粉末注射成形技术高峰论谈V
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Water
水
Dipping and heating
視溶劑種類決定脫黏溫度 浸泡于溶剂并加热
Dipping and heating (60~70)
浸泡于水并加热
Solvent de-binding 溶剂脱黏法
Water de-binding 水解脱黏法
溶脱 水脱
Decomposition in thermal environment
助剂系统的区分因低温脱黏段的媒介而
不同！
De-binding method 脱黏结助剂方式
Environment 环境要求
Method(Max. temp.) 方式(最高温)
Called 名称
通称
Decomposition in solution environment
于Байду номын сангаас液中分解
Solvent
溶剂
• 已经条件
• 知道Sandvik 316L,取市场常规料密度为7.9 g/cm3 • 已知某市售助剂的平均密度为0.973g/cm3 • 总重量来分配 金属固体：助剂= 10 : 0.773
• 求出生坯密度？
• Msus = 10g, Vsus= 10g/7.9g/cm3 =1.2658 cm3 • MM3= 0.773g, VM3=0.773g/0.973g/cm3=0.7944 cm3 • 生坯密度= (10+0.773)g/(1.2658+0.7994)cm3=5.21 g/cm3
R.M. German发表国际粉末注射成形期刊2007年3月份第一卷第一期第t powder - II 最佳粉体 - II
• 双粒径分布
• 小粒径价格高，用量小填缝隙 • 大粒径成本低，用量大作填充
• 颗粒形状
• 圆颗粒易微调，优秀表面封孔性 • 角颗粒易保形，形状度确定
Fe
67.112
7.847
8.55
100
12.94 4系不锈钢为铁素体型
计算密度(g/c.c.)
7.73 或马氏体型，晶体结构
与纯铁类似，建议用该
类材料作为例证，误差 M实IM际产查业S计US算3SU1S6L3的16密L度都约采落用于7.89.0g3/~c7.会.c9.小﹐g/约很c.有多c.3之%误间差
铁系列金属射料每次可混20公斤铁系列金属射料每次可混13公斤
约两个小时内完成一次
约两个小时内完成一次
练习与统计-数学与物理学的协助
Density equation of physical 物理学上的密度公式
M M M1 M 2 M 3 ....... M n
V V V1 V2 V3 ....... Vn
Cr Ni
16.7 12.28
7.140 8.908
2.34 1.38
立方，纯铁为体心立方
Mo
2.04
10.280
0.20 结构，两种晶体结构的
Si
0.47
2.330
0.20 原子堆積密度不同，不
Mn
1.18
7.470
0.16
S
0.17
1.960
0.09 宜直接用纯铁的密度来
P
0.028
1.823
0.02 推算316L不锈钢密度。
FeM FeV
NiM NiV
98 2 12.446 0.225
7.892 (g/cm3)
请以前页方式计算不锈钢316L的理论密度
wt % SS - 316L (100g)
理论密度 (g/c.c.)
计算体积 (c.c.)
