臺灣博碩士論文加值系統

金屬粉末射出成型(Metal Powder Injection Molding, MIM)為結合塑膠射出成型特性與粉末冶金材料狀態、特性的近實形(Near Net-Shaped)成型技術。製程包括由粉末與添加劑之混煉造粒、模具設計、射出成型、脫脂、燒結與二次加工，涵蓋多項工程，獲得穩定品質實屬不易，尤其在射出成型階段，金屬粉末與添加劑結合之材料以高溫、高壓射入常溫之模穴，這兩種比重截然不同的材料，其填充過程充滿變異。因此本研究希望能在射出成型階段時找出射出參數最佳化，進而提升燒結後的產品良率與機械性質，可以減少材料之浪費。
本研究針對不同射出參數包括射料溫度、射出速度、模具溫度的條件變化，對不銹鋼金屬粉末射出製程的初胚、溶脫後、燒結後之產品進行不同區域之密度與拉伸強度、硬度的量測，由此希望能獲得燒結後產品之最佳化品質研究也對MIM 的計算機輔助工程( Computer Aided Engineering, CAE)分析模擬技術進行開發，藉由材料測試建立MIM配方之剪切黏度資料庫。最後使用電腦化數值控制(Computerized Numerical Control, CNC)切削原316L不鏽鋼的拉伸試棒與MIM製程之產品進行機械性質比較。
研究結果顯示，針對不銹鋼金屬粉末射料溫度200oC，射出速度10%，模具溫度30 oC的參數條件，不論是初胚、溶脫後之胚體、燒結後的產品，其密度、硬度及抗拉強度均是最佳的。在分析方面整體金屬粉末密度分佈趨勢與實驗相似。MIM產品與CNC原鋼材機械性能的比較，發現MIM最佳參數的密度達到CNC原鋼材98.7%，抗拉強度達到CNC原鋼材99%與延伸率達到CNC原鋼材92.4%。

Metal Injection Molding (MIM) is a near net shape molding technology which combines plastic injection molding characteristics and powder metallurgy properties. Since MIM involves widely process: granulating, molding design, injection molding, de-binding, sintering and secondary processing, it is hard to have stable quality in final product. Especially, the warpage defect usually appears after de-binding and sintering, which is difficult to remedy. This study aims to improve MIM green part quality in injection molding step, enhance mechanical properties, and increase the productivity of a good final part as well as
reduce the waste of material.
This study uses several parameters, including melt temperature, injection speed and mold temperature. It measures density, tensile strength, and hardness of green part, brown part and final part in different regions, which are all made by stainless steel using MIM. By studying optimal final part quality through this experiment, it also helps to develop CAE simulation for MIM technology. The material formulation input into the material database in CAE software is established by material testing in advance. Furthermore, in order to compare the mechanical properties of MIM part with a real part made of stainless steel, a block of 316L raw stainless steel was cut in a shape of tensile specimen, same as its counterpart, using Computerized Numerical Control (CNC) cutting
machine.
These experimental results show that density, hardness, and tensile strength of green part, brown part, and final part are optimal using melt temperature at 200oC, injection speed at 10%, and mold temperature at 30oC. In simulation, metal powder density distribution trends under different settings are similar to experimental ones. Comparing the mechanical properties of MIM product to its CNC-cut raw steel counterpart, the product density, tensile strength, and elongation in MIM under optimized parameters can reach up to 98.7%, 99.0%, and 92.4% of raw steel, respectively. The aforementioned results indicate that MIM can produce a part with properties close to its raw metal product made by CNC.

目錄
中文摘要 I
Abstract II
致謝 IV
目錄 V
表目錄 IX
圖目錄 X
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2金屬射出成型簡介 2
1-3文獻回顧 4
1-4研究動機與目的 6
1-5本文架構 7
第二章 金屬射出成型製程原理 11
2-1前言 11
2-2 黏結劑材料對於製程之影響 11
2-3 射出成型影響MIM之因素 13
2-3-1 高分子配向性 13
2-3-2 射出成型參數 13
2-3-3 射出成型缺陷 14
2-4 射出成型後製程之影響 15
2-4-1 脫脂製程 15
2-4-2 燒結製程 17
2-5 量測原理 18
2-5-1 拉伸強度 18
2-5-2 密度量測儀 19
2-5-3 體積分率運算方式 21
2-5-4 硬度量測儀 21
第三章 實驗設備與研究方法 28
3-1 實驗材料 28
3-2 實驗設備與儀器 28
3-2-1射出成型系統設備 28
3-2-2 脫脂燒結設備 29
3-2-3 量測設備 29
3-2-4 模具設計 30
3-3 研究方法與量測方法 31
3-3-1 研究方法 31
3-3-2 量測方法 31
第四章 製程參數對於金屬射出成型品的影響 49
4-1 前言 49
4-2 製程參數對於不同階段產品之影響 50
4-2-1製程參數對於初胚產品影響 50
4-2-2製程參數對於溶脫後產品影響 51
4-2-3製程參數對於燒結後產品影響 52
4-3 製程參數對於金屬產品之機械性質影響 53
4-3-1 製程參數對於燒結後產品硬度探討 53
4-3-2 製程參數對於燒結後產品拉伸試驗探討 54
4-4 金屬射出成型與傳統機械加工機械性質之探討 55
4-5 金屬射出成型分析模擬驗證 56
4-5-1 Moldex3D模擬分析 56
4-5-2 金屬射出成型實驗與分析模擬驗證 57
第五章 結論與未來發展 75
5-1 結論 75
5-2 未來發展方向 75
參考文獻 77
作 者 簡 歷 80

