第46卷 第2期
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作者简介：王如波（1981-），男，高级工程师，主要从事注塑机技术应用研究工作。 收稿日期：2018-12-04
1 PIM 工艺介绍
粉末注射成型技术（Powder injection molding，简称PIM ），它是一种新的金属、陶瓷零部件加工技术，将塑料注射成形技术引入到粉末冶金领域而形成的一种全新的零部件加工技术。PIM 技术，包括金属粉未注射成型（Metal Injection Molding ，MIM ）与陶瓷粉未注射成型（Ceramics Injection Molding ，CIM ）两部分。 在传统加工技术中，对于复杂的零件，通常是先分解并制作出单个零件，然后再组装；而在使用PIM 技术后，完全可以考虑将其整合成完整的单一零件，这样大大减少了生产步骤，简化了加工程序，节约成本，提高效率。这样的技术特点使得该工艺技术特别适合大批量生产小型、精密、三维形状复杂以及具有特殊性能要求的金属和陶瓷零部件的制造。
金属粉末注射成型技术（Metal Injection Moldin g ，MIM ）
，是一种适于生产小型、三维复杂形状以及具有特殊性能要求制品的近净成形工艺。如图1所示，MIM 的基本工艺过程是：将各种微细金属粉末（一般小于20 μm ）按一定的比例与预设黏结剂（各种热塑性塑料，蜡及其他材料）均匀混合，制成具有流变特性的喂料，通过注塑机注入模具型腔（或多模型腔）成型出零件毛坯，毛坯件经过脱除黏结剂和高温烧结后，即可得到微观组织均匀、材料高度致密的各种金属零部件。
陶瓷粉末注射成型技术(Ceramic Injection Moul ding ，简称CIM )，是类似于20世纪70年代发展起来的金属注射成型(MIM )技术，它们均是粉末注射成型
(PIM )技术的主要分支，均是在聚合物注射成形技术比较成熟的基础上发展而来的。由于它能生产复杂形状制品，且尺寸精度高，机加工量少，表面光洁，适合批量生产，成本低，因而成为当今国际上发展最快、应用最广的陶瓷零部件精密制造技术。这一陶瓷制备技术在氧化铝陶瓷生产中的应用尤其广泛。以下图2是CIM
的基本加工工艺示意图。
图2 CIM 加工工艺示意图
PIM 工艺流程中使用的黏结剂，经历早期、中期、近期三个阶段。早期是将近100%外购射料（喂料）,
粉末注射成型技术的研究和应用
王如波，王勇，顾涛
(宁波海天塑机集团有限公司长飞亚技术科，浙江 宁波 351821)
摘要：介绍了粉末注射成型技术的概念和工艺，包括金属粉末注射成型（MIM ）、陶瓷粉末注射成型（CIM ），讲述了黏结剂的使用发展情况；阐述了粉末注射成型专用注射成型机的特点，PIM 粉末注射专用塑化系统，PIM 专用料斗滑块装置，镶套式机筒座等，介绍了PIM 技术在诸多行业中的应用，3C 行业，医疗行业，汽车行业等，并展望了PIM 研究的发展方向。
关键词：粉末注射；PIM ；CIM ；MIM 中图分类号：TQ320.662
文章编号：1009-797X(2020)02-0022-06
dc-dc变换器
文献标识码：B
DOI:10.13520/jki.rpte.2020.02.004
图1 MIM 基本工艺流程图
主要是采购德国巴斯夫(BASF )的塑基系统。这样操作，优点很明显，不需要调料，不用高阶材料研发人员，工艺也相对比较单纯，但是材料的成本就非常昂贵，也无法对成分进行微调，技术上完全受别人控制。中期的时候，可以少量的采购台湾公司和日本公司的配方，这种配方以蜡基系统为主。这样可以大幅降低射料成本，可对金属材料微调，技术上也可以自己掌握，不过一定要有高阶材料研发人员配合，另外必须对工艺严格控制。近期，国内也进行了自主研发，主要以塑基和蜡基并行为主。通过自主研发，大大地提升了自主能力，促进了产业和上下游的结合。不过目前的国内技术，还有很大的提升空间，特别是精密检验这一块。
塑基黏结剂以石蜡为主要组元的特点：
（1）黏结剂以石蜡为主要组元，配方容易获得；（2）流动性好，混炼设备简单，投入较少；（3）注射坯外观好，强度低；