316L不锈钢是奥氏体不
C
0.02
2.260
0.01 锈钢，晶体结构为面心
• 体积数据取得最不容易判断，请注意。 • 注意到以模具射出过程﹐由于射出条件加上模穴尺寸确认﹐在相对的测
量上﹐生坯重量的误差才是最容易检验测量的！
Example – I Density of Fe-2Ni alloy 计算范例- I . Fe-2Ni的计算密度
• Fe,铁(元素表)可知密度为7874 kg/m3 = 7.874 g/cm3
• 以100g总重量来分配，Fe = 100-2 = 98g, Ni = 2g
• 套之前密度公式，要求出个别材料的理论体积
• Vol. of Fe = 98g/7.874g/cm3= 12,446cm3 • Vol. of Ni =2g/8.908g/cm3= 0.225cm3
Fe2 Ni
M V
M V
:物体/混合物的密度
M
:纯物质/混合物的总质量
V
:纯物质/混合物的总体积
M :混合物的个别质量之总和
V :混合物的个别体积之总和
Need to know the conditions 必须要知道的条件
• 重量
• 重量是可以利用来快速检验产品/原料、且可满足在线有效的测试数据。 • 利用天平﹑磅秤都可以快速有效获得
• Ni,镍(元素表)可知密度为8908 kg/m3 = 8.908 g/cm3
• 注意工业标示的Fe-2Ni是表示重量比(Fe- 2wt%Ni，化学上常用的是莫耳 比mol%或是体积比vol%，都是不同的)
• 因此要计算此材料的合金密度(实际上有些合金后会有体积膨胀或收缩， 但在MIM界都假设合金化理论密度不变情形)
• 密度
• 必须根据查表得到的是”理论密度” • 实际以密度计(使用阿基米得原理排水来获取体积数据)测量只能抽检居
多，以此得到的是实际密度 • 实际密度/理论密度=相对密度(%，以百分比对应称呼)
• 体积
• 阿基米得原理，物体排开水的体积恰好与水的重量相等数值(其实严格来 说是4C的水才算)，即水1g = 1 c.c. = 1 cm3
国内惯用
注射、注塑 (广东地方话：憋)
喂料、注射料 生坯/棕坯 (绿件/棕件) 密练 助剂 脱黏、排胶
溶剂萃取脱黏
台湾惯用
射出 射料、配料 生坯/棕坯
混炼 黏结剂 脱脂 溶剂脱脂
装备
设备
整体尺寸收缩因子
模拟分 析
快速成Continuation
型
of
topics from SH 延续上海的议题
金属原料/黏 结助剂
装备
Equipments of MIM feedstock preparat ion 射料准备的装备
• 测量装备(*可要求供货商提供或委外检验)
• *激光(LASER)粒径分析仪﹐ • *扫描式电镜(Scanning electric microscopy, SEM)与元素散射分析(ED
S) • 高景深光学显微镜(Optical microscopy, OM) • 干压药碇模具 • 微小微克式/洛式硬度计 • 密度计与天平 • 游标卡尺与2.5D投影式电子量测仪(Optical gauging products, OGP) • 万能拉伸试验机
Differences in Glossary 術語的差異
英文原文
Injection Feedstock Green /Brown part
Mixing Binder De-binder Solvent de-binding
Equipment OSF
(Oversize shrinkage Factor)
射料系统的演绎
Process flow chart of MIM 粉末注射成形的制造程序
Shrinkage ratio 16~18% from green part to sintered
part 烧结体比起生坯体会有16~18%的体积收缩率
Classification of binder system 黏结助剂系统的分类
• 射料备制装备
• Z字粗大轴混炼机(国内有厂家可供应﹐必须注意轴心的设计) • 标准模具(每家厂可以开出类似万能试验机拉伸用狗骨头试棒与圆饼)
Kneader with a big “thick Z” screw 粗壮的Z型螺杆混炼机
