章和属性,相信各位读者最 关心的就是有没有更新的技术,Dr.Q要告诉大家, 其实集成的技术才是最有未来性的。在过去,连接器 产业上最容易感受到射出成型与金属端子冲压件的整 合加工;当5G时代来临后,将会有更多电子元器件 的需求,如果射出成型能够对这些元件的产出有所帮助,除了可以增加射出技术的扩展机会,也能帮助射 出成型业者对5G时代做出贡献,大家一起来加油投 入更多的研发,再创射出成型产业的高峰!■

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