粉末射出成形設計：節省時間、降低成本和 提高質量的10項規則（下篇）
上篇為2019/2月刊
規則6：在設計階段考慮檢查和驗證要求
毫無疑問，3D CAD建模的革命性發展使復雜零件的設 計變得更加容易。當結合MIM的設計能力，能夠創建 複雜的幾何形狀，具有混合表面等功能，可用於視覺上 吸引人的功能組件，這是非常有用和普遍的。
作為範例，圖8中扳機上的彎曲手指表面具有從尖端到 基部不斷變化的半徑。雖然很容易用3D軟件創建這種 類型的表面，但檢查此一表面要困難得多，這就產生了 品質控制問題。考慮到：
•將使用什麼方法進行檢查？比測器覆蓋？光學檢測加上 CAD分析？這些方法是否具有足夠的精度以滿足所需的 統計分析？ •雙方是否具有相同的檢查能力？零件製造商和零件購 買者之間的結果是否相關？ •零件上是否有可靠的基準點以精確定位零件以供檢查？ •每個零件的檢查時間是多少？什麼是抽樣計劃？檢查 能否經濟實惠地完成？
討論這些問題的時間是在項目開始之前。許多設計師並 不知道他們的組件具有會造成檢查困難的屬性。通常， 這些難以檢查的要求對於零件性能並不重要，因此在出
現複雜情況之前可以建立相互可接受的要求。在第一 篇文章中討論解決這些問題對各方來說都是不合時宜 的。
規則7：不要忽視分型線、頂出銷和澆口需要
所有具有成型技術經驗的工程師，無論是塑料、壓鑄 還是MIM，都意識到傳送材料通過模具，創造出您需 要的零件：
•通過進膠點口(灌注口)將材料引入模腔 •請記住，模具必需要打開，這會在模具的不同部分相 互接觸的位置產生分型線(或稱分模線) •請記住，射出後零件需要頂出，由頂出銷/頂出刀片 等來推出。 •澆口位置，頂出針位置和分模的分型線都會對零件品 質、模具成本和刀具壽命產生重大影響。
必須—但同時也很容易被忽視—就這些要求提前達成 協議，來自模具和零件設計的所有各方(圖9)
各方都會有爭議的觀點。例如，創建模具的最簡單方 法通常是將澆口或分模線放在關鍵表面上。如果這會 產生零件功能不可接受的變化，則替代方案可能是放入滑塊或其他模具元件，從而使模具成本更高，交貨 時間更長等。
對於要避免的這些問題：
•設計人員必須告知哪些零件表面至關重要
•模具製造商必須告知他們計劃如何創建模具模腔
•MIM零件生產商必須配合設計師和模具製造商的顧 慮，同時確保結果將成為最大化生產率和可重複性的可靠模具 James: 這些都可以在製造可行性設計書 (Design For Manufacturing， DFM) 上往來於客戶的設計師和我 們的工程師的溝通。
規則8：認知到MIM零件收縮期間沒有任何好處發生
有一句古老的說法，適用於有人在深夜做了一些事情： “在午夜之後沒有任何好事發生過。”MIM過程可以 做出類似的說法。 “收縮期間沒有任何好事發生。”
除了少數例外，任何熔融材料佔據的體積將隨著凝固 而降低。這對於諸如金屬壓鑄和塑料射出成型的成型 技術是一件好事，因為體積的減小使得在凝固時噴射
的零件得以釋放應力。這些技術中的收縮率通常在 0.5％-1.5％範圍內，但有一些例外。在MIM加工中， 收縮率要大得多(圖10)，並且組件收縮有幾個階段：
8.1射出後的收縮 MIM零件將從模具模腔尺寸縮小到成型零件。其作用 類似於塑料模塑零件，但在MIM加工中，收縮率相 對較低，在0.3％-0.5％範圍內。收縮率的變化會影 響最終尺寸，特別是如果在模塑過程中熔體溫度控制 較差，但它通常是整體尺寸變化的次要因素。
8.2脫脂後的收縮 這一步也是整體收縮的一個小的貢獻因素，並且在某 些原料系統中，將導致尺寸增長而不是收縮。此步驟 的變化通常很小。