国产的专用混炼机
日本制的专用混炼机
可混炼体积: 5 公升(Liter) 可混炼体积: 3 公升(Liter)
316L不锈钢是奥氏体不锈钢，晶体 结构为面心立方，纯铁为体心立方 结构，两种晶体结构的原子堆垛致 密度不同，不宜直接用纯铁的密度 来推算316L不锈钢密度。4系不锈钢 为铁素体型或马氏体型，晶体结构 与纯铁类似，建议用该类材料作为 例证，误差会小很多
Example – II Feedstock of SUS-316L 计算范例- II . SUS 316L的射料调配
(60~70)
浸泡于溶剂并加热
95~98wt%低熔点蜡与其他 (约总黏结剂量的50wt%)
溶脱
Dipping and heating
(60~70)
浸泡于水并加热
95~98wt%水溶性黏結劑与其他 (约总黏结剂量的50wt%)
水脱
Decomposition in thermal environment
目前专利技术尚由美德日掌握﹐脱黏设备和配方也尚未标准化﹐不建议在MIM上使用
Process of de-binding 脱黏的程序
• 脱黏的目的 – 移除低分子量(Wax, SA等填充剂、界面活性寄与润滑剂 等) – 移除高分子量(POM,为BASF料之主填充剂)
Characteristic of different de-bindi ng process 不同脱黏的特征
于热气氛下分解
Gas of nitric acid
硝酸气体
Vacuum
真空
Heating and Catalytic (120~170C)
暴露于硝酸气并加热
Heating (25~600C)
加热
95~98wt%聚甲醛与 其他 (约总黏结剂量的80wt%)
95~98wt%低熔点蜡与其他 (约总黏结剂量的50wt%)
• 台湾厂与日本公司的配方﹐以蜡基(Wax base)系统为主 • 优点：可大幅降低射料成本；可对金属材料微调；技术自有掌握 • 缺点：须有高阶材料研发人员；工艺须严格控制
• 近期：国内自行研发/BASF全面降价袭来
• 塑基与蜡基并行 • 优点：自主能力提升﹐促进产业与上下游整合 • 缺点：力争上游﹐必须更努力﹐缺乏精密检验技术(官、学协助) • 注意重点：新一代BASF的便宜射料
酸脱 热脱
Binder system of China 国内的黏结助剂系统
• 早期：将近100%外购射料(喂料)
• 德国巴斯夫(BASF)的塑基(POM system)系统 • 优点：不需要调料；不用高阶材料研发人员；工艺单纯 • 缺点：材料昂贵；无法对成份微调；技术掌握度控制于他人
• 中期：少量台湾与日系助剂
De-binding method Environment Method(Max. temp.)
脱黏结助剂方式
环境要求
方式(最高温)
黏结剂重量损失率
通称
Decomposition in solution
environment
于溶液中分解
Solvent
溶剂
Water
水
Dipping and heating
于热气氛下分解
Gas of nitric acid
硝酸气体
Heating and Catalytic
(120~170C)
暴露于硝酸气并加热
Vacuum
真空
Heating (25~600C)
加热
CATAMOLD 催化脱黏法
Thermal debinding 热脱黏法
酸脱 熱脱
蜡基系统助剂此为国内惯用区分方式﹐但有差异的！ 塑基系统助剂
Abstract 摘要
粉末注射成形﹐日本工业界形容其为第五代成形技术﹐主要特色在于使用 固体材料的高温固态与部份液态扩散技术-烧结(Sintering)﹐让材料由粉 体的状态固结成实体材料成为实用的产品。因此﹐本文探讨及在使用这门 ”聚沙成塔”之术﹐必须要从材料源头管理下手的重要性﹐这是目前国内 业者必须要急起直追的要务！
混炼/密 炼
整列摆 盘
脱脂/脱黏/ 排胶
钼舟/陶 瓷盘
国内成熟
射料团
回
块
收
管
射料造
理
粒
真空/大气烧 结
整型/二次加 工
注塑成 形
注件加工/ 修边
表面/热 处理
成 品
取代尚未 未成熟
Content 内容
