回归基础，迈向未来

■ 耀德讲堂 / 邱耀弘 博士

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.080)

前言

本期主要讨论金属粉末成型的三大主流技术，在发展数千年的历史之后（最早在古埃及发现氧化铁烧制的金属制品，纪元前3000年），面对大量制造需求则是在近代的19世纪初的50年代才开始，但是到了我们开始大量使用金属零件则是已经到了20世纪的晚期之后（1950年）。根据前面的讨论，Dr. Q来将这个时代主流金属粉末成型技术进行总整理，也加深大家对本期专刊的主题知识。我和赵博士讨论的结果，认为用问题与讨论是一种有趣的结论方式，我们来一起看看。

对于PM/MIM/MAM所使用的粉末可不可以共享？为什么？

如第1篇所叙述的粉末材料所表示，三大主流金属粉末成型技术使用的粉末粒径分布，其中PM最粗大、MIM最细小，积层制造则居中（包含Binder Jet, PBF-LB, PBF-EB, and DED）。

注意到PM、MIM、MAM三种工艺用的粉末在粒径上有交互重叠之处，不过因为制程不同使用成型设备、固化能量与模具与否都不一样，完全不可以混用以避免产品质量不良，甚至根本无法进行制造程序。以下列出重点：

• 三大粉末成型技术发展所使用的粉末粒径有一定的区隔，无法混合使用；
• 对于烧结法包含MIM和MAM工艺，其金属生坯中至少80%（同样材质以重量比即可，不同材质的混合粉末必须换算成体积比）粉末粒径小于30μm以下，同时生坯中的固体粉末堆积率>45vol%（体积分率），才能够精准地以阿基米德原理来推算最终产品的尺寸；
• 大于50μm以上的金属粉末所具有的烧结驱动力(Drive force of sintering)大幅降低，无法有效的大范围烧结并且融合在一起，这导致尺寸控制的方式不容易推算其数学模型，干扰因素太多；因此PM和MAM的部分技术是没有办法推算其生坯与烧结坯的尺寸比例关系，因此这两种技术成型的生坯与固化后的产品几乎没有收缩变化。PM的压制后尺寸和烧结后的尺寸误差仅为千分之2（0.2%收缩率），主要是根据经验累积；MAM使用熔融法则是精准地控制雷射光斑和熔池，尺寸的误差约在0.5%甚至更小。

请以材料、能量消耗和零件性能描述PM/MIM/MAM的工艺差异性

如表1所描述的几个比较数字，本表是由台湾3D打印公会所制作的调查资料。其中比较的项目包含材料有效的利用率、消耗比；零件制作的耗能与耗能比；零件的相对密度（烧结固化后）与表面粗糙度。

表1：PM/MIM/MAM的工艺差异性

• PM的粉末在没有经过烧结的再回收利用是可以的，但因为压制后的粉末变形度不同，主要是粉末在膜腔内堆积与压制作用力导致壳层效应(外壳密度高、芯部密度低)，只能降级使用而无法再度混合于同级正式量产品的生产上；
• MIM的喂料在多次使用后会分解并降低流动性，但可以经过适当的调整补救，只要不经过烧结，即便是脱脂后的棕坯（生坯经过脱脂）仍可以破碎回收再制，但生坯（仅射出后）、棕坯需要区分开进行回收，要建立严格的回收喂料机制；
• MAM的粉末或是喂料是有区分的，熔融法的雷射由于光斑能量密度高，不论是烧结还是熔融的过程会有少量跳火、小颗粒粉末局部团聚的现象，要重复使用时必须先筛滤过团聚的粉末，并且使用一定比例的新旧粉混合；间接烧结法使用黏结剂沾黏，一样会造成粉末团聚现象，重复使用也必须要过滤；另外使用MIM喂料丝打印后尚未烧结前的生坯或是脱脂后坯，都不宜回收使用，主要是重制丝材的技术和设备并不普及，建议报废或是集中数量贩卖给MIM喂料制造商回收。

