粉末射出成形設計：節省時間、降低成本和提高品質的10項規則（上篇）
前言
為新的製造過程開發組件可能是一個艱鉅的前景。任何企業本性都會謹慎改變並儘量降低風險；然而，任何 成功的企業也必須適時地認出那不可忽視的好機會。 在過去十年中，正是後者推動了全球 MIM 行業如此顯著的增長。對於剛剛發現這項技術的人來說，Mr. Matt Bulger揭示了MIM成功的十大關鍵規則，正如同他近 三十年來作為MIM組件的開發商和製造商所觀察到的那樣。
在金屬注射成形行業的早期，在20世紀80年代，給 出了潛在MIM零件的原始圖紙和規格是考慮到另一 種技術，通常是加工或鑄造。早期的MIM生產商渴 望有一部分專門為MIM工藝設計：這將為客戶提供 更有效的部分，生產和開發將遵循更直接的路徑，而 所有相關方的經濟、質量和效率都會提高。
今日，隨著MIM市場接受度和知名度的提高，有許 多機警的設計師可以在設計過程的早期階段識別出可 採用MIM的候選零件。這為MIM生產商提供了一個 絕佳的機會來分享普遍設計的建議，從而為生產成功 的組件提供了最佳機會。以下是10個組件設計和規範 的一些基本注意事項，應當會對所有各方都有利。這 些因素會直接影響零件的可製造性，從而影響成本、 質量、交貨期等。
以下幾點並非旨在成為全方面的設計指南；它們是典 型MIM技術的一般觀察結果，結果幾乎無疑會因操 作而異。這些是高級別的觀察，可能已經被理解但也 很容易被忽視。
規則1：確保所需的材料和工藝適合MIM
今天，MIM中有許多具有已知屬性的材料，因此，如果可能的話，選擇具有良好產業背書和具文件紀錄的 材料(Dr. Q 這就是為何要使用BASF餵料作為主要指 定料的原因，這個趨勢會隨技術門檻的突破有更多供 應商的選擇)。在所有準則中，這一種方法是在當看 似不相關的設計要求產生衝突時可能變得非常棘手。
例如，零件設計可以指定熱處理的低合金鋼，以因應 所需要的強度和硬度。然後指定該材料進行鐵素體氮 碳共滲，有時稱為Melonite，以及其他商用名稱。鐵 素體氮碳共滲經常被指定，因為它具有極佳的黑色表 面光潔度並伴隨著極佳的耐磨性。然而，該過程的溫 度通常在500℃下持續25分鐘或更長時間，並且溫 度和時間的這種組合將使任何已經熱處理的低合金鋼 發生退火現象。但一開始是經過熱處理已經具有良好 性質的鋼材，通常是不再經過熱處理以免性質發生改 變。正如那句老話：「魚與熊掌不可兼得！」，MIM 材料與技術的設計，必須要注意到此現象。 (本段由 Dr. Q修正翻譯文句，以適合初學者理解)
規則2：不要過度指定默認公差
在設計零件時，對設計者而言做出一個超精確的零件 是一個很大的誘惑。為什麼呢？我們希望MIM經過 極其精確的淨形工藝然後成為產品出售。然而，從製造的觀點則以更容易生產而且更經濟的零件才是重要 的。一個被忽視的結果是通過圖紙標題欄中過於嚴格 的默認公差(圖2)。雖然這裡看到的公差是合理的， 但只需要幾次校正擊鍵就可以使這些公差更小(例如， 對於.XXX英寸公差，某些圖紙現在指定為/-0.002英 寸而不是歷史默認值0.005英寸。)這些嚴格的公差 會套用到整個印刷品或文件上，因此最終會出現這樣 一種情況，即非關鍵容差的最終指定要比設計者直接 指定的重要功能尺寸的要求更嚴格。許多第一個原型 可能會被延遲，或者需要進行模具重做，這僅僅是因 為組件為了沒有功能上的用處卻被過度指定。
必然結果是，圖紙一旦發布，通常很難改變打印。假 設設計通過審查，沒有人注意到由默認公差所規定的 要求並不能被以MIM工藝來滿足，例如對功能性不 重要的要求，設計師也不會傾向於改變印刷品的內 容，設計師不願意改變的動機是什麼？因為在製程過 程上萬一出現問題，大部問題會指向設計師，既是允 許寬鬆公差的人。
作為一個更改打印可以使設計師看起來像一個打不贏 的局面。最重要的是，最好在零件開發的早期解決這些問題。
規則3：確保零件模型反映標稱零件要求
這裡的關鍵問題是MIM公差總是會在模具的標準收 縮範圍內產生正負值變化。一個基本原因是模具注射 後和燒結零件的密度總是略有變化，這使得單個零件 在某種程度上更大或更小。然而，在零件的打印圖紙 上，設計人員可以指定“不平衡”公差來顯示設計意 圖。例如，假設一個組件的尺寸為50 mm。設計師絕 對不希望尺寸超過50 mm，因此在打印件上指定為 “50.00mm + 0.00 mm, – 0.50 mm”。允許公差範 圍為 49.50 mm-50.00 mm，標稱值為 49.75 mm。 如果依圖紙打印所創建的零件模型，零件模型通知模 具製造商尺寸應為50.00 mm，則模具中的鋼材將在 規格的頂端(50.00 mm)而不是標稱值(49.75 mm)。
