星期一, 5月 16

    MIM的发展与产品应用(三) Products development and Application of MIM

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    ■ACMT/ 邱耀弘

    (第二篇)为九月刊页码:P56-59
    接续1.4.1明星产品的纪录
    先来定义一下什么是明星产品?

    (1)有单日数量至少突破5万件
    (2)连续有一年以上订单持续
    (3)至少三家以上大型MIM厂联合供料或是供应给相同 的客户。

    ●智慧手机的支架
    ✓台湾MIM厂代表:新日兴、台耀、晟铭电
    ✓大陆MIM厂代表:上海富驰
    ✓年代:2010~2012停产
    ✓代表材质:Fe-2Ni
    ✓后加工工艺:CNC车床钻孔、矫直、拋光、拉丝、 PVD调色、上UV保护漆
    HTC在当时的气势颇佳,加上智慧手机刚上市具有影片 播放功能,因此在大陆市场的智慧手机都带有支架,方 便播放影片供一群人一起观赏,所以仅一家HTC当时就 有不少于十款的支架,其他的手机厂也跟进,其中以图 1.8的HD-7作为典型代表,这个支架必须在中间让照相 机镜头穿过,强度又能够维持的够好,推出大获好评。 但在消费者的应用习惯上竟然将支架当作螺丝起子,因 此经常发生支架断裂整机报修的事件,也导致智慧手机逐渐在机身上减少额外机构零件,以避免手机的机构 零件故障或遗失,包含改用固定电池不做交换、不使 用电池后盖、取消拉伸式的天线、支架改於配件套上、 不再使用触控笔,以及未来甚至取消Home Key和 SIM卡。

    图 1.8:曾经独领风骚的智慧手机支架,随着消费者使用的故障率高,逐渐在智慧手机简化设计的风潮一起后,这些额 外的机构件就消失无踪

    ●光纤基座不锈钢支架
    ✓台湾MIM厂代表:光弘、多元、日文
    ✓大陆MIM厂代表:深圳宝田精工、重庆通胜、丹 阳裕桥、焦作强信、东莞昶坤
    ✓主力CIM厂代表:潮州三环
    ✓年代:2011~迄今
    ✓代表材质:SUS-304L, SUS-316L
    ✓后加工工艺: 磁力研磨、CNC车床或仪表车床当MIM产品被3C的智慧手机和笔记本电脑冲昏头之 际,在光通讯装置的方面却开发出光纤连接器这款项 目,借着不锈钢坚固和刚性的外壳体,并且可以在内 部装置反射镜使光纤信号可以90度转接,这在PIM 界也刮起一阵不小的旋风,制造此基座和陶瓷管的公司不在少数,至今也维持一定的数量,可为典型PIM 的长单代表作,PIM业者最需要的便是开发这样类行 的产品。如图1.9所示(图形来源 www.dzsc.com)

    图 1.9:各种以 MIM 制造的光纤基座款式,这是典型长单,不会因为手机某个机种停产而消失的零件,属于真正以MIM 制造的零件,在没有 MIM 制造这产品时,以 CNC 加工的方式产量很低

    图1.9各种以MIM制造的光纤基座款式,这是典型长单,不会因为手机某个机种停产而消失的零件,属于 真正以MIM制造的零件,在没有MIM制造这产品时, 以CNC加工的方式产量很低

    ●微软平板机构配件
    ✓台湾MIM厂代表: 晟铭电
    ✓大陆MIM厂代表: 杭州安费诺、常州精研、上海 富驰
    ✓年代:2012~迄今 ✓代表材质: SUS-17-4PH,SUS-316L
    ✓后加工工艺: 磁力研磨、平面研磨、整形与攻牙
    微软平板Surface是微软硬件罕见开发成功且具有量化需求的系统装置,主要还是搭配微软作業系统让这 系列产品能够和笔记本电脑、桌机一样,可以用来执 行办公室的工作以及复杂的游戏平台,甚至绘图作 业。就MIM零件,微软平板的开合式支架所用的特 殊转轴机构用到4大件组合设计,挑战比下了苹果电 脑设计仅采单件MIM零件,也打响了MIM件可以制 作组合件机构的名号,当然,在电源上的接头,微软也毫不客气的采用磁性接头,拋光的亮度并向苹果挑 战,请见图1.10。

