近十年MIM的產品應用Part IV：治具與工具

■耀德講堂 / 邱耀弘 博士

楔子

有道是：「若想得知識，臺下十年功；讀者要輕鬆，請花十分鐘」，來看看Dr. Q接下來連續數個月的系列專欄報告，充實一下金屬注射成形(MIM)產品的知識。專欄內容會盡量把文字縮減，並放入精彩的圖片，最後會在Dr. Q的2023年11月做一個總結。這些產品的內容包含以下：「Part I. 轉軸」、「Part II. 縫紉機配件」、「Part III. 菜刀與指甲刀」、「Part IV. 治具與工具」、「Part V. 奢侈品牌包的扣件與標牌」、「Part VI. 高爾夫球桿頭配件」、「Part VII. 齒輪」。

Part IV. 治具與工具

在1972年MIM工藝發明之後，金屬零件可以被如塑膠注射一樣的製作出來，這引起金屬加工與塑膠製品業的不小震驚與騷動！隨著MIM技術的推廣與時俱進，尤其是最近十年(2012-2022)在移動通訊的電子產品助攻之下，MIM技術和產品能見度大幅提高，且盛況空前。今天要談的對MIM工藝而言是比較大且重的零件──治具(Jig)與工具(Tooling)，利用MIM成型複雜的幾何形狀協助產品在加工或組裝過程的進行，取代治具與工具過去採用鑄造、焊接或大量機械加工的做法，尤其是針對近代智慧型手機的生產有重大的貢獻，Dr. Q隨後說明。

設計理念

治具，是日文的漢字直接翻過來的，在大陸稱呼為夾具或是工裝（因工作目的之裝載器具，又為製造上所有工具器具的總稱），通常指在批量生產時用於快速的定位與緊固的夾持住加工物，以便於加工（包含車削、鑽孔、銑削、焊接、披覆塗層等）、組立(Assembly)或檢測（電路、尺寸、其他品質）的專用工具。在這裡提一提有趣的中文，我們經常讀到加個具的名詞，例如：工具、治具、夾具、模具、廚具、釣具、文具、玩具、茶具……等各種具，都是人類針對特定作業目的所發展的工具，在中文的字義先冠首字就很容易明白這個工具的使用場景與目的。所以，各種具的大集合名詞仍是工具，提供人們工作（娛樂也算）的便利器具必然有其特殊的幾何形狀來達到目的，那麼利用注射成型以模具製作特定幾何形狀的MIM工藝便成為複雜金屬治具的一種優選方式。

再者，MIM自從導入塑基喂料系統之後，生坯強度增加且脫脂效率也跟著提升，這使得設計在大厚度(>5mm)與大重量(>50g)成為可能，將MIM製程用來製作治具與工具就非常的合適。因此，除了複雜幾何造型與快速複製之外還有許多好處，例如許多治具與工具使用網格支架或稱拓樸(Topology)結構的設計中，如圖1，MIM工藝便可以精確複製並得到設計的形狀，可以避免傳統機械加工的大量材料切削、鑄造砂模坍塌與灌注不全的缺陷，省下後續加工時間與材料的浪費。再者，利用同一模具可以直接更換不同強度的材料，增加設計上的彈性，因此MIM工藝在近年來逐漸被廣大的治具與工具製造業所接受。

常見的MIM治具與工具設計

玩具拆解工具
如圖2所示，Dr. Q因為經常接觸德國品牌 Playmobil玩具人偶並成為它的粉絲（Fans，迷戀的追捧者），此玩具人偶如果能夠經由頭部的拆解，便可以自由地更換包含頭、手臂、身體、中心支架以及腳，進行變更與重新組合增添樂趣。在過去並沒有適當的工具，因此Dr. Q便採用MIM工藝設計了這個「拔頭器」，用來拆解其頭部。這便是一種利用MIM工藝設計日常生活使用工具的範例。

夾緊治具
圖3便屬於一種夾緊治具，作為智能手機的最終製程──膠合固化的夾緊功能，眾所周知由於智能手機玻璃面板是一片平面或曲面的光滑玻璃，在玻璃的光滑表面無法有任何的緊固機構能夠與其結合，因此利用高科技的透明光學膠作為大面積貼合成為唯一的辦法來固化玻璃面板，這些膠的固化時間必須超過12小時，因此設計金屬治具作為緊固智能手機膠合后的作業成為必要的工具。這些治具本身有許多網格孔洞，除了可以減輕治具的重量之外，在結構上需要很多定位與螺絲孔、觀察孔甚至需要穿透UV（紫外光線），足夠的厚度提供高強度以防止溫度變化導致的變形。

鍍膜或噴漆用的遮蔽治具
如圖4所示的PVD遮蔽治具（由於實物不能展示，僅能採用專利示意圖給各位讀者看），這些作為多數重複性特徵、具有複雜且3D造型的工具，經常需要重複的使用在鍍膜或噴漆的場合，每經過數次的作業必須進行表面清潔，例如酸洗、溶劑浸泡、脫漆劑浸泡等，以確保特徵不會受到鍍膜或是噴漆加厚而影響實際產品的裝填與遮蔽的效果。因此治具要經過製程與後續清潔的各種應力、溫度等物理作用，並且還可能通過化學藥品的浸泡，採用MIM工藝以不鏽鋼製作成為最佳的不二選擇。

Part IV.小结

治具和工具都是為了特殊的工作目的所發明與設計的一種專用器具，必須講究包含物理上的強度、抵抗不變形，溫度變化可以忍受高低溫差，還要接受化學藥劑的清洗、浸泡等，治具和工具本身的特徵型狀與其尺寸位置都不能變化，才能提供有效的重複性特徵服務人類。有了有如塑膠零件注射成型一樣的設計自由度，MIM工藝提供了設計師們創新的解決方案，包含了許多方面的考量，本次就分享到此，讀者們可以多多參考。

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