TWI598161B - 金屬射出與反壓系統及其方法 - Google Patents

Description

金屬射出與反壓系統及其方法

一種金屬射出與反壓系統及其方法，其係利用反壓氣體影響金屬射料，而使金屬粉末能夠均勻分布，進而增加拉伸強度，以及改善燒結後收縮不均之系統與方法。

金屬射出成型係一種結合塑膠射出成型、高分子聚合物與金屬粉末的技術。該技術係將金屬粉末與結合劑，經過混合、混煉、加熱及造粒等工程製成射出成型原料，再透過高精密特製模具(射出機)成型為生胚，並經脫臘脂或燒結，或自動化快速製造高密度、高精度且形狀複雜的金屬零件。該技術具減少傳統金屬加工的程序與成本之優點。最後依照產品功能及規格需求，必要時進行第二加工程序，例如熱處理、表面處理等。

雖金屬射出成型係屬於精密加工技術的一種，但如現今所有射出成型之成品所可能遭遇的問題，亦可見於金屬射出成型，如收縮率與翹曲變形量。故如何克服金屬射出成型所可能遭遇的問題，就有可以討論的空間。

有鑑於上述之課題，本發明之目的在於提供一種金屬射出與反壓系統及其方法，其係於金屬射出成型時，加入反壓氣體，以 使金屬射料於推進時較為緊實，進而增加拉伸強度，並增加金屬射出成型時，金屬粉末於射料中的均勻性，當金屬粉末均勻分布時，其可改善燒結後收縮不均。

為了達到上述之目的，本發明之技術手段在於提供一種金屬射出與反壓系統，其包含有：一顆粒提供總成；以及一成型單元，其具有一熔融模組、一反壓模組與一模具模組；其中，該顆粒提供總成係提供顆粒給該熔融模組，該顆粒具有金屬粉末與結合劑，該熔融模組係使該顆粒形成為熔融流體，該熔融流體係提供給該模具模組，該反壓模組係提供一具有預定壓力之反壓氣體給該模具模組，該熔融流體係於該模具模組凝固為一生胚。

本發明復提供一種金屬射出與反壓方法，其步驟包含有：提供顆粒；以及生胚成型，顆粒係提供給一熔融模組，以使該顆粒形成為熔融流體，該熔融液體係注入一模具模組，一反壓模組係提供一具有預定壓力之反壓氣體給該模具模組，該熔融流體係凝固為一生胚。

綜合上述，本發明之金屬射出與反壓系統及其方法，其係於金屬射出成型的過程中，增加一具有預定壓力之反壓氣體，而使生胚的密度提升。因受到反壓氣體的壓力影響，金屬射料於推進時較為緊實，進而增加拉伸強度，故藉由反壓氣體，其可增加金屬射出成型時，金屬粉末於射料中的均勻性，當金屬粉末均勻分布時，其可改善燒結後收縮不均。

10‧‧‧混合單元

11‧‧‧混煉單元

12‧‧‧粉碎單元

13‧‧‧造粒單元

14‧‧‧成型單元

140‧‧‧熔融模組

1400‧‧‧供料噴嘴

141‧‧‧反壓模組

1410‧‧‧反壓氣體源

1411‧‧‧壓縮機

1412‧‧‧高壓氣體控制閥

1413‧‧‧第一分流閥

1414‧‧‧氣體溫度感測器

1415‧‧‧控制器

142‧‧‧模具模組

1420‧‧‧第一半模

1421‧‧‧第二半模

1422‧‧‧模穴

1423‧‧‧射料道

1424‧‧‧模穴感測器

1425‧‧‧模穴溫度感測器

1426‧‧‧氣道

1427‧‧‧模溫機

143‧‧‧高溫氣體單元

1430‧‧‧空氣壓縮機

1431‧‧‧空氣乾燥器

1432‧‧‧流量計

1433‧‧‧第二分流閥

1434‧‧‧加熱器

144‧‧‧控制閥

15‧‧‧脫脂單元

16‧‧‧燒結單元

17‧‧‧顆粒提供總成

S1~S3‧‧‧步驟

A~I‧‧‧曲線

第1圖為本發明之金屬射出與反壓系統之示意圖。

第2圖為一高溫氣體模組與一模具模組之示意圖。

第3圖為本發明之金屬射出與反壓方法之流程圖。

第4圖為一生胚密度比較圖。

第5圖為一經脫脂後之生胚密度比較圖。

第6圖為一經脫脂後之生胚經燒結後之密度比較圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容，輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

