MIM技术的竞争制程Part1

■邱耀弘Dr.Q (Yau Hung, Chiou)/ 赵育德硕士James (Yu Der, Chao)

序言

在1970年的那个时代,MIM算是隔空问世的新技术, 然而能否真正普及化并被普遍使用,仍须要经过市场的 洗礼和考验。众所周知,MIM技术不但没有被其他技术 击倒,随着时间迁移来到2019年,MIM已经站稳并盘 据3C产品的金属小零件市场,我们一起来回顾并看看 MIM有哪些强劲的对手制程,但因篇幅有限,笔者将本 篇内容分三期介绍,这期将着重在探讨MIM技术与液 态金属技术的发展与比较。

MIM的竞争

2018年於中国境内首次举办的世界粉末冶金大会,当时 国际知名的粉末射出成型期刊 (PIM International) 针对 其内容发表的文章如图1所示,使用产品年产量需求来 做为技术评价的客观标準,其中水平轴是以形状复杂度 (简单、中等、复杂)来表示,垂直轴则是将年需求量 以10件的级数为区隔,很明显的MIM技术占据著两个 轴向的大数区域,从几个世代的金属加工技术来看,虽 然最大的威胁来自於3D打印技术,不过在复杂形状的 零件之量产能力上仍旧是其他制程难以匹敌。

因此,我们整理出图2的雷达图表作为MIM与竞争制 程的综合比较,分数高的较具优势,但其中综合成本、 表面粗糙度与尺寸精度三项,则是分数越高,代表其数值越低(低成本、较小的表面粗糙度与较小的尺寸精度)。我们可以发现MIM的不擅长项目──长度与尺寸较长、重量较大,以及低密度(某些机构产品必须具多孔性或封闭型的中空结构)的产品。

MIM在金属制程的几项评价都是优异的,在我们评 价的10个项目中有6个是满分级別,这也是近十年 MIM技术应用呈上扬趋势的原因,金属难以加工的特性在MIM进化的人、料、机、法逐渐变得容易完成, 相比半个世纪前的70年代,MIM的出现无疑为人类 的进步贡献不少。

图 1:金属注射成型 (MIM) 其他相互竞争制程的制造能力比较表,显而易见的是以年产量需求来做为标准,这是非常的客观作法

图 2:竞争制程与 MIM 的综合比较图(分数高的较具优势,其中综合成本、表面粗糙度与尺寸精度,则是分数越高代表数值越低

一、 一体化的要求

上述的竞争制程,目的都在于如何快速有效的获得一 体化(Uni-body)零件,为何一体化零件如此重要?零 件一体化设计并非美国苹果公司首先提出的概念,早 在之前的航太工业就已提出这样的专业名词,但其实 人类在开始学习使用工具的老祖宗年代,就已经深切了解了一体化零件带来的好处,Dr.Q将一体化的好处 归纳说明如下:
• 一体化零件的结构强度与尺寸準确度,让机构零件能够精準,透过科学化的数据收集与验证,作 为数据分析的基础;能够以此制定标準,有了标準才能够广为流传与推行,使人类的智慧可以被分享并长远流传下去。
• 一体化的零件减少组装失败的风险,易于管理零 件并有效减少管理上的浪费。
• 在洁净度和生物医疗要求下,一体化零件无缝并 避免了意外的滋生与风险。

人类文明上的一体化概念在雕刻工艺展现无遗,随后进步到工具,然而真正能够大量生产造福人群是在二 次大战后。战争的残酷使人们反思,工业革命应是为 了造福人类,而非用于这些可能招致人类灭亡的杀 戮,MIM和其他金属模造制程都是在这样的新思维下 开始进步而发展的。

二、 数值化的必然

另外一个必然是数值化,Dr.Q在20岁前对机械制图 是很拿手的,当时参加比赛无往不利,但是有次在画 错图纸改图的过程中,我意识到这种人工修正的行 为是多么痛苦且容易出错,而当时我的电脑才只有 80386的运算速度,於是在父亲的支持下买下一颗价值不斐的80387浮点运算器加装於家中的个人电脑, 以学习当时R9版的AutoCaD绘图软体。如今,平面 构件图纸的概念已经由电脑3D建模取代,并能简单 的以按键或是鼠标输出,再多错误也能轻易回溯并修 改,数值化的电脑科学帮助人类更容易的生活,不例 外的,数值化也帮助了机械加工和金属加工技术的演 进,使其更加快速并能够以预测、仿真来提前获得结 果,再辅以实际执行后的协助并累计经验数值,这是 大家应该要认真学习的方法。