PM/MIM/MAM的产品特征差异处在哪？

PM制品

如图1所展示的PM制品，产品的维度大多是2D，只有少部分斜面或非上下方向特征可以借助模具的设计与后加工辅助完成2.5-3D造型。

图1：每件产品的重量都超过100g以上的不同PM制品展示。(a)VVT（可变气门正时）转子/链轮；(b)铝合金链轮；(c)软磁定子；(d)橡胶包覆进/排气凸轮轴定子链轮（本零件荣获世界PM2018产品奖）；(e)密度≥7.53 g/cm3的打击块（本零件荣获世界PM2018产品奖）。所有照片均由宁波东睦集团NBTM提供

MIM制品

MIM制品如图2所示，都是一些形状复杂的零件且产品重量没有超过50g，大部分都低于10g甚至有0.5g的小产品。可以看到MIM制品有极为复杂的造型，就是设计金属零件有如塑胶零件一般的想法，3D造型被大量用在精密零件，尤其是电子产品上。

图2：MIM制品的样品展示（Dr. Q自己的MIM样品盒）

MAM制品

图3为MAM的最新微米级3D打印（资料提供系由江苏云耀深维科技有限公司www.aixway3d.cn），这是地表上最精细的SLM打印制品以及工艺。其他大型件我们就省略不谈，积层制造的制程能力已经迅速追赶PM/MIM并大幅度地超越（只需要一部打印机便可以取代冗长的制造程序）。

图3：MAM的最新微米级3D打印(SLM-PBF)

PM/MIM/MAM工艺的产出能力

图4可以非常浅显易懂地表示三个工艺的产出能力特色。PM仅能制作中度复杂特征，但能制作大件/量大的订单；MIM可以制作复杂特征且产能很大，但是重量不大；MAM则是数量不多，但制品的重量和复杂度都没有限制。特别是MIM原本仅是取代精密铸造（Investment casting，又称熔模铸造、失蜡铸造或脱蜡铸造），但是逐渐有侵入老大哥PM的领域，未来会更加大零件重量与尺寸的制造能力，但是MAM在烧结法发展后又等于是MIM工艺的背后黄雀（MIM可以假设为螳螂，而PM与失蜡铸造、传统机加工与锻造等则是蝉），非常期待MAM工艺突破限制来挑战MIM工艺，不过Dr. Q比较相信这些工艺都可以互补缺点，既是竞争者又是互补角色。

图4：三大粉末成型技术的产出能力表示图

PM/MIM/MAM工艺为什么惧怕细小和粗大的粉末？

在所有粉末制程中，过细小和过粗大的粉末都不适合，我们举面粉为例，用来制作饼皮如果粉末过细小，一下子就会被水带走；但若是粗大的面粉，则不是该颗粒煮不熟，便是因孔隙导致口感不佳，在所有粉末成型都害怕这样的事情。如图5所示，金属颗粒因大小差异过大而导致烧结后产品出现缺陷的原因。

图5：粉末颗粒过大造成产品的表面与内部孔隙

对于PM/MIM/MAM工艺的综合差异分析

虽然在前面已经有所描述，但仍将各项比较参数整理放置于表2中。由于MAM是区分为两大类别，熔融法比较偏向PM使用较大颗粒粉末，而烧结法则是使用与MIM相近的颗粒粉末，近年来MAM技术的发展到极小（可以接打印心脏血管用记忆合金支架，直径约0.1mm中空特征，德国技术)，到直接打印飞机的尾翼与翅膀的大形结构（超过百公斤，大陆开发的指向性雷射打印设备），都已经超过PM/MIM的尺寸与重量限制（上下限），同时还做到模造技术无法成型的网格或是晶格结构（统称拓朴结构），请读者注意。