請配合參考第1圖所示，本發明係一種金屬射出與反壓系統，其包含有一混合單元10、一混煉單元11、一粉碎單元12、一造粒單元13、一成型單元14、一脫脂單元15與一燒結單元16。

混合單元10係將金屬粉末與結合劑予以混合，以形成混合粉末。結合劑為石蠟與高分子材料之組合或高分子材料。高分子材料能夠為聚丙烯。金屬粉末的比例為50%~70%，較佳為55%、60%、65%或70%。若結合劑為石蠟與高分子材料之組合，高分子材料的比例為19%~29%，較佳為20%、22%、24%、26%或28%，石蠟的比例為11%~21%，較佳為12%、14%、16%或18%。於本實施例中，金屬粉末與結合劑的比例係僅供說明，在實際操作時，其會依產品種類或狀況調整比例，故不將結合劑與金屬粉末之比例限制於本案，特先陳明。

混煉單元11係接收混合粉末，並將混合粉末以高溫攪拌，以使結合劑能夠均勻地分布於金屬粉末的表面，以形成混煉粉末。

粉碎單元12係接收混煉粉末，並將混煉粉末於以粉碎，以形成粉末。

造粒單元13係接收粉末，以使粉末形成為顆粒。造粒單元13、粉碎單元12、混煉單元11與混合單元10係能夠被視為一顆粒提供總成17。

成型單元14具有一熔融模組140、一反壓模組141、一模具模組142與一高溫氣體模組143。熔融模組140係接收顆粒，以使顆粒形成為熔融流體。熔融流體係提供給模具模組142。反壓模組141係提供一反壓氣體給模具模組142，熔融流體係於模具模組 142凝固為一生胚(Green Part)。

請配合參考第2圖所示，若更進一步論述，熔融模組140具有一供料噴嘴1400。

模具模組142具有一第一半模1420、一第二半模1421與一模溫機1427。

第一半模1420具有一模穴1422、至少一模穴溫度感測器1425、至少一模穴壓力感測器1424與一氣道1426。模穴溫度感測器1425與模穴壓力感測器1424係設於第一半模1420的內部，並相鄰於模穴1422。氣道1426係相通模穴1422。

第二半模1421具有一射料道1423、至少一模穴壓力感測器1424與至少一模穴溫度感測器1425。當第一半模1421與第二半模1421閉合時候，設料道1423係相通模穴1422。供料噴嘴1400係延伸至射料道1423，以將熔融流體注入模穴1422中。

模穴壓力感測器1424係感測模穴1422之壓力的變化，以進一步控制反壓氣體的注入時機。

模穴溫度感測器1425係訊號連接模溫機1427，模穴溫度感測器1425係感測模穴1422之溫度變化，以進一步控制高溫氣體的注入時間。

反壓模組141具有一反壓氣體源1410、一壓縮機1411、一高壓氣體控制閥1412、一氣體溫度感測器1414、一控制器1415與一第一分流閥1413。反壓氣體源1410係以管線耦接壓縮機1411，以讓壓縮機1411能夠加壓來自反壓氣體源1410的氣體。壓縮機1411係以管線耦接高壓氣體控制閥1412。高壓氣體控制閥1412係以管線耦接氣體溫度感測器1414與第一分流閥1413。高壓氣體控制閥1412與氣體溫度感測器1414係訊號連接控制器1415。控制器1415係接收氣體溫度感測器1414所感測的氣體溫度，以及控制控制閥1412之開度。

高溫氣體模組143具有一空氣壓縮機1430、一空氣乾燥器1431、一流量計1432、一第二分流閥1433與一加熱器1434。

空氣壓縮機1430係以管線耦接空氣乾燥器1431，以讓空氣乾 燥器1431能夠乾燥來自空氣壓縮機1430所壓縮的空氣。流量計1432係以管線耦接空氣乾燥器1431，以使流量計1432能夠計量來自空氣乾燥器1431之空氣量。流量計1432與第一分流閥1413係以管線耦接第二分流閥1433。第二分流閥1433係以管線耦接加熱器1434。

第一分流閥1413與加熱器1434係以管線耦接控制閥144。控制閥144係以管線耦接氣道1426。

如上所述，當模具模組142合模後，第一分流閥1413係使來自控制閥141之高壓氣體進入第二分流閥1433，而來自流量計1432之氣體係流入第二分流閥1433。高壓氣體係與氣體混合，並流入加熱器1434，以形成一高溫高壓氣體。高溫高壓氣體係流入控制閥144，再經由控制閥144的控制，以經由氣道1426流入模穴1422中，以加熱模穴1422。