    图 1.10:在微软平板 Surface 所看的到支 MIM 零件,用量和设计都是充分利用 MIM 的特性

    ●雷霆接头 – 苹果专用USB接口 (苹果最具代表产品)
    ✓台湾MIM厂代表: 晟铭电
    ✓大陆MIM厂代表: 佛山富士康、番禹昶联、新加 坡道义
    ✓年代: 2013~迄今 ✓代表材质: SUS-17-4PH
    ✓后加工工艺: 整形、CNC切削、电镀、嵌入塑胶 注射虽然没有突破美国公司以MIM制作打猎用散弹枪弹 丸总数[13],但是雷霆接头的确是MIM零件有纪录以 来,单日出货量超过600万个和持续六周以上的纪录 之精密零件。即便到现在,不包含山寨品的MIM零 件,雷霆接头仍旧有每日百万个出货的恐怖数量,代 表两件事:
    (1)大家还是爱用苹果,不分人种和年纪。
    (2)电子装置一定会坏的,再怎样爱惜都会坏,所以多 买几个备用,或是直接买新的。有了这样的观念,金钱流通让经济变好,也增加就业机会,当然也增加MIM产品的使用量。图1.11所示,正厂的雷霆接头在 MIM厂制作后,必须交到苹果指定的二加工厂进行 CNC侧壁铣平削薄,然后再经过电镀冲击镍以保证品 质,相当繁琐的制程!

    图 1.11 :苹果装置的雷霆接头,基于 USB 传输基础改装的一个方便使用的设计,不论哪一面插入都可以使用,对于一位苹果手机用户是至少需要三条传输线 ( 随身、家中、办公室 ) 的配件

    ● SIM卡托、镜头装饰圈与按键(电源开关、音量大 小)
    ✓台湾MIM厂代表: 新日兴、晟铭电
    ✓大陆MIM厂代表: 深圳鑫迪、欧达可、富优驰, 东莞劲胜、环巨、常州精研、上海富驰 ✓年代: 2014~2015迄今 ✓代表材质: SUS-17-4PH,SUS-316L ✓后加工工艺: 磁力研磨、整形、喷砂、高光切削、 PVD、抗指纹油、绝缘漆、雷雕。

    图 1.12:中国智慧手机所使用的 MIM 零件三兄弟,包含卡托 ( 单卡、双卡、镜头装饰圈等各种按键 ( 电源键、音量键),需求量足以养活一半以上的中国 MIM 工厂

    如图1.12所示,这是中国智慧手机MIM零件三兄弟, 是以SIM卡托最具代表特性,所有困难的二次加工和 MIM的挑战都在此一零件看的到,极薄的特征,很 长的尺寸以及各种复杂的装饰,由于没有办法采用如 苹果SIM卡采用CNC加工的方式,中国产的手机采 用HTC的设计概念确改变材料以较硬并带有导磁性 的17-4PH取代了316L,带动整个业界应用设计,由 单卡到现在的双卡,让整个中国的60%MIM厂都依赖这一个产品系列为生,加上镜头装饰圈与不会掉色 的金属按键,金属系列机壳的智慧手机,确实在2014 年把龙头苹果和三星吓出了满身冷汗,中国制的智慧 手机从此跃升上国际舞台,令人惊艳的高品质和适当 的价位,自然缺少不了MIM零件的贡献。

