金属粉末注射成型的主要设备及成型工艺

目录

• 6.1 介绍

• 6.2 注塑设备

• 6.2.1 传统注塑机

• 6.2.2 微型注塑机

• 6.2.3 模具

• 6.3 辅助设备

• 6.3.1 物料干燥

• 6.3.2 模具温度控制器

• 6.3.3 造粒机

• 6.3.4 零件拆卸

• 6.4 注射成型工艺

• 6.4.1 概述

• 6.4.2 成型参数

• 6.4.3 收缩 

• 6.4.4 PVT 效应

• 6.4.5 各向异性收缩

• 6.5 MIM中的常见缺陷

6.1 介绍

金属注射成型（MIM）是一种利用注射成型技术的巨大成型能力来制造结构金属部件的工艺。与热塑性塑料的模塑不同，模塑部件通常是最终产品，这些部件必须随后进行热处理，以去除聚合物并烧结致密成结构部件。热塑性和MIM工艺都利用温度和压力来形成部件，因此，这两种技术在形状成形科学方面存在相似之处。在本章中，从MIM的角度对注塑成型技术进行了回顾。在适用的情况下，将讨论与热塑性塑料成型的相似性和对比性。

以下第6.2-6.4节概述了注射成型过程中使用和需要的注射成型机和工具。重点介绍了往复式螺杆，因为这种配置在行业中占主导地位。

6.2 注塑设备

第一台注塑机于1872年获得专利。这台机器很简单，利用柱塞注射法填充空腔。该技术至今仍在使用，并且通常被称为低压注射成型，因为与往复式螺杆配置相比，该配置在注射步骤期间只能产生低压。这种低压或柱塞方法用于陶瓷和碳化物的粉末注射成型（PIM）。具有低粘度的蜡基粘合剂系统用于低压PIM技术。这些低压柱塞机还用于形成现代熔模（失蜡）铸造的蜡模。这些机器的初始资本成本和运营成本更低；然而，生产率和尺寸重复性都不如往复螺杆技术。1946年，美国发明家詹姆斯·沃森·亨德利发明了第一个往复式螺杆，用于加工热塑性塑料。螺杆和柱塞技术的结合存在于热塑性塑料和MIM的现代微成型技术中。尽管热塑性塑料的注射成型已经有100多年的历史，但注射成型工艺直到1979年才被公认为金属加工技术，当时MIM组件获得了两项设计奖；自那时以来，MIM已成为领先的网状金属成形工艺之一。

6.2.1 传统注塑机

金属和塑料注射成型使用基本相同类型的机器来生产接近净形状的部件。注射成型机由注射单元和夹紧单元组成。注射和夹紧装置由液压或机电力驱动，具体取决于机器的品牌和型号。还存在结合液压和机电特性的混合动力机器。图6.1显示了用于MIM的典型液压注射成型机的照片。

注射装置由筒体、加热带、料斗、喷嘴、螺杆和螺杆头组成。图6.1显示了典型的喷射装置部件配置。如图6.2所示，螺钉头由护圈、止回环和后座组成。螺钉头磨损严重，应密切监测尺寸变化，尤其是止回环与后座上的尺寸变化，这提供了密封，以便在高压下进行注射。这些部件对于向模具的熔体输送系统提供均匀的原料是必不可少的。注射装置的尺寸应确保喷丸尺寸为桶容量的20%-80%，但最终取决于原料中粘合剂系统的灵敏度和完全填充零件所需的体积。这确保原料有足够的时间达到平衡温度并限制粘合剂系统的降解。

夹紧装置由拉杆、压板和弹出系统组成。一些夹紧装置设计为没有系杆，这允许使用更大的工具，因为系杆不占用压板上的空间。夹紧装置是将模具安装到注塑机上的地方。拉杆间距和压板尺寸是可用于机床的刀具包络尺寸的限制因素。夹具吨位是限制部件在机器中成功运行的限制因素。如果机器夹紧吨位过低，部件将闪烁。闪光也可能由磨损的工具、装配不良的工具或其他工艺问题引起，如注射速度或包装压力过高。典型的吨位要求为每平方英寸转轮和零件投影面积约8-10吨。MIM部件通常在100吨或更低范围的压力机上制造；然而，大型压力机可用于特殊应用。