 
表目錄
表2-1理想的黏結劑 23
表3-1金屬射料量測表 33
表3-2台中精機VS-100K規格表 33
表3-3桀陞企業JSW-1518E規格表 34
表3-4 MIM用真空燒結爐規格表 34
表3-5 Hitachi S-3000N SEM規格表 35
表3-6 金屬射出成型製程參數表 36

 
圖目錄
圖1-1金屬射出成型優勢圖[1] 9
圖1-2金屬射出流程圖[2] 9
圖1-3金屬射出缺陷圖[3] 10
圖2-1金屬射出流動行為 24
圖2-2射出成型產生缺陷之原因 24
圖2-3射出成型參數的組合對於成型缺陷的影響 25
圖2-4熱脫脂三階段圖 26
圖2-5 應力-應變圖 27
圖3-1 316L不鏽鋼金屬射料圖 37
圖3-2金屬射料熱傳導係數圖 37
圖3-3金屬射料黏度圖 38
圖3-4金屬射料PVT圖 38
圖3-5金屬射料比熱圖 39
圖3-6台中精機VS-100圖 39
圖3-7桀陞企業JSW-1518E圖 40
圖3-8 泰銘精密工業股份有限公司自製溶脫爐 40
圖3-9島津真空燒結爐 41
圖3-10燒結完示意圖 41
圖3-11燒結溫度壓力曲線 42
圖3-12萬能材料試驗機 42
圖3-13密度量測儀 43
圖3-14數位電子秤德國路易LB-210S 43
圖3-15 Wolpert洛式硬度儀 44
圖3-16 Hitachi S-3000N 電子顯微鏡與E-1010 鍍金機 44
圖3-17模具設計三視圖 45
圖3-18金屬拉伸試棒(初胚)尺寸圖 45
圖3-19實驗流程圖 46
圖3-20密度量測分段圖 46
圖3-21溶脫後等待燒結圖 46
圖3-22 SEM量測擺設圖 47
圖3-23硬度量測位置 47
圖3-24延伸率量測 48
圖4-1不同材料溫度的初胚密度分布 58
圖4-2不同料溫的SEM圖(A)料溫190 oC (B) 料溫200 oC (C) 料溫210 oC 58
圖4-3不同射出速度的初胚密度分布 59
圖4-4 不同射速的SEM圖(A)射速10% (B)射速30% (C)射速50% 59
圖4-5不同模具溫度的初胚密度分布 60
圖4-6不同模溫的SEM圖(A)模溫30 oC (B)模溫40 oC (C)模溫50 oC 60
圖4-7不同材料溫度的溶脫密度分布 61
圖4-8不同射出速度的溶脫密度分布 61
圖4-9不同模具溫度的溶脫密度分布 62
圖4-10不同材料溫度的燒結密度分布 62
圖4-11不同射出速度的燒結密度分布 63
圖4-12不同模具溫度的燒結密度分布 63
圖4-13 不同材料溫度對於燒結後產品硬度之影響 64
圖4-14不同射出速度對於燒結後產品硬度之影響 64
圖4-15不同模具溫度對於燒結後產品硬度之影響 65
圖4-16不同材料溫度對於燒結後產品抗拉強度之影響 65
圖4-17不同材料溫度對於燒結後產品密度與抗拉強度之影響 66
圖4-18不同射出速度對於燒結後產品抗拉強度之影響 66
圖4-19不同射出速度對於燒結後產品密度與抗拉強度之影響 67
圖4-20不同模具溫度對於燒結後產品抗拉強度之影響 67
圖4-21不同射出速度對於燒結後產品密度與抗拉強度之影響 68
圖4-22 金屬射出成型與原鋼材整體密度之比較 68
圖4-23 金屬射出成型與原鋼材延伸率之比較 69
圖4-24 金屬射出成型與原鋼材抗拉強度之比較 69
圖4-25 Rhinoceros 5.0前處理軟體 70
圖4-26 量測節點位置 70
圖4-27 Rhinoceros 5.0前處理流程示意圖 71
圖4-28 Moldex3D分析流程示意圖 72
圖4-29 Moldex3D密度分佈結果示意圖 73
圖4-30實驗與分析之不同材料溫度的初胚密度分布 73
圖4-31實驗與分析之不同射出速度的初胚密度分布 74
圖4-32實驗與分析之不同模具溫度的初胚密度分布 74

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