表2：PM/MIM/MAM工艺的差异性

PM/MIM主力设备比较

PM/MIM的工艺流程在前都已经叙述，重点的比较将放在设备对于原料制备、生坯成型、热程序三大部分来做比较，读者可以知道两个制程的差异。

原料制备

• 粉末的制程不同。PM粉末大多使用还原法与水雾化法，具有比较大且表面不规则、粗糙的特性，需要的在于粉末有塑性变形能力以使压制过程能够互相产生机械冶金，其中海绵状金属是还原后的材料主要形状，必须经过破碎研磨过程，水雾化则是使用中压水、大的喷嘴将材料喷出成粉；MIM的主流粉末获得已经是采用气雾化法(Gas atomization)改良成为气水联合雾化法(Gas with water atomization)，利用高压力的水、较小的喷嘴（孔直径>3mm）帮助气雾化粉快速冷却并将粉末破碎的更细小；
• 硬质合金都是利用还原法获得后再进行研磨细化，不论PM/MIM都一样；
• 羰基法则仅用在铁、镍的高纯粉末之获得；钛合金与高活性合金的MIM粉末就必须采用气体保护的方式；
• 粉末与成型助剂的混合。PM大多采用简单的滚筒混合，大多采用干式混合，除了硬质合金以溶剂采用湿法混合；MIM就分为水基（金属较不采用水以免生锈)、蜡基、塑基三种聚合物的添加来制作射出用的喂料，因此MIM原料制配设备远高于PM的设备，产出效率也比较低。

生坯成型

• PM使用立式压机根据产品尺寸大小，搭配模具和模座的设计甚至需要高度高于5米以上，主要在制品的阶段多层（模具根据需要分为多段上下，上冲头目前最多3段、下冲头最多5段）设计，并可能利用侧向气缸来协助额外的产品特征需求，主要还是PM的工艺粉末流动性无法如液体般传送均匀的压力；MIM的喂料因为加热后产生液化，因此可以均匀的传送成型压力使产品密度均匀。
• PM的压机设备价格不比MIM射出机便宜，在设备选型上更为复杂；
• 因此PM着重在模架与模具的搭配，比起MIM直接采用塑胶用的模具较为复杂。

热程序──第一步与第二步脱脂

• PM的粉末粒径大导致孔隙大，加上成型助剂占比很小，因此不需要脱脂（或称排胶）；
• 硬质合金就必须如MIM的方式缓慢的在低温(>600℃)以每分钟0.5-1℃、并分段保温缓慢的脱脂；
• MIM目前采用二步式脱脂，根据黏结剂的不同，第一步脱脂对于蜡基料首先要进行溶剂脱脂（低于60℃的溶剂中浸泡），而塑基料则进行酸催化脱脂(90-140℃)，然后脱除剩余高温骨架剂则在真空烧结炉或是正压炉（连续式或批次式）进行第二步热脱脂到600℃才完全到脱除黏结剂并保持产品几何特征的对称性。

热程序──烧结

• PM大多不使用批次炉不代表不可用，主要PM制品重量大、数量庞大，需要较为经济型的烧结方式，网带炉、推舟炉为主要，温度并高于1200℃为主。烧结炉的保护气大多以氨(NH3)分解得到氮气与氢气；
• 硬质合金大多使用石墨真空炉，烧结温度要大于1500℃，气体使用氮气与真空不用气体；
• MIM分为两大炉型，批次型的石墨或金属热场真空脱脂烧结炉以及连续型的陶瓷热场步进梁(Walking beam)连续炉，烧结温度在1250-1400℃之间，石墨热场炉使用氩气与氮气两种、金属热场炉与步进梁连续炉均使用氢气、氩气与氮气三种气体。

写在最后──总结

2023年7与8月是Dr. Q重新开始的时间，在台北进行了全口牙齿的重建，牙齿内的材料已经更换成MAM制作的钛合金(Ti-6Al-4V, TC4)牙根与骨架、AM制作的光固化树脂假牙，未来六个月后要把上排牙齿更换成氧化锆(ZrO2)，刚好利用这进一个月的休息来写出本期内容并督促赵硕士一起完善本次的几篇报告。科技再怎么进步，其基础就是数学、物理与化学，并组合文字与绘图，这些基础学科都是在学生生涯反复演练的，甚至到了工作职场也一样。

搬出耀德讲堂的箴言分享给我所有的读者，我们要做S.M.A.R.T.的工作，那就是：

• See（观察）；
• Minute（纪录）；
• Analysis（分析）；
• Research（研究）；
• Try（尝试）。

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