MIM的竞争制程分析

图 2 所 述 的 制 程, 包 含: 液 态 金 属 (Liquid Metal Technology, LQMT)、 增 材 制 造 (Additive Manufacturing, AM)、 精 密 铸 造 (Investment Casting)、 锻 造 (Forging)、 传 统 粉 末 压 制 (Press Molding)皆为MIM之竞争制程,首先将就液态金属 (LQMT)进行详细的说明与分析。

液态金属技术

液态金属技术(以下简称LQMT)这个革命性发明可以追溯到超过五十年前(甚至比MIM更早10年, 1960年发表的金与硅之液态合金是最早的文献纪 录),在那个时候非晶形合金只能使用金属熔汤泼溅 法制作成薄如丝带的方法来实现,唯有如此才可以得 到足够的冷却速率,以避免金属从液体变为固体形成 结晶结构,然而此时对于成分的研究尚未全面,就像 超导体(Superconductor)朝更接近室温不断的发展一 般,LQMT需要朝更厚的原材料前进。到了20世纪 的90年代早期,在美国国家航空暨太空总署(National Aeronautics and Space Administration, NASA) 全 力支持之下,加州理工学院制作的Vitreloy(第一 代LQMT的名称),成为第一块固体状且厚度大于 1mm的液态金属(Big Metal Glass, BMG,大块金属 玻璃)。第一个人造非晶形合金的问世,在当时冷却 速度只有每秒几十度的情况下,是个非常重大的突破 (在当时没有液态氮冷却技术的情况下,已属难能可贵),现今的技术与材料组合已经提供大幅度改善, 从图3中我们可以发现液态金属厚度增加与成分改变 有关。

图 3:不断地发现新组份使得液态金属的尺寸可以越作越大

1.LQMT的详细理解

读者所接受的名词为液态金属事实上不太合逻辑,水 银(汞)在常压常温才是真正的液态金属,然而商业手法的广告视频和专利名词通常很快深植人心,并且 形成不易消除的错误观念,到底甚么是液态金属,真 的有如视频中那样神奇?Dr.Q将以图4的示意图为 各位进行更详细的解说。在材料科学界,「液态金属」 是用来指称常温下以过冷固体 (Super Cooling Solid) 型态存在的金属,就像如玻璃材料的显微结构,原 子是无序的排列有如液体一般,所以又称之为玻璃态 金属 (Glass Metal or Metal Glass),也因为没有次序 的显微结构,又称为非结晶金属或合金(Amorphous Metal and Alloy, AM or AA)。 注:「过冷」是物理学专有名词,通常指液体形成固 体时,由于冷却速度过快,导致来不及结晶就形成固 体,这个过程就是过冷。

众所周知的(此指学过材料科学的群众),当材料形 成没有结晶的显微结构时,他所表现的物理和化学性 质就与结晶材料有很大的不同(同素异形体的一种), LQMT目前是采用以铝材料为基底,再加入5~6种不 同金属粉末,形成复杂的共晶反应以迅速降低熔点(约 低于1200℃),借由低流动性快速地打入模穴中冷却 固化,得到的金属零件仍需经过少量的加工,才能使 其符合最终的产品设计规格,不同于完全不需要再进 行加工与整形的净形加工。

图 4:想象液态金属如玻璃般,玻璃是我们熟悉的过冷固体材,在常温状态仍保留其高温液态的无序原子排列,只要冷却速度够快,金属也能发生无序排列的现象

2.LQMT与MIM的详细比较

目前 LQMT 已经可以顺利的采用压铸 (Die Casting) 成型技术,把每一模次的压铸量所需的LQMT事先制 造成定量大小的锭,每次送锭进入一个真空熔化腔体 (950~1300℃,根据液态金属成分而定),使原料 锭加温到共晶熔化后以压力注射到金属模具中(约在 850~880℃)固化成型,脱模后注射坯需要以高压水 刀下料后进行少量的数值切削以保证正确的形状与尺 寸。图5为LQMT最新的设备,尽管已经50年过去, LQMT与MIM两个制程仍旧是处於竞争阶段,从表 1中可以更详细的看到两种制程上的差异。

图 5: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;LQMT 的定量注射要熔掉的一整个材料锭形状

表 1:MIM 与 LQMT 的制造细节之详细比较

顺便一提,在专利布局的战争下,从早期美国、新加 玻、韩国、中国的四国之争,一直到2017年美国把 LQMT专利完全售出给中国的宜安科技,也正式宣告 LQMT交由中国制造与协助推广。任何的高端技术竞争最终必须要走出实验室面对市 场,两个年纪相仿的技术战争已经很明显地分出胜 负,小件品是以MIM取得绝对领先,LQMT则适 合大尺寸与无磁性要求,我们很期待LQMT技术与 MIM技术的互补,甚至更新的液态金属成分制作成粉 末,将可以采用MIM制程进行成型。■

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