• 射料系统的演绎 • 正确的选择粉体 • 装备 • 练习与统计-数学与科学的演进 • 回收料管理
正确的选择粉体
The best powder - I 最佳粉体 - I
• 不是圆球(气喷法/羰基法)最好 • 不是多角形(水喷法或碾碎法)
气喷法或羰基法成形 之球状粉
水喷法或碾碎法成形 之多角状粉
计算机数值仿真的最 佳粉体型形状
很像M&M巧克力糖
Powders, binders and feedstocks for powder injection molding 粉末注射成形的粉末,黏结助剂与射料
2013年粉末注射成形技术产业化现状及发展趋势 暨粉末注射成形高峰论坛
粉末注射成形技术 射料之备制、装备、使用以及回收管理
Dr. Q, CTO of MIM BU. & STDC@UNEEC 邱耀弘博士,金属粉末射出成形事业处&策略性技术开发中心，台湾晟铭 电子科技股份有限公司技术长 V1.0, Sep. 1th , 2013
水
Dipping and heating
視溶劑種類決定脫黏溫度 浸泡于溶剂并加热
Dipping and heating (60~70)
浸泡于水并加热
Solvent de-binding 溶剂脱黏法
Water de-binding 水解脱黏法
溶脱 水脱
Decomposition in thermal environment
助剂系统的区分因低温脱黏段的媒介而
不同！
De-binding method 脱黏结助剂方式
Environment 环境要求
Method(Max. temp.) 方式(最高温)
Called 名称
通称
Decomposition in solution environment
于Байду номын сангаас液中分解
Solvent
溶剂
• 已经条件
• 知道Sandvik 316L,取市场常规料密度为7.9 g/cm3 • 已知某市售助剂的平均密度为0.973g/cm3 • 总重量来分配 金属固体：助剂= 10 : 0.773
• 求出生坯密度？
• Msus = 10g, Vsus= 10g/7.9g/cm3 =1.2658 cm3 • MM3= 0.773g, VM3=0.773g/0.973g/cm3=0.7944 cm3 • 生坯密度= (10+0.773)g/(1.2658+0.7994)cm3=5.21 g/cm3
R.M. German发表国际粉末注射成形期刊2007年3月份第一卷第一期第t powder - II 最佳粉体 - II
• 双粒径分布
• 小粒径价格高，用量小填缝隙 • 大粒径成本低，用量大作填充
• 颗粒形状
• 圆颗粒易微调，优秀表面封孔性 • 角颗粒易保形，形状度确定
Fe
67.112
7.847
8.55
100
12.94 4系不锈钢为铁素体型
计算密度(g/c.c.)
7.73 或马氏体型，晶体结构
与纯铁类似，建议用该
类材料作为例证，误差 M实IM际产查业S计US算3SU1S6L3的16密L度都约采落用于7.89.0g3/~c7.会.c9.小﹐g/约很c.有多c.3之%误间差
铁系列金属射料每次可混20公斤铁系列金属射料每次可混13公斤
约两个小时内完成一次
约两个小时内完成一次
练习与统计-数学与物理学的协助
Density equation of physical 物理学上的密度公式
M M M1 M 2 M 3 ....... M n
V V V1 V2 V3 ....... Vn
Cr Ni
16.7 12.28
7.140 8.908
2.34 1.38
立方，纯铁为体心立方
Mo
2.04
10.280
0.20 结构，两种晶体结构的
Si
0.47
2.330
0.20 原子堆積密度不同，不
Mn
1.18
7.470
0.16
S
0.17
1.960
0.09 宜直接用纯铁的密度来
P
0.028
1.823
0.02 推算316L不锈钢密度。
FeM FeV
NiM NiV
98 2 12.446 0.225
7.892 (g/cm3)
请以前页方式计算不锈钢316L的理论密度
wt % SS - 316L (100g)
理论密度 (g/c.c.)
计算体积 (c.c.)