（4）一般采用溶剂脱脂，难于实现脱脂过程的连续化生产。
塑基黏结剂（以塑料POM 为主要组元）的特点：（1）黏结剂以塑料（POM ）为主要组元，配方难掌握；
（2）流动性较差，对粉末形貌要求高，混炼设备投入较大；
（3）注射坯强度高，外观易出现流纹；
（4）采用酸催化脱脂工艺，可以实现脱脂过程的连续化生产。
PIM 工艺流程中使用的混炼机，主要是国产和日本生产两种。
图3是国产混炼机。可混炼体积为 5 L ，铁系列金属射料每次可混20 kg ，约2 h 内完成1
次。
图3 国产混炼机
图4 是日本生产的混炼机，可混炼体积为3 L ，电麻机
铁系列金属射料每次可混13 kg ，约2 h 内完成1
次。
图4 日本生产的混炼机
PIM 技术的工艺优势：（1）一次成型复杂零件;（2）大批量生产成本低;
（3）光洁度好，精度高（±0.3%~±0.1%），一般无需后续加工;
（4）产品强度、硬度、延伸率等力学性能高，耐疲劳，组织均匀;
（5）原材料利用率高（>95%），生产自动化程度高，工序简单。
PIM 技术结合了粉末颗粒处理与塑料注射成形两大技术的优点，突破了传统粉末模压成形工艺在产品形状上的限制，同时利用了塑料注射成形技术能大批量、高效率成形具有复杂形状的零件的特点，成为现代制造高质量精密零件的一项洁净成形技术，具有常规粉末处理、机加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。
2 PIM 专机介绍
PIM 工艺适用的材料非常广，包括低合金钢、不
锈钢、工具钢、镍基合金、钨合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、精细陶瓷等。产品广泛应用于军工、航空航天、电子通讯、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域。
海天国际作为中国粉末注射成型联盟PIMA -CN 的创始者之一，旗下高端品牌长飞亚全电动注塑机是PIM 行业专用注塑设备指定供应商。我们坚持不懈的致力于研发卓越的注塑技术，成功地推出了PIM 粉末注射专用注射成型机（简称PIM 专机），为PIM 产业提供了性价比极高的解决方案。
PIM 专机主要有以下几个特点：
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（1）PIM 粉末注射专用塑化系统；（2）PIM 专用料斗滑块装置；（3）镶套式机筒座；（4）抽真空装置；
（5）合模动板配置直线导轨。
2.1 PIM 粉末注射专用塑化系统2.1.1 PIM 专用螺杆
根据PIM 粉末的特点，原料中塑基成分很低，大部分为不可压缩的硬质粉末，螺杆的压缩比不宜过大
（一般1.6~2.0左右）；同时为有效防止少量的塑基降解，影响黏结效果以及后续回料使用次数，螺杆压缩不能太剧烈，压缩段长度大幅拉长；考虑到硬质粉末的传热性能远优于塑料，因此很容易达到均化的程度，相应的计量段长度也可以减少（10%左右）甚至没有；PIM 螺杆设计的总体原则就是尽可能降低塑基的降解，因此长径比、电热功率均不宜过大。采用全硬TGS2/TGS3等高耐磨材质同如图5
所示。
图5 PIM 专用螺杆
2.1.2 PIM 料筒
（1）采用双合金料筒。
（2）部分客户回料不重新造粒或者粉碎不均的，料筒下料口采用拉槽处理，如图6所示。
图6 PIM 料筒
2.1.3 PIM 专用组合式喷嘴
PIM 原料冷却之后具有很高的硬度，喷嘴跟模具接触前，如不将黏在上面的料清理干净，很容易将喷嘴撞成缺角，导致无法封胶；针对这一情况，采用两截式喷嘴，便于更换以及降低更换费用，同时提高喷嘴头的硬度（采用TGS3材质），使之更耐用，见图7。
2.1.4 PIM 专用三小件
采集重构（1）因PIM 原料中大量的是硬质粉末，流动性很差，标准的止逆行程容易导致出料不畅，螺杆前端堆积大量粉末造成卡死，因此需适当加大通流量，一般根据不同直径增加止逆行程，如图8所示。
（2）PIM 原料中硬质粉末的颗粒度常规的在20~50 μm ，