8.3燒結後的收縮 從模腔尺寸到成品的MIM收縮的主要因素是在燒結， 因為相對低密度的模塑零件(例如，對於鋼MIM餵料 來說，5.0 g / cm3並不罕見)緻密化為高密度(> 7.5 g / cm3)典型的燒結零件。這可以導致15-20％的線性收縮，這比大多數其他模具或鑄造技術的收縮率高 得多。
雖然MIM收縮在維護良好的過程中是可重複的，但 必須認識到它會增加零件的變化。通常，尺寸越大， 出現問題的可能性越高，例如陶瓷爐托盤上的拖曳、 零件翹曲或重力效應。這些是常見現象，需要在產品 開發週期的早期確認為可能的變化量。 (Dr. Q 重力/ 摩擦力(射出過程與燒結過程)與相變化是MIM的敵 人。)
規則9：選擇可以壓整的材料
Dr. Q：MIM和所有金屬加工工藝包含金屬3D打印 都一樣，後製成對於整型與切削都是必要的手段，不 要以為直接就可以獲得產品，對於那些一心認為3D 打印可以直接可獲得發亮的表面的觀眾，您的想像是 電影情節~~
對於復雜零件，可以安全地假設MIM工藝期間會出 現一定程度的翹曲或變形，因為零件從其模製到燒結 狀態會收縮15-20％。校正失真的一種方法是將零件
物理移動回原始的非失真幾何體。該操作通常被稱為 壓整，並且在MIM工業中非常普遍。
圖11顯示了一個獲獎零件，此零件要求在燒結變形 後進行壓整以正確地重新排列其“U”特徵。壓整的 要求是在操作期間超過材料的屈服強度。如果在壓整 期間施加的力不會顯著超過材料屈服強度，那麼該零 件將表現出彈性回彈並儘力恢復其燒結尺寸。減少回 彈變化的一種方法是選擇具有最低燒結屈服強度的合 金，以滿足零件材料 要求。
例如，316L 和 17-4PH 是常見的 MIM 合金，都是有 效的耐腐蝕不銹鋼。如果應用對強度和硬度的要求相 對較低，那麼選擇316L是合理的，因為它的燒結屈 服強度要低得多。如果是經過壓整，它將比17-4 PH 更能好好地保持所需的形狀。
規則10：在零件設計中考慮模具填充完整性
增加合適的MIM市場的一種方法是擴展MIM應用的 設計範圍。儘管您想要採用更具挑戰性的零件，但必 須注意確保零件能夠以足夠的材料完整性進行模製。而這可能導致成型或加工問題的屬性包括：
10.1薄片特徵 許多MIM餵料將填充薄至0.3mm的部分，但填充距 離越長，挑戰就越大。非完全填充模穴將可能是一個 問題。
10.2焊縫線(結合線) 這些發生在註射期間兩股單獨的材料流動前沿相遇的 地方(例如：在銷周圍流動的材料)並且可能導致強 度和表面精度降低。
10.3內部尖轉角 這些總是會增加應力並導致裂開和較低的強度性能， 因此在模具中引入半徑(最小半徑為0.1 mm)將有助 於大大降低風險。
10.4 適當的排氣間隙 當模腔填充有熔融原料時，腔中夾帶的空氣將形成壓 力並需要逸出以使材料完全填充模腔。排氣間隙可以 小至 0.01 毫米 (0.01mm)，只允許空氣逸出，同時足 夠緊，以防止餵料穿過排氣間隙形成飛邊或毛邊。
結論
雖然MIM組件在我們的日常生活中都處於我們身邊， 從智能手錶外殼到家用鎖機構、汽車組件再到拯救生 命的手術設備，而設計工程師卻在教育和培訓期間通 常很少或根本不接觸該技術。因此，對於那些希望首 次實施該技術的人來說，通常會有一個陡峭的學習曲 線。正如本文所強調的那樣，設計人員需要考慮“MIM 設計”的基礎知識，就像他們在採用AM (增材製造) 之前需要考慮“設計增材製造”一樣; 任何製造工藝
都是如此。如果有一條明確的訊息要從本文中獲取， 那麼對於最順暢的MIM旅程，只要您認識到您的零 件採用MIM的首選，就與MIM零件生產商洽談。在 開始時討論這裡提出的問題的時間將在您的零件的整 個生命週期中節省時間和金錢，並打開您以前可能從 未考慮過的設計思路。■