316L不锈钢是奥氏体不
C
0.02
2.260
0.01 锈钢，晶体结构为面心
• 体积数据取得最不容易判断，请注意。 • 注意到以模具射出过程﹐由于射出条件加上模穴尺寸确认﹐在相对的测
量上﹐生坯重量的误差才是最容易检验测量的！
Example – I Density of Fe-2Ni alloy 计算范例- I . Fe-2Ni的计算密度
• Fe,铁(元素表)可知密度为7874 kg/m3 = 7.874 g/cm3
• 以100g总重量来分配，Fe = 100-2 = 98g, Ni = 2g
• 套之前密度公式，要求出个别材料的理论体积
• Vol. of Fe = 98g/7.874g/cm3= 12,446cm3 • Vol. of Ni =2g/8.908g/cm3= 0.225cm3
Fe2 Ni
M V
M V
:物体/混合物的密度
M
:纯物质/混合物的总质量
V
:纯物质/混合物的总体积
M :混合物的个别质量之总和
V :混合物的个别体积之总和
Need to know the conditions 必须要知道的条件
• 重量
• 重量是可以利用来快速检验产品/原料、且可满足在线有效的测试数据。 • 利用天平﹑磅秤都可以快速有效获得
• Ni,镍(元素表)可知密度为8908 kg/m3 = 8.908 g/cm3
• 注意工业标示的Fe-2Ni是表示重量比(Fe- 2wt%Ni，化学上常用的是莫耳 比mol%或是体积比vol%，都是不同的)
• 因此要计算此材料的合金密度(实际上有些合金后会有体积膨胀或收缩， 但在MIM界都假设合金化理论密度不变情形)
• 密度
• 必须根据查表得到的是”理论密度” • 实际以密度计(使用阿基米得原理排水来获取体积数据)测量只能抽检居
多，以此得到的是实际密度 • 实际密度/理论密度=相对密度(%，以百分比对应称呼)
• 体积
• 阿基米得原理，物体排开水的体积恰好与水的重量相等数值(其实严格来 说是4C的水才算)，即水1g = 1 c.c. = 1 cm3
国内惯用
注射、注塑 (广东地方话：憋)
喂料、注射料 生坯/棕坯 (绿件/棕件) 密练 助剂 脱黏、排胶
溶剂萃取脱黏
台湾惯用
射出 射料、配料 生坯/棕坯
混炼 黏结剂 脱脂 溶剂脱脂
装备
设备
整体尺寸收缩因子
模拟分 析
快速成Continuation
型
of
topics from SH 延续上海的议题
金属原料/黏 结助剂
装备
Equipments of MIM feedstock preparat ion 射料准备的装备
• 测量装备(*可要求供货商提供或委外检验)
• *激光(LASER)粒径分析仪﹐ • *扫描式电镜(Scanning electric microscopy, SEM)与元素散射分析(ED
S) • 高景深光学显微镜(Optical microscopy, OM) • 干压药碇模具 • 微小微克式/洛式硬度计 • 密度计与天平 • 游标卡尺与2.5D投影式电子量测仪(Optical gauging products, OGP) • 万能拉伸试验机
Differences in Glossary 術語的差異
英文原文
Injection Feedstock Green /Brown part
Mixing Binder De-binder Solvent de-binding
Equipment OSF
(Oversize shrinkage Factor)
射料系统的演绎
Process flow chart of MIM 粉末注射成形的制造程序
Shrinkage ratio 16~18% from green part to sintered
part 烧结体比起生坯体会有16~18%的体积收缩率
Classification of binder system 黏结助剂系统的分类
• 射料备制装备
• Z字粗大轴混炼机(国内有厂家可供应﹐必须注意轴心的设计) • 标准模具(每家厂可以开出类似万能试验机拉伸用狗骨头试棒与圆饼)
Kneader with a big “thick Z” screw 粗壮的Z型螺杆混炼机
国产的专用混炼机
日本制的专用混炼机
可混炼体积: 5 公升(Liter) 可混炼体积: 3 公升(Liter)
316L不锈钢是奥氏体不锈钢，晶体 结构为面心立方，纯铁为体心立方 结构，两种晶体结构的原子堆垛致 密度不同，不宜直接用纯铁的密度 来推算316L不锈钢密度。4系不锈钢 为铁素体型或马氏体型，晶体结构 与纯铁类似，建议用该类材料作为 例证，误差会小很多
