粉末注塑最早於1950年代興起. 1985年由台灣大學退休教授黃坤祥教授從美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute, 簡稱RPI)的大師R. M. German教授的粉末冶金實驗室, 將金屬粉末注塑(Metal Injection Molding, 簡稱MIM)引入中國大陸及台灣地區.
MIM的真正爆發期始於2008年, 美國蘋果公司(Apple Inc.)意識到粉末成形技術的重要性, 並展開長達幾年深入日本, 中國的調研. 蘋果公司從2011年開始使用MIM零件取代傳統壓鑄件, 作為蘋果手機和筆記型電腦的內外部零件, 從而MIM產業在近五年(2012~2017)呈現爆炸式的成長, 包含市場應用, 產品, 設備, 零件製造商, 以及後加工廠, 帶動了產業鏈的旺盛發展!
近5年來, 據不完全統計, 中國市場約暴增了150家MIM廠, 而日本從2008年之後, 其國內MIM製造的廠家呈現縮減的趨勢(目前僅剩21家);韓國的MIM廠則不超過10家;新加坡僅有的4家MIM廠, 也在安徽設下了中國分廠.
火爆市場背後的原因
筆者認為, MIM在中國的火爆發展, 主要得益於以下幾項因素.
首先是催化脫脂大時代的來臨. 最近, 中國幾家喂料廠正邁向更低收縮比(Oversize Shrinkage Factor, OSF<1.165)以及复合脱脂法(溶剂脱脂 催化脱脂)，这是中国PIM产业技术突进的活力象征!
其次是蘋果公司選擇了大中華區作為組裝生產基地, 使位於中國華南地區的MIM製造廠家獲得優勢.
中國MIM廠的設立初期僅有數家大型MIM廠, 但近五年國產智能手機的需求也開始採用MIM產品, 加上早期可穿戴產品如智能手錶, 都集中在珠三角, 因此當今MIM工廠密度最高的地方: 第一集中地區在東莞市長安鎮, 第二集中地是深圳市沙井鎮.
而人料機法的二大關鍵——料與機的優化和本土化. 無論是原材料還是注塑機設備, '中國製造' 都在努力追趕國際水平.
此外還有一些特殊物資, 例如鎢粉, 這並不是其他國家地區可以擁有的條件, 鎢在中國江西算是大宗物料, 還有鎳, 中國北方的鎳礦也數一數二, 世界最大的鎢粉和鎳粉供應都是集中在中國.
近年由於手機設計朝著薄型化的方向發展, 對手機零件的寬和高都開始講究, 恰好利用鎢合金的比重高, 相同的體積有金屬的二倍以上重量, 可以讓手機的設計產生重量偏移, 利用鎢合金製作不平衡配種讓手機跌落時刻意撞擊堅固的位置, 避免玻璃屏幕的破裂, 這是一個新的商機.
另外, 現在中國擁有充足的並且願意工作的勞動人口, 包含管理人才, 工程師和基層勞動者, 他們也都在努力推進技術的更新換代.
未來的 PIM 產品 —新材料
MIM技術特色: ①定單量適度(注意: 美國的MIM廠所謂產量定義是每年萬件以上便是大量, 而MIM教科書說每一批次1000件就可以接單);②難加工材料, 包含高硬度, 高強度以及非自然比例合金;③形狀越複雜為主.
很多人都在好奇, 下一個MIM明星產品是什麼?筆者看好以下材料:
鎢與鎢合金
在前面略為提到了高比重鎢合金的優勢, 這裡再補充的當屬燒結鎢合金. 過去已經被拋棄的球磨粉末機, 溶劑脫脂和熱脫脂, 預燒結設備, 氨裂解以及氫氣供給設備, 又要重新去找出來, 因為單只燒結鎢是不可能的, 必須利用鎳, 銅, 鐵, 鈷, 鉬等元素產生液相燒結把鎢顆粒沾粘起來(吃過花生糖吧?花生就好比是鎢, 麥芽糖則是那些液相元素).
2015年的鎢合金配重與馬達震動子(振動馬達的需求)正被蘋果炒熱起來. 雖然是曇花一現, 但也證明MIM確實可以對應硬質合金和高比重和金的產品有快速爬升產能的能力.
無鎳不鏽鋼
在當前被廣泛應用的醫療用奧氏體不鏽鋼316L和硬化型17-4PH, 鎳是一種重要的合金化元素. 鎳的主要作用是使不鏽鋼形成穩定的奧氏體結構, 從而改善不鏽鋼的耐腐蝕性, 可塑性, 可焊接性和韌性等性能, 常溫狀下穩定的奧氏體結構還可使不鏽鋼具備無導磁性.
但是, 鎳則是一種潛在的過敏因數, 在西方大量的臨床表現證實鎳及其化合物會對人類產生危害. 最常見的損害是接觸性皮炎, 發病率較高, 過敏性強者會發生濕疹.
目前歐盟已經下達鎳禁止令, 於2016年底前徹底執行, 取代的方案是採用高氮無鎳的鉻錳鉬鋼, 這恰是MIM技術的強項.
相信不用到明年, 這個材料如合作日常生活與工業應用的金屬零件, 應該是明星級的材料, MIM廠要提早準備了!高氮無鎳的不鏽鋼配方目前還是巴斯夫的專利, 專利保護期也即將過期, 應該可以讓市場放大吧.
銅與黃銅, 鈦與鈦合金
金屬類的應用具備無導磁性, 對於3C產品是很好的材料, 由其MIM技術關注點在於經濟又實惠, 銅合金應該是一個很好的選項, 可惜的是過去銅合金的燒結很少人關注, 主要在於水暖器材類的銅合金可以經過壓鑄(Die Casting)實現, 純銅的燒結不是一般燒結爐可以做到, 必須採用壓力大於一大氣壓以上的高壓燒結爐, 不是一般工廠可以設置的, 主要是銅(及其合金)的蒸汽壓低, 還沒有到達燒結溫度汽化就相當嚴重, 除了爐壁容易汙染外, 產品很容易燒不緻密.
PIM International 雜誌2015第一期報導, 全世界MIM/PM粉末消耗最大還是中國大陸地區和台灣地區, 但顯然只有偏重在熱管和散熱片, 以及小部分的青銅自潤軸承與過濾器, 對於銅與銅合金的MIM產品, 還有待開發. 通常, 這種材料要寄望蘋果電腦的採用才有快速身價上揚的機會.
鈦和鈦合金則一直是明星材料, 只不過價格過高, 粉末來源受到限制, 因此工業應用都局限在航空扣具, 特殊零件, 以及醫療器械和植入物, 少部分用來做可穿戴產品, 卻因為鈦的外觀很容易灰化導制裝飾不夠好看, 很多以不鏽鋼拋光加以上PVD錆黑色來說是鈦合金, 那隻有表面薄薄一層的鈦化物, 不足以稱為鈦合金. 我們也期待市場的開拓與無鎳不鏽鋼的時代來臨, 高強度和相對低比重的鈦有其優異的機械與人體親合性能, 來期待MIM鈦零件的上市吧!
光, 電, 磁不分家, 功能性金屬與陶瓷來襲
2017年起被討論最多, 最神秘又最熱門的, 相信就是功能性材料, 由於眾多特殊的應用, 相關的材料如各種有色金屬合金, 功能陶瓷等等. 舉例如鈷鉻鉬合金(CoCrMo)或是鈷鐵(Hiper Co)的軟磁材料, 陶瓷可就更是五花八門.