塑料注射成型机和MIM机之间最显著的区别在于注射单元和控制系统。用于MIM的机器的螺钉、螺钉头和机筒通常经过硬化，以抵抗注塑金属的研磨性。硬化和耐磨部件也适用于玻璃负载尼龙或其他含有研磨填料的化合物的机器。这些部件的磨损最常见于料斗正下方的螺杆进料区；这是合乎逻辑的，因为此时的材料还没有熔化，所以它表现得像固体。磨损的另一个位置将是止回环和阀座，因为在注射过程中，由于材料流经小间距孔口，止回环经历了大量的剪切，并且在每个循环中，阀座必须在MIM进料上关闭；因此，必须定期更换。MIM成型机应配备精确的螺杆位置调节控制装置，以确保更好的喷丸一致性，尤其是对于较小的部件；然而，标准控制系统对于许多MIM组件是足够的。精密的螺杆位置调节控制也用于高精度塑料注射成型；然而，由于MIM在烧结操作期间经历的大量收缩，在MIM工艺中不良成型工艺的影响加剧。这种收缩显著地受到模制部件的重量的影响，并且由于螺钉位置调节不良，重量变化更大。

图 6.1 注射单元配置

图 6.2 螺钉头配置

MIM的另一个考虑因素是螺钉配置。MIM材料通常对剪切敏感，比纯聚合物更不易压缩，因此对螺钉的要求不同。通常，螺杆有三个不同的区域：料斗附近的进料区、过渡区和螺杆尖端附近的计量区，如图6.1所示。这些不同区域的大小和深度影响物料的进料效果以及物料的剪切力。在最简单的意义上，压缩比是进料区和计量区的飞行深度之比。然而，只有当螺杆几何形状的飞行宽度和间距以及进给和计量区的长度相同时，这才是正确的。真实压缩比是进料区和计量区之间的航班内体积的体积比（Womer，2000）。压缩比越高，原料将经历更多的剪切加热和压缩。MIM螺钉使用的压缩比通常低于塑料螺钉。典型的通用热塑性压缩比为2.3，过程敏感材料（如聚氯乙烯（PVC）和液体硅树脂）的压缩比小于2.3，非敏感材料的压缩比可高达3.0。MIM材料压缩比通常在1.7-2.2范围内；然而，已经使用了更大的压缩比，并且在某些情况下可能是理想的，例如，在材料可能由于混合不良而具有大量气泡的情况下，可以使用更高的压缩比螺杆和具有较小剪切敏感性的材料更好地处理它们。

6.2.2 微型注塑机

可以使用常规成型机和专门为这种尺寸的部件设计的成型机来制造微型部件。当使用传统的成型机时，流道和部件必须具有足够大的射孔尺寸，以便在注射单元控制器上记录变化。这可以通过使用与感兴趣的部件相比更大的流道系统或使用小尺寸螺钉来实现。使用较大流道的方法的缺点是与较大流道相关的废料，尽管这种废料可以重复使用。此外，螺钉越小，螺钉尖端处的剪切速率越大，以获得与较大螺钉相比相同的体积填充速率。这种较高的剪切速率导致粉末/粘结剂分离，随后在螺杆尖端产生磨损。

市场上也有专门为微成型设计的机器。这些机器具有两级喷射装置。第一级由一个与往复式螺杆非常相似的螺杆组成。在这一阶段，材料被熔化并计量，以消除进入柱塞或螺杆配置的筒中的任何空隙。第二级柱塞或螺杆用于向腔中提供小的、非常精确控制的材料剂量。预计量的材料具有更均匀的一致性，具有很少的空隙空间，这在第二阶段注射期间提供了更精确的弹丸尺寸和压力控制。这些两级成型机通常比传统成型机更昂贵。微成型注射单元配置示意图如图6.3所示。第11章介绍了微组件的制造。

