星期四, 5月 19

    MIM的发展与产品应用(一) Products development and Application of MIM

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    ■ ACMT/ 邱耀弘

    前言

    黑手博士:邱耀弘Dr. Q (Yau Hung, Chiou) 黑手硕士:赵育德(James Cho) 耀德讲堂2019专刊报导
    唐朝黄蘗禅师的《上堂开示颂》诗中的一句,原句是: 「尘劳回脱事非常,紧把绳头做一场;不经一番寒彻骨, 那得梅花扑鼻香。 」,Dr. Q用这句来形容大中华的粉 末产业发展,尤其是金属粉末注射成形(MIM)产业,是 什么样的因缘际会让MIM得以在大中华地区如此蓬勃 发展呢?人物、产品的机会、制造业的时代潮流成就了 MIM产品的应用,是Dr. Q认为的四大关键。

    1.1人物

    可以用宋代名将岳飞的「满江红」中的两句作为MIM 产业的代表:『三十功名尘与土;八千里路云和月』, 这两句词道尽了两岸三地从事PIM产业人士的辛酸、 历程,以及坚毅和执著。以下,Dr. Q为大家介绍四位 MIM产业的大师级人物,他们带动MIM在大中华地区 发展贡献卓越,在粉末冶金包含MIM产业中,原任教 於美国任色列理工(RPI)的粉末冶金大师RM German 教授是众所周知的知名人物,而MIM能在大中华地区 的萌芽开始,最早是由甫於台湾大学退休的黄坤祥教授 在1985年自的粉末冶金实验室(Prof. RM German- PM LAB. )引入亚洲。 MIM技术带回到台湾后,黄教授与同门师弟林舜天教授(Dr. Q的硕、博士班指导教授) 推广此产业至今有30年余;同在1985年,黄坤祥教 授应当时於湖南中南大学已退休的黄伯云院士(曾是 该校教授与校长)到大陆演讲,也开始了MIM技术在 大中华的生根与散发;而任教于清华大学化工系的张荣语教授领导学生进行模流分析,也在1990年代开 始了与MIM产业结缘的结缘。

    Dr. Q有幸於1991~1996年在校学习过程,跨校同时 接授两位黄、林二位教授的课程指导和洗礼、认可(Dr. Q博士学位口试官包含二位教授的簽认) ,在毕业后 二十几年,一起在大中华业界推广PIM技术。如图1.1 所示,是四位影响大中华区的四位关键人物的介绍。

    图 1.1 :由左至右 (1). Randall M. German 教授;(2). 黄坤祥教授;(3). 林舜天教授;(4). 张荣语教授

    1.1.1 Randall M. German教授 – 全球MIM 学术与产业的领头者

    在2017年於美国圣地牙哥大学退休,他退休前的 2016、2017两年特別应邀前来上海粉末冶金年会参 与、授课并演讲,一点也不像是70多岁即将退休的 模样;German教授也是受聘於英国粉末注射成形刊 物 (PIM International) 的国际顾问编辑者。他已撰写 了超过 800 多篇研究报告和论文、著作 14 部、和 22 项专利[3],参加了许多一些商业企划包含中国的数家 公司。 German教授算是Dr. Q的师公(他是林舜天 教授的指导教授),有幸在2017年在上海与大师会面, 完成四代同堂(German教授、林舜天教授、我本人 与我的学生赵育德)的历史佳话。

    1.1.2 黄坤祥教授 (K.S. Hung)- 亚洲 MIM 的领头者

    1985年,黄坤祥教授自German教授实验室毕业后, 在美国工作两年后回到台湾,成为亚洲地区MIM产 业的开启之关键人物[4],本著对粉末冶金和金属注射 成形的专长,数本著作是两岸学界与业界的教科书, 也是华人自行写作最有独创的精典大作,尤其是”粉 末冶金原理” [5]这本书即将在2018年末出版简体版, 更是两岸的喜事。

    他前后辅导数家工厂,曾获黄伯云院士在中南大 学(1985年)邀请演讲,打开大中华MIM产业之 窗(同年,山东金珠也引入MIM技术开始大陆地区 的商业化营运);另本”金属粉末注射成形”则是 2014~2018 年两岸业者的畅销教科书 [6],Dr. Q 在这 数年至少代买了超过300本到大陆来,是目前业界重要的参考书籍,也是触发Dr. Q撰写本手册的起点。

    1.1.3林舜天教授(Paul, S.T. Lin) – 台湾粉末 材料界改革先锋

    与黄坤祥教授同为German教授的弟子,林教授於 1991年回到台湾科技大学任教,Dr. Q即为教授的首 位博士班毕业的学生。林教授的专长又更加广泛,因 为具有台湾大学化学工程系毕业的背景,他熟悉於各 种材料物理与化学性能分析,超越粉末冶金与粉末注 射成形 (PIM=MIM+CIM) 的范畴。在 German 教授实验室的年代就经常与美国国家实验室、产业合作,也 造就了产业孵化的本领,尤其是以破坏式与基本功的 混合式的创新思维,在台湾的学术界和企业界有很高的成就。 Dr. Q的本领便是拜林教授所传授的功力, 在校期间至少参与时向国科会计画以及工厂辅导,毕 业至今26年余也辅导超过30家企业,功力来源变是 林舜天教授的真传。