    ●多镜头装饰圈与保护支架
    ✓智能手机品牌:APPLE, VIVO, OPPO, 华为, 小米
    ✓MIM代工厂: 台湾台耀、深圳鑫迪、东莞华研、环巨、常州精研、上海富驰
    ✓年代: 2017~迄今
    ✓代表材质:SUS-316L, Panacea,ASTM F75
    ✓后加工工艺: 磁力研磨、整形、喷砂、高光切削、 PVD、抗指纹油、绝缘漆、雷雕

    进入2017年下半年,当MIM卡托逐渐走入历史之际, 多镜头装饰圈与保护支架的需求又兴起,带头者正是 我们熟知的APPLE的iphone系列,这家地表上最敢 冒险的公司在带来一项创新,毫无例外的,现代化手 机最重要的功能除了通话之外,随时随地拍照并展示 给亲友,相信是目前最多人使用的,分享人生并且纪 录生活的喜、怒、哀、乐;因此,一般人的拍照技术 不比专业照相师,但聪明的手机工程师知道如果把手机照相的功能逐渐往专业相机靠拢,再加上应用程式 (APP)的协助,这两个要素的结合:聪明拍照+修改照片,立刻成为智能手机的重要功能,也成为制造厂 商兵家必争之地,多功能镜头的出现,也就不令人意 外了。

    那么如何实现智慧手机具有专业的相片?多镜头加上 多传感器与多光源补强,便实现了这样的〝模拟”需 求,利用不同的几个相机镜头处理不同的影像需求, 最后结合影像处理软体,不但能够缩减专业相机体积 笨重的缺点,智慧手机的软体让每个手机持有者可以 拍摄满意的照片,实在是科技造福人群的最佳案例。 因此,必须要有足够坚固的支架保持每个镜头、传感 器与灯光源的相对位置如图1.13,其要求如下:

    ✓保护支架必须有高亮度外观,搭配智能手机必须维 持科技感
    ✓高强度与硬度,抵抗外力防止变形,例如手机被放置裤子后口袋的弯折、掉落地面的冲击
    ✓使用的金属没有残留磁性,以防止变焦线圈作用后 有残磁影响,智慧手机讯号传输或是影像品质
    ✓接触人体时不能造成过敏源,出口欧盟必须符合无 镍要求
    ✓不生锈,需要通过盐雾48小时甚至更长时间要求
    ✓每日交货可短期爬升一日50万件

    图 1.13:多镜头、传感器与光源的智能手机设计 ( 图片取自网路,保护支架不全部是采用 MIM 的设计 )

    Dr. Q想不出有哪一种制程可以同时满足以上如此严 苛要求,相信读者也认同只有MIM才办的到,归纳 了客户设计我们提供了三种材料如表格1.1所示,其 中的 PANACEA 和 ASTM F75 都是在近几年才被发 掘出来的新材料,发掘者也正是因美国苹果公司的 要求而找到这两支较少用于MIM产业,但是材料却 已经存在至少超过20年以上(专利期限都已经超过) [14,15]。 表1.1使用于多镜头模块的MIM保护支架的材料选择

    表 1.1*ASTM F75 在 2017 由台湾的台耀科黄坤祥教授所提出,利用钴铬钼合金的特性来做为新材料用于 MIM 产品

    1.4.2 MIM产品的展望
    在Dr. Q完成这本书大概就已经是进入了2019年底 了,实际撰写是在2018年下半年秋天开始,所以这 里写的是未来事件簿的纪录,希望读者能够见谅当预 测失準。以下是Dr. Q对MIM产品展望的预测:

    ●3C产品对于MIM微型齿轮的需求逐渐上升,MIM 凹凸轮摩擦件在动作后因磨耗常常容易发生噪音、塑 胶齿轮的强度不足,机构工程师发现齿轮组合机构的 噪音小、磨耗少,对于经常开合的慢转速机构逐渐改 用金属齿轮,这是MIM的新机会;2018年已经有滑 盖智能手机(OPPO)率先采用齿轮组合设计,笔记本 电脑则早在2017年底逐渐有出现使齿轮设计。