图 6.3 两段式微注塑成型的注射单元配置

6.2.3 模具

模具是塑料和MIM原料成功注射成型的重要因素。模具执行几个关键功能。它包含按比例放大的部件几何型腔和熔体输送系统，用作热交换器以移除或添加热量以确保无缺陷成型，与注射单元配合，承受夹紧力和注射力，并弹出成型部件。

设计模具时必须特别小心。部件必须易于弹出，以避免损坏生坯部件。热塑性注射成型和MIM之间的一个显著区别是，与大多数热塑性塑料相比，MIM材料非常脆，因此，允许容易弹出部件的工具至关重要。模具必须配备温度控制系统，该系统将为零件的所有区域提供均匀和足够的温度，以确保均匀的冷却速率，这会影响尺寸稳定性和缺陷形成。当模具无法充分去除熔融MIM化合物给工具带来的热量时，气泡是常见的缺陷。模具设计见第4章。

6.3 辅助设备

本节概述了注塑过程中使用和需要的辅助设备。

6.3.1 物料干燥

带有吸湿粘合剂系统的原料将要求原料在加工前干燥，特别是在高湿度、非空气调节的气氛中进行成型时。含有聚乙二醇（PEG）或聚乙烯醇（PVA）的典型系统将是干燥的候选系统。可使用干燥剂床或压缩空气干燥器完成干燥。干燥材料有助于消除与水分相关的缺陷，如气泡和粉末粘合剂分离。机器计量问题也可能是与水分相关的症状。这些问题通常在夏季潮湿的时候出现，在冬季干燥的时候消失。

6.3.2 模具温度控制器

模具温度控制器的主要功能是保持适合于被模制的部件和原料组合的期望模具温度设置。模具温度控制器使冷却流体循环通过模具的冷却回路，以在每个循环中为模具所经历的热通量提供平衡。通常为每个半模运行单独的模具温度控制器。这种设置允许更大的过程控制和可加工性。如果在模具的固定半部使用热浇道将熔融MIM原料带到分型线，则模具的这半部需要更大的冷却量，因此在这里使用单独的控制器将允许更精确地控制两个半模的温度。

6.3.3 造粒机

造粒机基本上是旋转研磨机，用于将废料零件和熔体输送系统（浇口和流道）研磨成原料尺寸的颗粒进行再加工。这允许模塑机减少浪费并更经济高效地生产部件。由于这些造粒机将用于切割装载有金属粉末的聚合物，因此切割刀片的磨损很大。因此，叶片应采用高耐磨性的硬质合金或工具钢制造。理想的设计是允许重新打磨刀片。许多制粒机的设计使得叶片磨损时必须完全更换。造粒机的最后一个考虑因素是使用易于彻底清洁的造粒机，以避免MIM材料之间的交叉污染。为每种材料或模具配备一台制粒机可能是可取的。

6.3.4 零件拆卸

一旦零件在工具中固化或固化，当机器使用半自动循环时，可以将其放入容器中，落在输送机上，或由机器人或操作员从成型机中取出。输送机可以是连续的和/或分度的。对于生坯强度高的零件，这是一种可接受的零件移除形式；然而，易碎部件或不需要外观缺陷（如“破碎”或“擦伤”）的部件必须避免这种技术。当出于成本考虑需要高度自动化时和/或当生坯强度低且零件容易受到接触损坏时，使用机器人。机器人允许将生坯部件精确放置到生坯加工站和/或烧结夹具中。

