MIM工艺升级，这些治具与工具设计为你提供更多可能性！

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MIM工艺升级，这些治具与工具设计为你提供更多可能性！的图1

■ 耀德讲堂 / 邱耀弘博士

楔子

有道是：「若想得知识，台下十年功；读者要轻松，请花十分钟」，来看看Dr. Q接下来连续数个月的系列专栏报告，充实一下金属注射成形(MIM)产品的知识。专栏内容会尽量把文字缩减，并放入精彩的图片，最后会在Dr. Q的2023年11月做一个总结。这些产品的内容包含以下：「Part I. 转轴」、「Part II. 缝纫机配件」、「Part III. 菜刀与指甲刀」、「Part IV. 治具与工具」、「Part V. 奢侈品牌包的扣件与标牌」、「Part VI. 高尔夫球杆头配件」、「Part VII. 齿轮」。

Part IV. 治具与工具

在1972年MIM工艺发明之后，金属零件可以被如塑胶注射一样的制作出来，这引起金属加工与塑胶制品业的不小震惊与骚动！随着MIM技术的推广与时俱进，尤其是最近十年(2012-2022)在移动通讯的电子产品助攻之下，MIM技术和产品能见度大幅提高，且盛况空前。今天要谈的对MIM工艺而言是比较大且重的零件──治具(Jig)与工具(Tooling)，利用MIM成型复杂的几何形状协助产品在加工或组装过程的进行，取代治具与工具过去采用铸造、焊接或大量机械加工的做法，尤其是针对近代智能型手机的生产有重大的贡献，Dr. Q随后说明。

设计理念

治具，是日文的汉字直接翻过来的，在大陆称呼为夹具或是工装（因工作目的之装载器具，又为制造上所有工具器具的总称），通常指在批量生产时用于快速的定位与紧固的夹持住加工物，以便于加工（包含车削、钻孔、铣削、焊接、披覆涂层等）、组立(Assembly)或检测（电路、尺寸、其他质量）的专用工具。在这里提一提有趣的中文，我们经常读到加个具的名词，例如：工具、治具、夹具、模具、厨具、钓具、文具、玩具、茶具……等各种具，都是人类针对特定作业目的所发展的工具，在中文的字义先冠首字就很容易明白这个工具的使用场景与目的。所以，各种具的大集合名词仍是工具，提供人们工作（娱乐也算）的便利器具必然有其特殊的几何形状来达到目的，那么利用注射成型以模具制作特定几何形状的MIM工艺便成为复杂金属治具的一种优选方式。

再者，MIM自从导入塑基喂料系统之后，生坯强度增加且脱脂效率也跟着提升，这使得设计在大厚度(>5mm)与大重量(>50g)成为可能，将MIM制程用来制作治具与工具就非常的合适。因此，除了复杂几何造型与快速复制之外还有许多好处，例如许多治具与工具使用网格支架或称拓朴(Topology)结构的设计中，如图1，MIM工艺便可以精确复制并得到设计的形状，可以避免传统机械加工的大量材料切削、铸造砂模坍塌与灌注不全的缺陷，省下后续加工时间与材料的浪费。再者，利用同一模具可以直接更换不同强度的材料，增加设计上的弹性，因此MIM工艺在近年来逐渐被广大的治具与工具制造业所接受。

图1：MIM制作的治具与工具，如本图最右上有如网格状的产品，便是采用减重与强度兼具的拓朴结构设计之MIM治具

常见的MIM治具与工具设计

玩具拆解工具

如图2所示，Dr. Q因为经常接触德国品牌 Playmobil玩具人偶并成为它的粉丝（Fans，迷恋的追捧者），此玩具人偶如果能够经由头部的拆解，便可以自由地更换包含头、手臂、身体、中心支架以及脚，进行变更与重新组合增添乐趣。在过去并没有适当的工具，因此Dr. Q便采用MIM工艺设计了这个「拔头器」，用来拆解其头部。这便是一种利用MIM工艺设计日常生活使用工具的范例。

图2：Dr. Q利用MIM工艺自己设计的玩偶拔头器

夹紧治具

图3便属于一种夹紧治具，作为智能手机的最终制程──胶合固化的夹紧功能，众所周知由于智能手机玻璃面板是一片平面或曲面的光滑玻璃，在玻璃的光滑表面无法有任何的紧固机构能够与其结合，因此利用高科技的透明光学胶作为大面积贴合成为唯一的办法来固化玻璃面板，这些胶的固化时间必须超过12小时，因此设计金属治具作为紧固智能手机胶合后的作业成为必要的工具。这些治具本身有许多网格孔洞，除了可以减轻治具的重量之外，在结构上需要很多定位与螺丝孔、观察孔甚至需要穿透UV（紫外光线），足够的厚度提供高强度以防止温度变化导致的变形。

图3：智能手机经胶合组装后的夹紧治具

镀膜或喷漆用的遮蔽治具

如图4所示的PVD遮蔽治具（由于实物不能展示，仅能采用专利示意图给各位读者看），这些作为多数重复性特征、具有复杂且3D造型的工具，经常需要重复的使用在镀膜或喷漆的场合，每经过数次的作业必须进行表面清洁，例如酸洗、溶剂浸泡、脱漆剂浸泡等，以确保特征不会受到镀膜或是喷漆加厚而影响实际产品的装填与遮蔽的效果。因此治具要经过制程与后续清洁的各种应力、温度等物理作用，并且还可能通过化学药品的浸泡，采用MIM工艺以不锈钢制作成为最佳的不二选择。

图4：某发明的PVD遮蔽治具

Part IV.小结

治具和工具都是为了特殊的工作目的所发明与设计的一种专用器具，必须讲究包含物理上的强度、抵抗不变形，温度变化可以忍受高低温差，还要接受化学药剂的清洗、浸泡等，治具和工具本身的特征型状与其尺寸位置都不能变化，才能提供有效的重复性特征服务人类。有了有如塑胶零件注射成型一样的设计自由度，MIM工艺提供了设计师们创新的解决方案，包含了许多方面的考量，本次就分享到此，读者们可以多多参考。

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