    ● MIM微型齿轮在小直径(D>10mm)与小模数 (M<0.5mm),MIM制程技术有可能改写小模数齿轮 原来由工程塑胶一枝独秀的局面,因为MIM的精度 和材质特性都优于工程塑胶,但是生产技术上齿轮模 具的制造商将扮演重大角色。
    ●智慧锁具逐渐由传统粉末冶金、锌合金压铸、精 密铸造等制造方式,改变使用MIM的制程在于免 电镀的不锈钢材质应用,预计在锁具上MIM的不 锈钢 304L、440C、420J2 和大众情人 17-4PH( SUS 630),会在2019年占据更多锁具的市场。
    ● MIM零件进入汽车应用仍旧是头痛的领域,主要 在于目前大中华地区MIM厂家集中於3C产品的应用,对于汽车产业要求的机械性能、烧结件的晶粒尺 寸和耐热疲劳,仍旧无法超过锻造件;其他仍被印度 长期占有现有市场,主要在于英语系的罩门,大中华 地区的全球汽车MIM零件合格直接供应商为零家。

    ● MIM医疗器件可望增加,但能够符合美国FDA标 準的厂商仍旧在大陆地区没有一家,与汽车零件相同 的处理;但没有经过FDA标準的医疗器械市场会逐渐 上扬,不过并不是安全的作法,国际上买不起美国制 器械转的国家向大陆与台湾购买,但是必须担心失效 的严重医疗纠纷。

    ● MIM 粉末将会投入粉体床 (Powder Bed) 技术的 3D列印制程,有可能成为二步式制程(第一步3D粉 体床打印生坯、第二部以MIM的脱脂和烧结协助3D 打印生坯固化并成型),可以使金属与陶瓷3D打印佔 据更多的少量多样的产品与零件市场的份额。

    参考文献
    [3]. R.M. German, “MIM 17-4 PH Stainless Steel:Processing, Properties and best Practice”, Powder Injection Molding International, Vol.12 No.2, June 2018, page 49~76. [4]. 陈良榕,王建栋, “博士黑手 打造梦幻iPhone 6”, 天下杂志第560期, 2014-11-11出版 [5].黄坤祥,”粉末冶金学”, 中华民国粉体及粉末冶金协会出版,ISBN: 978-9-5797-7318-8, 2001第一版, 2003第二版,2008再版, [6]. 黄坤祥,” 金属粉末注射成型 (MIM)”,中华民国粉体及粉末冶金协会出版,ISBN: 978-9-5797-7317-1, 2013年第一版。 [7]. Maw Ling, Wang; Rong Yeu, Chang; Chia Hsiang, Hsu; “Molding Simulation Theory and Practice”, HANSER, ISBN: 978-1-56990-619-4, 2018 [8]. 王茂龄、张荣语、许嘉翔 模流分析理论与实务,Moldex 3D 科盛科技,ISBN: 978-9-5711-9739-5, 2018 [9]. Photo from Parmatech Inc, and MPIF, ”Metal Injection Molding in the aerospace industry”, 1979. [10]. 邱耀弘修改,资料来源自http://www.jpma.gr.jp/technology/mim/ [11]. Photo from Shindy tech, Powder Injection Molding International, Vol.12 No.2, June 2018, Cover page. [12]. F. Petzoldt, ”New Developments and Trends in Metal Injection Molding”, Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM (Germany), Japan, 2012.6. [13]. R.M. German, ”Powders, Binders and Feedstocks for Powder Injection Molding”, Powder Injection Molding International, Vol.1 No.1, March 2007, page 34~39. [14]. Marcel Sonderegger, Bruno Spruengli,“Optimised Sintering and Heat Treatment of the Nickel-free High-Nitrogen MIM-Steel X15CrMnMoN17-11-3”, European Powder Metallurgy Association, Powder metallurgy congress & exhibition, Euro PM2006, Page 31-36. [15]. Material introduction of Arcam EBM system, “ASTM F75 CoCr Alloy”, www.arcam.com, Swden. ■

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