Example – II Feedstock of SUS-316L 计算范例- II . SUS 316L的射料调配
(60~70)
浸泡于溶剂并加热
95~98wt%低熔点蜡与其他 (约总黏结剂量的50wt%)
溶脱
Dipping and heating
(60~70)
浸泡于水并加热
95~98wt%水溶性黏結劑与其他 (约总黏结剂量的50wt%)
水脱
Decomposition in thermal environment
目前专利技术尚由美德日掌握﹐脱黏设备和配方也尚未标准化﹐不建议在MIM上使用
Process of de-binding 脱黏的程序
• 脱黏的目的 – 移除低分子量(Wax, SA等填充剂、界面活性寄与润滑剂 等) – 移除高分子量(POM,为BASF料之主填充剂)
Characteristic of different de-bindi ng process 不同脱黏的特征
于热气氛下分解
Gas of nitric acid
硝酸气体
Vacuum
真空
Heating and Catalytic (120~170C)
暴露于硝酸气并加热
Heating (25~600C)
加热
95~98wt%聚甲醛与 其他 (约总黏结剂量的80wt%)
95~98wt%低熔点蜡与其他 (约总黏结剂量的50wt%)
• 台湾厂与日本公司的配方﹐以蜡基(Wax base)系统为主 • 优点：可大幅降低射料成本；可对金属材料微调；技术自有掌握 • 缺点：须有高阶材料研发人员；工艺须严格控制
• 近期：国内自行研发/BASF全面降价袭来
• 塑基与蜡基并行 • 优点：自主能力提升﹐促进产业与上下游整合 • 缺点：力争上游﹐必须更努力﹐缺乏精密检验技术(官、学协助) • 注意重点：新一代BASF的便宜射料
酸脱 热脱
Binder system of China 国内的黏结助剂系统
• 早期：将近100%外购射料(喂料)
• 德国巴斯夫(BASF)的塑基(POM system)系统 • 优点：不需要调料；不用高阶材料研发人员；工艺单纯 • 缺点：材料昂贵；无法对成份微调；技术掌握度控制于他人
• 中期：少量台湾与日系助剂
De-binding method Environment Method(Max. temp.)
脱黏结助剂方式
环境要求
方式(最高温)
黏结剂重量损失率
通称
Decomposition in solution
environment
于溶液中分解
Solvent
溶剂
Water
水
Dipping and heating
于热气氛下分解
Gas of nitric acid
硝酸气体
Heating and Catalytic
(120~170C)
暴露于硝酸气并加热
Vacuum
真空
Heating (25~600C)
加热
CATAMOLD 催化脱黏法
Thermal debinding 热脱黏法
酸脱 熱脱
蜡基系统助剂此为国内惯用区分方式﹐但有差异的！ 塑基系统助剂
Abstract 摘要
粉末注射成形﹐日本工业界形容其为第五代成形技术﹐主要特色在于使用 固体材料的高温固态与部份液态扩散技术-烧结(Sintering)﹐让材料由粉 体的状态固结成实体材料成为实用的产品。因此﹐本文探讨及在使用这门 ”聚沙成塔”之术﹐必须要从材料源头管理下手的重要性﹐这是目前国内 业者必须要急起直追的要务！
混炼/密 炼
整列摆 盘
脱脂/脱黏/ 排胶
钼舟/陶 瓷盘
国内成熟
射料团
回
块
收
管
射料造
理
粒
真空/大气烧 结
整型/二次加 工
注塑成 形
注件加工/ 修边
表面/热 处理
成 品
取代尚未 未成熟
Content 内容
• 射料系统的演绎 • 正确的选择粉体 • 装备 • 练习与统计-数学与科学的演进 • 回收料管理
正确的选择粉体
The best powder - I 最佳粉体 - I
• 不是圆球(气喷法/羰基法)最好 • 不是多角形(水喷法或碾碎法)
气喷法或羰基法成形 之球状粉
水喷法或碾碎法成形 之多角状粉
计算机数值仿真的最 佳粉体型形状
很像M&M巧克力糖
Powders, binders and feedstocks for powder injection molding 粉末注射成形的粉末,黏结助剂与射料
2013年粉末注射成形技术产业化现状及发展趋势 暨粉末注射成形高峰论坛
粉末注射成形技术 射料之备制、装备、使用以及回收管理
Dr. Q, CTO of MIM BU. & STDC@UNEEC 邱耀弘博士,金属粉末射出成形事业处&策略性技术开发中心，台湾晟铭 电子科技股份有限公司技术长 V1.0, Sep. 1th , 2013