粉末注塑(Powder Injection Molding,簡稱PIM)*早于1950年代興起。1985年由臺灣大學退休教授黃坤祥教授從美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute,簡稱RPI)的大師R. M. German教授的粉末冶金實驗室,將金屬粉末注塑(Metal Injection Molding,簡稱MIM)引入中國大陸及臺灣地區。
MIM的真正爆發期始于2008年,美國蘋果公司(Apple Inc.)意識到粉末成形技術的重要性,并展開長達幾年深入日本、中國的調研。蘋果公司從2011年開始使用MIM零件取代傳統壓鑄件,作為蘋果手機和筆記本電腦的內外部零件,從而MIM產業在近五年(2012——2017)呈現爆炸式的成長,包含市場應用、產品、設備、零件制造商,以及后加工廠,帶動了產業鏈的旺盛發展!
近5年來,據不完全統計,中國市場約暴增了150家MIM廠,而日本從2008年之后,其國內MIM制造的廠家呈現縮減的趨勢(目前僅剩21家);韓國的MIM廠則不超過10家;新加坡僅有的4家MIM廠,也在安徽設下了中國分廠。
火爆市場背后的原因
筆者認為,MIM在中國的火爆發展,主要得益于以下幾項因素。
首先是催化脫脂大時代的來臨。*近,中國幾家喂料廠正邁向更低收縮比(Oversize Shrinkage Factor,OSF<1.165)以及復合脫脂法(溶劑脫脂 催化脫脂),這是中國PIM產業技術突進的活力象征!
其次是蘋果公司選擇了大中華區作為組裝生產基地,使位于中國華南地區的MIM制造廠家獲得優勢。
中國MIM廠的設立初期僅有數家大型MIM廠,但近五年國產智能手機的需求也開始采用MIM產品,加上早期可穿戴產品如智能手表,都集中在珠三角,因此當今MIM工廠密度*高的地方:*集中地區在東莞市長安鎮,第二集中地是深圳市沙井鎮。
而人料機法的二大關鍵——料與機的優化和本土化。無論是原材料還是注塑機設備,“中國制造”都在努力追趕國際水平。
此外還有一些特殊物資,例如鎢粉,這并不是其他國家地區可以擁有的條件,鎢在中國江西算是大宗物料,還有鎳,中國北方的鎳礦也數一數二,世界*大的鎢粉和鎳粉供應都是集中在中國。
近年由于手機設計朝著薄型化的方向發展,對手機零件的寬和高都開始講究,恰好利用鎢合金的比重高,相同的體積有金屬的二倍以上重量,可以讓手機的設計產生重量偏移,利用鎢合金制作不平衡配種讓手機跌落時刻意撞擊堅固的位置,避免玻璃屏幕的破裂,這是一個新的商機。
另外,現在中國擁有充足的并且愿意工作的勞動人口,包含管理人才、工程師和基層勞動者,他們也都在努力推進技術的更新換代。
未來的PIM產品—新材料
MIM技術特色:①定單量適度(注意:美國的MIM廠所謂產量定義是每年萬件以上便是大量,而MIM教科書說每一批次1000件就可以接單);②難加工材料,包含高硬度,高強度以及非自然比例合金;③形狀越復雜為主。
很多人都在好奇,下一個MIM明星產品是什么?筆者看好以下材料:
鎢與鎢合金
在前面略為提到了高比重鎢合金的優勢,這里再補充的當屬燒結鎢合金。過去已經被拋棄的球磨粉末機,溶劑脫脂和熱脫脂,預燒結設備,氨裂解以及氫氣供給設備,又要重新去找出來,因為單只燒結鎢是不可能的,必須利用鎳、銅、鐵、鈷、鉬等元素產生液相燒結把鎢顆粒沾粘起來(吃過花生糖吧?花生就好比是鎢,麥芽糖則是那些液相元素)。
2015年的鎢合金配重與馬達震動子(振動馬達的需求)正被蘋果炒熱起來。雖然是曇花一現,但也證明MIM確實可以對應硬質合金和高比重和金的產品有快速爬升產能的能力。
無鎳不銹鋼
在當前被廣泛應用的醫療用奧氏體不銹鋼316L和硬化型17-4PH,鎳是一種重要的合金化元素。鎳的主要作用是使不銹鋼形成穩定的奧氏體結構,從而改善不銹鋼的耐腐蝕性、可塑性、可焊接性和韌性等性能,常溫狀下穩定的奧氏體結構還可使不銹鋼具備無導磁性。
但是,鎳則是一種潛在的過敏因數,在西方大量的臨床表現證實鎳及其化合物會對人類產生危害。*常見的損害是接觸性皮炎,發病率較高,過敏性強者會發生濕疹。
目前歐盟已經下達鎳禁止令,于2016年底前徹底執行,取代的方案是采用高氮無鎳的鉻錳鉬鋼,這恰是MIM技術的強項。
相信不用到明年,這個材料如合作日常生活與工業應用的金屬零件,應該是明星級的材料,MIM廠要提早準備了!高氮無鎳的不銹鋼配方目前還是巴斯夫的專利,專利保護期也即將過期,應該可以讓市場放大吧。
銅與黃銅、鈦與鈦合金
金屬類的應用具備無導磁性,對于3C產品是很好的材料,由其MIM技術關注點在于經濟又實惠,銅合金應該是一個很好的選項,可惜的是過去銅合金的燒結很少人關注,主要在于水暖器材類的銅合金可以經過壓鑄(Die Casting)實現,純銅的燒結不是一般燒結爐可以做到,必須采用壓力大于一大氣壓以上的高壓燒結爐,不是一般工廠可以設置的,主要是銅(及其合金)的蒸汽壓低,還沒有到達燒結溫度汽化就相當嚴重,除了爐壁容易污染外,產品很容易燒不致密。
PIM International 雜志2015*期報導,全世界MIM/PM粉末消耗*大還是中國大陸地區和臺灣地區,但顯然只有偏重在熱管和散熱片,以及小部分的青銅自潤軸承與過濾器,對于銅與銅合金的MIM產品,還有待開發。通常,這種材料要寄望蘋果電腦的采用才有快速身價上揚的機會。
鈦和鈦合金則一直是明星材料,只不過價格過高,粉末來源受到限制,因此工業應用都局限在航空扣具,特殊零件,以及醫療器械和植入物,少部分用來做可穿戴產品,卻因為鈦的外觀很容易灰化導制裝飾不夠好看,很多以不銹鋼拋光加以上PVD錆黑色來說是鈦合金,那只有表面薄薄一層的鈦化物,不足以稱為鈦合金。我們也期待市場的開拓與無鎳不銹鋼的時代來臨,高強度和相對低比重的鈦有其優異的機械與人體親合性能,來期待MIM鈦零件的上市吧!
光、電、磁不分家,功能性金屬與陶瓷來襲
2017年起被討論*多、*神秘又*熱門的,相信就是功能性材料,由于眾多特殊的應用,相關的材料如各種有色金屬合金、功能陶瓷