以這種方式構建的模具實際上確保了結果將包括在規 格之外製造的相當大百分比的零件，因為它沒有按照 標稱值49.75mm的要求製造。請忘記在這種情況下 遇到合適的綜合製程能力製指數的任何可能吧！因 此，在設計過程的某個階段，無論設計意圖如何，模 型都需要驗證模型反映零件的公稱(圖3)。請放心， 模具製造商將始終恢復模型。
規則4：請記住，並非所有收縮都是各向同性的
MIM工業普遍認為，幾乎所有的MIM工藝產生的零 件沿著不同軸方向其收縮量不會完全相同 (圖4)。這種不同的收縮率很難提前預測。如果全部三軸的模具 都是標稱的，那麼最多只有一個軸，其中成品燒結零 件將以該軸的標稱所需尺寸為中心。另外兩個維度不 會以其標稱值(更高或更低)為中心，這會降低維度 能力，尤其是在計算製程能力指標時。
好消息是，在以相同方向進行閘控和模塑的零件中， 次優的結果通常是具有可重複的，因此工藝穩定性通 常不是問題。但是，零件上所有尺寸的優化可能需要 做模具修改。對於需要統計製程控制的嚴格公差的組 件，必須理解該問題。非各向同性收縮的一個直接影 響是使圓柱形幾何形狀成為在MIM中競爭性製造的 挑戰，不同的收縮率(通常最大和最小相互成90°)將 在圓柱體和內徑中產生橢圓度(圖6)，從而迫使各維 度採用嚴格圓的要求來進行二次加工。與其他成熟技 術相比，MIM相對缺乏圓柱精度使其在螺桿加工和滾 齒等工藝中處於競爭劣勢。因此不要尋找一堆齒輪來 給MIM進行成形操作！
規則5：讓模具中所有關鍵尺寸成為“保險箱”
Dr. Q：保險箱 – 可以理解模具是保有移除模穴鋼材 /加膠(增加餵料)的修改安全性，-而不要進行焊補 模具/減膠(減少餵料)的設計。在最初對MIM元件 進行採樣時，如果燒結後零件沒有以所需的標稱尺寸 值為中心，無論原因是非各向同性的收縮還是其他問題，都不要感到驚訝。如果統計尺寸控制條件有嚴格 地要求高(例如> 1.33)Cpk值，那麼任何不以標稱為 中心的尺寸將難以滿足該規範。通常，更改模具就成 為這成品零件調整這些尺寸的唯一選擇。 (James : 實 際上可以透過燒結溫度與餵料比例，但是在工程驗證 的設計上就必須注意到第一爐燒結溫度應該設計在餵 料燒結使產能落在中上限尺寸、中上限密度，當然不 可以偏小，以免調整空間很窄小)
模具上的更改需要添加或移除材料。如果需要在模具 中添加材料(模具要增加意味著注射件要減膠，加厚 模具的手段是很不穩定的)，有時可以通過電鍍來固 定尺寸。然而，這當中存在多種問題，例如實現均勻 電鍍、確保電鍍牢固地粘附到下層的金屬上並且僅選 擇待電鍍區域等某些特性。
最常見的是，通過焊接將鋼料或材料添加到模腔中， 鑑於大多數MIM零件尺寸較小，焊接工藝通常採用 Micro-TIG或激光焊接。添加材料後，這些添加的“鋼 塊”通常需要通過放電加工(EDM)進行最終加工。對 焊接的擔憂包括損壞下面或相鄰的模腔鋼，並最終使 焊縫長期粘附在下面的金屬上。而需要焊接步驟增加了模具調整的時間和費用。需要焊接步驟增加了模具 調整的時間和費用。如果所有其他方法都失敗了，重 建部分或全部膜腔是最後一個選擇。這需要很長的交 付週期和高成本。 (James：因此建議可以用鑲塊來作 為填補模具，當然要確定是否該位置可以做鑲塊) 因此，修改需要添加材料的模具總是很麻煩。而減除 模具中的材料總是比添加材料更容易。在設計階段， 應審查零件模型，以確定哪些關鍵尺寸可能需要優 化，以確保它們按標稱加工。內部特徵，例如直徑和 槽，應在規範的“高”(中或上限)側進行，而外部尺 寸，例如零件長度或外徑，應設置在低側(中或下限)。
在圖7中的零件說明了這一點。該零件的最終內徑為 10 mm +/- 0.04 mm，由模具中的銷釘決定。總公差 範圍為9.96-10.04 mm。預期的收縮係數為20％，因 此標稱模具尺寸為 10.00 x 1.2 = 12.00 mm。但是， 如果MIM工藝使零件燒結後形成橢圓，則功能直徑 將小於標稱10.00 mm的期望結果。 解決方案是使模具中的銷釘尺寸成為規範的”高端”。 在這種情況下，最終10.03 mm的直徑位於規格的 “高”端，但仍在規格範圍內，因此使模具中的銷釘 為10.03 x 1.2 = 12.036 mm。■
※本文發表於國際粉末注射成形期刊/2018 年9月份第１２卷第三期第61~70頁
Mr. Matt Bulger， 前 任 NetShape Technologies MIM 部門總裁兼總經理，在MIM和PM領域擁有超過26年的經驗。
如今，他是所有金屬粉末技術的獨立顧問。他 通過與金屬粉末工業聯合會(MPIF)的合作積極支持該行 業，在此期間，他曾擔任金屬注射成形協會(MIMA)主 席和MIMA標準委員會主席。除擔任顧問外，他還擔任 金屬增材製造協會(AMAM)的行政總監。
主要翻譯者：邱昱睿，台灣成功大學材料資源系大學部 (2016級)
校正與補充者：邱耀弘博士(Dr. Q)、趙育德碩士(James)