因此标准的止逆间隙（止逆环与料筒间隙）
会导致止逆环卡死，从而剧烈磨损螺杆头与止逆环接
图7 PIM 专用组合式喷嘴
图8 PIM
专用三小件
触面，见图9。因此，需适当放大止逆间隙，同时又需保证注射保压精度。
（3）在高速注射过程中PIM 原料的硬质粉末流过止逆间隙时，会对止逆环外表面形成强烈的冲击，导致外径磨损且表面坑洼，如图10。经分析
图10 无缓冲区 图11 有缓冲区
及测试，最终在止逆环上设置缓冲区（两端倒小角度），改变冲击力方向，取得明显的效果，见图11。2.2 PIM 专用料斗滑块装置
考虑到PIM 工艺适用材料的特殊性（粉末状），将标准的轴承式料斗滑块装置更改为无轴承式滑块装置，滑块和底板采用耐磨的材料，有效的保证了料斗滑动顺畅。
2.3 镶套式机筒座
通过在机筒座上增加特制的不锈钢套，提高了下氢氧化钴
模精度和平稳性。对有些产品精度要求非常高的客户，特别是陶瓷插芯类产品（顶针只有几个丝，开合模稍有不平顶针容易断），合模部分动模板下部安装直线导轨，很好的保证了开合模精度，运动顺畅平稳，磨耗少，长时间维持精度，提高制品精度，如图13
所示。
图13 线规版合模结构
3 PIM 的行业应用介绍
3.1 3C 产品
剥开光鲜亮丽的智能手机时尚外壳，内部是朴实无华的技术在支持——MIM 金属粉末注塑成型技术。
3.2 汽车产品
汽车产品如图15所示。
机遇：订单大、产品种类多、订单稳定；挑战：安全性要求高，要求提升MIM 材料的成
形及烧结、组织性能，后续处理及表面处理要求高。
图9 螺杆头和止逆环
料效率，另外也有效地防止因下料口生锈而污染原料，如图12所示。（PIM 塑基目前主流采用POM 原料）
。
图12 不锈钢套
2.4 抽真空装置
抽真空装置通过专用的真空发生器、压力传感器来实现抽真空。针对复杂的形状的产品和超薄产品填充困难的情况，采用模具抽真空辅助设备，形成模腔内负压，这可以大大降低填充过程的阻力，以达到降低产品内应力，从而使PIM 喂料充分填充模具，并降低开模后变形的问题。
2.5 合模动板配置直线导轨
长飞亚以往的电动注塑机上，合模部分动模板都是通过底脚滑块在底箱钢带上滑动，来实现开合模移动的。由于开合模动作非常频繁，周期很短，导致钢带和动模板底脚滑块摩擦力大，磨损严重，影响开合
第46卷 第2期便携式鱼缸
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3.3 医疗产品
图16
为手术刀，长飞亚出品。手动注油器
图16 医疗产品
3.4 五金工具
五金工具如图17
所示。
图17 五金工具
机遇：多样性，稳定的市场，逐渐增长。
挑战：产品种类繁多、订单量小，结构复杂，成本高，需较强的研发能力。
3.5 光纤产品
光纤产品如图18
所示。
图18 光纤产品
（1）产品内孔直径只有0.08 mm ，模具上应用0.08 mm 的针，因此对开合模精度要求高，防止断针。
（2）机器性要求超高，注射精度、塑化稳定性等要求高。
（3）螺杆耐磨性要求高，并且螺杆止逆环与料筒之间的间隙要求在一定的区间内。
P I M 是一种难成型小型材料制品的成型技术，为新产品开发，新材料研制提供了又一途径，不断开发新的原料粉末的制造方法，新的黏接剂种类、配方及相关的流变学灯光基础研究，改进工艺流程、降低成本，专用设备的国产化等，是P I M 技术发展的方向。
随着人们对粉末注射成型的进一步研究、开发和应用，PIM 技术将在不远的将来真正成为一种可以与机加工、精密铸造、压制/烧结工艺平行发展的一种具有吸引力的近净成型技术，会被越来越多的零件设计人员所了解和接受，满足国家通讯、机械、医疗、航空航天等行业、领域对高性能异形零部件的需求，将我国的零件部件加工制造业提高到一个崭新的水平。参考文献：
[1] 宋久鹏.粉末注射成型. ISBN 9787111348139 机械工业出版社.
[2]
王兴天.注塑技术与注塑机. ISBN 7-5025-7160-4 化学工业出版社
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图14 3C 产品
图15 汽车产品