或者來自流量計1432之氣體係流入第二分流閥1433，並被加熱器1434所加熱，再由控制閥144所控制，以經由氣道1426流入模穴1422中，以加熱模穴1422。

當模穴1422中具有熔融流體，來自第一分流閥1413的高壓氣體係流入控制閥144，並被控制閥144所控制，以經由氣道1426流入模穴1422中，該高壓氣體係為反壓氣體。該高壓氣體的壓力為1~300bar，其係依據實際狀況，而非被本案所限制。

脫脂單元15係接收生胚，並以一預定溫度對生胚進行脫脂。

燒結單元16係接收經脫脂的生胚，並以一預定溫度對生胚進行燒結，經燒結之生胚係形成為一成品。

請配合參考第3圖與第1圖所示，本發明係一種金屬射出與反壓方法，其步驟包含有：

S1，提供顆粒，將一預定比例之金屬粉末與結合劑，以一混合單元10予以混合，而形成混合粉末。混合粉末係提供給一混煉單元11，以一預定混煉溫度進行混煉，以使混合粉末形成為混煉粉末，該預定混煉溫度為180℃~220℃，較佳為190℃、195℃或200℃。混煉粉末係提供給粉碎單元12，以將混煉粉末粉碎為粉 末。粉末係提供給造粒單元13，以使粉末形成為顆粒。或者一顆粒提供總成17係進行上述之混合、混煉、粉碎與造粒之動作，而使金屬粉末與結合劑形成為顆粒。

S2，生胚成型。顆粒係提供給熔融模組140，以使顆粒形成為熔融流體。熔融液體係注入模具模組142，反壓模組141係提供一具有預定壓力之反壓氣體給模具模組142。熔融流體係凝固為一生胚。該預定壓力為45bar至200bar。

S3，進行生胚脫脂與燒結。生胚係提供給一脫脂單元15，以第一預定溫度進行脫脂，該第一預定溫度為40~60℃，較佳為45℃、50℃或55℃。

若結合劑為高分子材料與石蠟，則脫脂程序係分為冷脫脂與熱脫脂兩個部分。首先進行冷脫脂，先將生胚進入一溶劑中，以使石蠟脫離生胚。再進行日熱脫脂，將生胚以第一預定溫度進行脫脂，其係使高分子材料脫離生胚。

若結合劑為高分子材料，則進行一酸性氣體脫脂，酸性氣體係使的高分子材料脫離生胚。

經脫脂的生胚係提供給一燒結單元16，燒結單元16以第二預定溫度對生胚進行燒結，而使生胚燒結為一成品，該第二預定溫度為1250℃~1500℃，較佳為1300℃、1350℃、1380℃、1400℃或1450℃。

如上所述，本發明係以一金屬拉伸試片進行說明，該金屬拉伸試片之生胚的尺寸為110.05mm×23.05mm×4mm狗骨頭型式片。經燒結後收縮率為15%。

如第4圖所示，其為一生胚密度比較圖。曲線A係表示熔融流體於模具模組142時，反壓模組141未提供反壓氣體，生胚於近澆、中間與遠澆三個區域之密度分佈。曲線B係表示熔融流體於模具模組142時，反壓模組141係提供一壓力為50bar之反壓氣體。曲線C係表示熔融流體於模具模組142凝固成型時，反壓模組141係提供一壓力為100bar之反壓氣體。

如第4圖所示，當反壓氣體之壓力較大時，生胚的密度就越 大，反之若無反壓氣體提供時，生胚的密度就越小。

如第5圖所示，其為一經脫脂後之生胚密度比較圖。曲線D係表示上述之曲線A之生胚於脫脂後的密度分佈。曲線E係表示上述之曲線B之生胚於脫脂後的密度分佈。曲線F係表示上述之曲線C之生胚於脫脂後的密度分佈。

如第5圖所示，當反壓氣體之壓力較大時，經脫脂之生胚的密度就越大，反之若無反壓氣體提供時，經脫脂之生胚的密度就越小。

如第6圖所示，其為一經脫脂後之生胚經燒結後之密度比較圖。曲線G係表示上述之曲線D之生胚於燒結後的密度比較圖。曲線H係表示上述之曲線E之生胚於燒結後的密度比較圖。曲線I係表示上述之曲線F之生胚於燒結後的密度比較圖。

