型創科技 / 劉岩 技術副理
序言
金屬粉末注射成型（ 簡稱MIM 工藝， 或稱Metal powder Injection Molding）是將傳統粉末冶金技術和塑膠射出成型技術相結合所產生的一種新的零部件加工成型技術，也是目前世界較熱門的成型技術之一。該技術的特點是適用材料範圍及應用領域寬廣，適合薄壁、結構複雜的零部件的批量化生產，且生產的產品尺寸精度高、性能優越。
MIM 工藝是集成塑料成型工藝學、高分子流變學、粉末冶金工藝等多學科交叉滲透所得的產物，其產品在電子信息、通訊設備、生物醫療器械、智慧鐘錶及航空航太等領域被廣泛應用。該工藝技術不僅具備傳統粉末冶金工藝工序少，效益高的優點，也成功克服傳統工藝不易成型薄壁、複雜結構的缺點。
發展
隨著產業發展，利用金屬粉末注射成型的產品與系統均趨向於微型化，產品的結構變得越來越小。近年來在微型工程中的三維微型複雜元器件發展迅速，如傳感器和加速器上的微型結構、微型流體原件等。然而傳統加工技術如：微型切削、雷射切削、矽刻蝕技術以及LIGA 都無法滿足技術和量產的要求，且在加工材料上也受到很大的侷限。因此需要更加精密的成型工藝並且選用奈米級的專用射出料。針對重量小於0.1g 的微型件的成型，由於產品尺寸小，喂料填充模腔的工藝更為複雜，為了保證產品的性能及尺寸精度，因此開發出更高要求的成型工藝，可稱為微型金屬注射成型工藝（簡稱μ-MIM 工藝，即Micro-MIM）。
由於尺寸精度等要求的提高，微型金屬注射成型工藝的模具設計顯得尤為重要。模具流道系統及冷卻系統的設計需考慮喂料在模腔充填時可能發生的剪切生熱或在後續產品冷卻脫模時的溫度不均等問題發生。同時為了使產品具備不同金屬材料的性能，又在μ-MIM工藝的基礎上開發出2C-μ-MIM 工藝（Component，組分），也就是將具備不同性能的兩種金屬粉末按一定比例相結合，最終達到改善優化產品各項性能的目的。這種工藝是利用在一個模腔內同時注射並結合兩種材料，使微型零件集成多重功能，製成具有緊密連接的材料界面的最終形零件。
工藝流程
結合2C-MIM 的μ-MIM 工藝流程步驟與傳統金屬粉末注射成型相近，具體如下：
- 金屬原料粉末製備：將兩種金屬粉末按一定比例進行配料，利用高能球磨機進行球磨混合，得到合金粉末；傳統MIM 工藝使用金屬粉末顆粒尺寸一般在0.5 ～ 20μm，而μ-MIM 選用的粉末顆粒尺寸一般在5μm 以下。為了進一步提高性能，在此基礎上進一步開發出亞微米或奈米級的專用注射料。
- 黏結劑的製備：將石蠟及對應塑膠高分子原料按一定比例混合，得到黏結
- 喂料的製備：將合金粉末與黏結劑混合均勻，得到喂料，喂料中合金粉末占比一般在50% ～ 65% 之間。
- 射出成型：在射出機上進行喂料的成型，設定對應的成型工藝，脫模後得到注射坯。
- 脫脂燒結：將注射坯在對應試劑環境下進行脫脂並烘乾。注射坯在經脫脂和預燒結後，在燒結爐中進行燒結及保溫。
- 熱處理：燒結後的產品，在一定的溫度環境下進行熱處理，得到最終所需的零件。
圖1：微型金屬注射成型應用在齒輪等零件 [ 1]
工藝特性
對於μ-MIM 生產工藝，常常需要調整黏結劑的混合物，以改良其流動性保證充填微型型腔的同時可以安全取出高强度的注射坯。當零件的聚合物含量高並且使用細小顆粒粉末時，應考慮採用較長的脫黏時間。為避免零件產生裂紋，溶劑脫黏的溫度與熱脫黏的加熱速率均應比常規MIM 工藝時更低。為避免在兩種材料共同燒結時，在分界面處產生應力或裂紋，需注意材料燒結與收縮量的相似度。通常可利用改變注射料的化學組成、粉末粒度、粉末裝載量及調整燒結溫度進行優化。
總結
目前μ-MIM 工藝仍在開發培育中，受原料及工藝等約束還未大量應用普及。且因不同材料的性質差異，導致在成型後零件出現開裂、分層及變形等不良問題。如何製備具優異物理性能的先進材料以及降低成型工藝的限制性是該工藝在未來大量應用的首要前提。μ-MIM 大大提高了金屬與合金用於微型應用的可利用性，產品具有高溫穩定性、强度與韌性等優異性能。而且目前研究方向不僅侷限於金屬與合金粉末的結合，還發展到金屬和陶瓷粉末之間的結合。由於μ-MIM 工藝的獨特能力，可不用任何組裝作業（如焊接、鉚合、緊固裝配等），就能夠使一個零件具有不同的材料性能，因此，未來μ-MIM 工藝一定會進一步擴大MIM 產業的應用市場。
資料來源:
[1].圖1、圖2 引自https://www.sohu.com/a/161643066_675698
文章來源：SMART Molding雜誌