    1.1.4 张荣语教授 (R.Y. Chang) – 化工背景 的模具分析大师

    来自台湾清华大学化工系张荣语教授,并非机械系专 长却因长期投入塑胶流动行为研究,进而帮助塑胶产 业对模具设计及优化的解决,具有独到的技术辅助方 法,他开发的Moldex3D模流分析软体,已经被乐高 (LEGO)、巴斯夫(BASF)、鸿海(Foxcon)、华硕(ASUS)等上千多家国际知名厂商使用的知名软体,在1990 年初遭遇到MIM这个”假塑料、真难射”的问题野兽, 所领军的团队花了约10年的工夫将这头野兽乖乖的 驯服,博得「科技化黑手师傅」美名。

    2013年,张教授领导的科盛团队终于和Dr. Q在MIM 难题解决上走到同路,也开启了Dr. Q对本书写作意 愿的大门。掌握塑胶模具的生产优化经验,张教授於 2018年出版了中文与英文板模拟分析一书[7, 8],也 让MIM产业得以跟随塑料技术演进而突破,张荣语 教授跨业创新的成就非凡,非后辈晚生可比。当然, 还有超过上百位的人物对MIM产业有卓越的贡献, 我们会在后面的文章逐渐提到,也请读者能够慢慢理 解MIM产业在大中华的发展史。

    1.2产品的机会

    如图1.2所示,最早自1950年代的陶瓷粉末注射成形 技术开始生产汽车用火花塞(Spark plug)绝缘套为代 表、1970年代的金属粉末注射成形技术的火箭喷嘴为 代表 (ParmaTech,美国加州 )[ 9],直到今天,这些 产品都还是在使用的标準用品。

    图 1.2:传统 PIM 技术的两大代表产品,左:CIM 制作火花塞的绝缘套;右:MIM 制作的火箭喷嘴。( 该图为 Parmatech 1973 年产品,该公司已经被 ATW 公司所并购。 网页上所提供https://atwcompanies.com/parmatech/about-parmatech/)

    形貌功能 (Shape and appearance functions) 的必要 性,这是MIM技术得以在近代金属加工被重视的关 键。为何Dr. Q使用”形貌”这一个词?好的,众所 周知的金属加工方法在2003年於日本大阪举行的金属加工会议上被定义如图1.3所示。 [10]

    图 1.3 :于 2003 年日本大阪召开的金属加工会议所归纳的金属成形制程的世代,分类的方式为五代区分,第六代与前面

    部分的补充 ( 金属 3D 打印 ) 则是由 Dr. Q 补充

    观察六代的金属加工成形技术,我们可以发现,金属 件的加工效率是非常重要的,但是如果没有精準的尺 寸、正确的几何特征和表面粗糙度,金属零件就不是 一件成功的制品,形状与面貌便是以上条件包含加工 效率与经济性的综合特性,也是在文献[1]麦肯锡的 报告中提到,MIM是目前所有金属加工世代中能够具 有代表的典型加工技术之一。

    图 1.4 精密的笔记本电脑与桌上型电脑用的散热风扇,采用不锈钢 17-4PH 粉末注射成形,产品最薄的肉厚仅有0.18mm [11]

    请见图1.4[11],以金属注射成形技术才有可能制作的金属风扇,最薄的位置是扇叶仅有0.18mm的厚度, 采用不锈钢17-4PH粉末,这就是MIM技术强大的魅力所在,这款金属产品用来取代原先的工程塑胶制 品,用于现代的薄型笔记本电脑与桌上型电脑、伺服器上,改用金属的理由在于现代的电脑中央处理器工作启动后温度甚高,导致传统工程塑胶扭曲变形,产生噪音、散热不佳的现象,利用金属注射成形能够实现原来设计的薄叶风扇形状,还具有良好的热刚性使噪信降低,是MIM典型的形貌特性发挥的代表作品。

     

    图 1.4 -2:智能手机升降镜头的的微型减速齿轮箱机构件,是以 MIM 技术取代传统塑胶注射产品的强度,也到达了粉 末成形技术的极限尺寸 – 最薄肉厚小于 0.1mm

    MIM已经挑战了冲压板金成形的极限,那有没有可能 挑战更薄更小的产品?比现有最薄更小一半?这个答案其实已经不用Dr.Q来预测,而是由基本的MIM粉 末配比便可以了解,采用最低金属体积配比最低可使 用金属:粘结剂 =50:50,换算出尺寸缩比 (Oversize Shrinkage Factor, OSF) 便可以知道,如图 1.4 所示在 2018年下半年开始流行的智能手机升降镜头的微型减 速齿轮箱机构件,最薄的肉厚仅有0.08mm,应该是 已经到了MIM产品的极限肉厚。■

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