如第6圖所示，當反壓氣體之壓力較大時，經燒結之生胚的密度就越大，反之若無反壓氣體提供時，經燒結之生胚的密度就越小。

綜合上述，本發明之金屬射出與反壓系統及其方法，其係於金屬射出成型的過程中，增加一具有預定壓力之反壓氣體，而使生胚的密度提升。因金屬粉末與結合劑在反壓氣體的影響下，金屬粉末與結合劑所可能產生之粉膠分離的情形係大大降低，主要原因在於澆口附近之剪應力降低的緣故，導致結合劑的黏度不會突然驟降，所以降低收縮不均勻所造成的凹陷或變形之缺陷。並且受到反壓氣體的壓力影響，金屬射料於推進時較為緊實，進而增加拉伸強度，故藉由反壓氣體，其可增加金屬射出成型時，金屬粉末於射料中的均勻性，當金屬粉末均勻分布時，其可改善燒結後收縮不均。

以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧混合單元

11‧‧‧混煉單元

12‧‧‧粉碎單元

13‧‧‧造粒單元

14‧‧‧成型單元

140‧‧‧熔融模組

141‧‧‧反壓模組

142‧‧‧模具模組

143‧‧‧高溫氣體單元

15‧‧‧脫脂單元

16‧‧‧燒結單元

17‧‧‧顆粒提供總成

Claims (8)

1. 一種金屬射出與反壓系統，其包含有：一顆粒提供總成；以及一成型單元，其具有一熔融模組、一反壓模組與一模具模組；其中，該顆粒提供總成係提供顆粒給該熔融模組，該顆粒具有金屬粉末與結合劑，該熔融模組係使該顆粒形成為熔融流體，該熔融流體係提供給該模具模組，該反壓模組係提供一具有預定壓力之反壓氣體給該模具模組，該熔融流體係於該模具模組凝固為一生胚。
2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬射出與反壓系統，其更包含有一脫脂單元與一燒結單元，該脫脂單元係接收該生胚，並對該生胚進行脫脂；該燒結單元係接收經脫脂之該生胚，並對該生胚進行燒結，以使該生胚形成為一成品。
3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬射出與反壓系統，其中該顆粒提供總成具有一混合單元、一混煉單元、一粉碎單元與一造粒單元；該混合單元係將金屬粉末與結合劑予以混合，以形成混合粉末；該混煉單元係接收該混合粉末，並將該混合粉末以高溫攪拌，以形成混煉粉末；該粉碎單元係接收該混煉粉末，並將該混煉粉末於以粉碎，以形成粉末；該造粒單元係接收該粉末，以使該粉末形成為顆粒。
4. 一種金屬射出與反壓方法，其步驟包含有：提供顆粒；以及生胚成型，顆粒係提供給一熔融模組，以使該顆粒形成為熔融流體，該熔融液體係注入一模具模組，一反壓模組係提供一具有預定壓力之反壓氣體給該模具模組，該熔融流體係凝固為一生胚。
5. 如申請專利範圍第4項所述之金屬射出與反壓方法，其中該預定壓力為45bar至200bar。
6. 如申請專利範圍第4項所述之金屬射出與反壓方法，其中於 該提供顆粒之步驟中，一顆粒提供總成係對金屬粉末與混合劑進行混合、混煉、粉碎與造粒之動作，而使該金屬粉末與該結合劑形成為顆粒；或者一預定比例之金屬粉末與結合劑，以一混合單元予以混合，而形成混合粉末，該混合粉末係提供給一混煉單元，以一預定混煉溫度進行混煉，以使該混合粉末形成為混煉粉末，該混煉粉末係提供給一粉碎單元，以將該混煉粉末粉碎為粉末，該粉末係提供給一造粒單元，以使該粉末形成為顆粒。
7. 如申請專利範圍第4項所述之金屬射出與反壓方法，其更具有一進行生胚脫脂與燒結之步驟，該生胚係提供給一脫脂單元，以一第一預定溫度進行脫脂，經脫脂的生胚係提供給一燒結單元，該燒結單元以一第二預定溫度對該生胚進行燒結，而使該生胚燒結為一成品。
8. 如申請專利範圍第7項所述之金屬射出與反壓方法，其中該生胚脫脂係依序進行一冷脫脂與一熱脫脂；或者該結合劑為高分子材料，則進行一酸性氣體脫脂，該酸性氣體係使的該高分子材料脫離該生胚。