6.4 注射成型工艺

6.4.1 概述

一旦模具和桶达到模制平衡温度，模制过程开始。加热桶中的往复螺杆预示着所需的材料体积或丸粒尺寸，以完全填充浇口、流道、直浇道和型腔，但仍在螺杆前保持少量材料作为缓冲。缓冲垫对于提供充足的材料用于完整的零件填充至关重要，它可以适应任何原料变化。如果可用的缓冲垫不足，螺钉将在桶中底部，导致低质量组件、空隙和不完整的空腔填充。一旦达到喷丸尺寸，模具关闭，螺杆尖端现在通过止回阀或止回环充当柱塞，允许原料通过注射单元的喷嘴尖端注射到模具的直浇道、流道、浇口和零件几何形状中。如果正在模制的金属在止回环上形成瘿并导致止回环与筒体结合，或者如果原料特别容易发生剪切降解，则可以使用其他技术，例如涂抹尖端（这是一种锥形装置，用于代替注射螺杆排出端的止回阀）。这些最适合于粘度较高的材料和保持压力对完全填充模腔不那么重要的小零件。与传统的止回环和阀座配置相比，涂抹尖端的使用降低了可用的注射压力和保持压力，因为它允许材料流过。

将模腔填充至92%-98%满所需的时间称为填充或注射前向时间。填充时间由机器控制器上设置的注射速度曲线控制，并取决于熔体的粘度、流道和部件几何形状。该速度称为填充速率或填充速度。填充率可以用许多不同的方式来描述，这是一种艺术，因为它受到材料行为和工具配置的强烈影响。例如，在流道填充期间，轮廓可能会缓慢启动，以防止浇口缺陷和喷射到零件中，然后快速注射，最后在切换之前减速以保持压力。在其他情况下，填充速率被设定为首先以快速注入，以防止填充开始时零件中的流线或褶皱，然后在填充结束时速度降低。在完全填充部件之前，降低填充率对于减少零件过度填充或导致飞边的可能性至关重要。飞边是通过两个半模的分型线或沿着模具中的两块钢逸出的材料，例如沿着滑动面或沿着顶杆与其型腔之间的界面逸出。

一旦型腔充满92%-98%，该过程从速度控制填充阶段转移到压力控制阶段，该阶段完成填充型腔的最后2%-8%，并补偿由于原料在模具型腔中冷却时的压力体积温度（PVT）行为而产生的体积收缩。转换不会在100%满腔时发生，以避免过度填充腔，这通常会导致闪光。在最终填充和补偿阶段施加的压力通常称为保持或填充压力，持续时间称为保持时间或填充时间。保持时间是施加保持压力的时间，直到浇口冻结且原料无法再推入零件几何结构。闸门冻结研究（部件重量与保持时间）用于确定适当的保持时间。这确保了浇口被冻结，型腔被完全填充，一旦释放保持压力，任何材料都不能从模具型腔中逸出。图6.4显示了典型的闸门冻结研究。在所示示例中，保持压力需要保持3秒，以确保部件完全填充并避免凹陷缺陷。

零件填充和包装完成后，零件需经过一段冷却时间，以确保零件的生坯强度足以承受弹射力和移除。与冷却时间同时进行的是弹丸尺寸生成，这称为塑化。在塑化过程中，螺杆以设定的r/min往复运动，以在止回环前方挤压材料。在螺杆旋转过程中，材料必须克服机器控制器上设置的背压，以将螺杆推回枪管并产生所需的弹丸尺寸。背压产生额外的剪切加热，并确保原料完全压缩。增加背压可用于去除材料中的任何空隙。如果材料难以塑化或送入螺杆，则应降低背压。非常重要的是，设置r/min和背压，以便在冷却时间完成前2秒完成塑化，以确保循环时间一致。

一旦冷却时间和塑化完成，夹具减压，模具打开，生坯组件被弹出并移除，此时可以重复该过程。完整的成型周期如图6.5所示。

图 6.4 用于确定最佳包装时间的典型闸门冻结研究的图形表示。在这种情况下，3秒的保持时间是最佳的。

图 6.5 注塑工艺概述

6.4.2 成型参数

尽管模塑过程中有许多参数，并且所有这些参数在特定的模塑条件下都很重要，但最关键的模塑参数是模具和熔体温度、注射速度、转换点和方法、保持压力和时间以及冷却时间。请注意，由于所有这些参数都是相互关联的，因此下面的讨论将进行概括，这可能会使故障排除和流程优化变得复杂。例如，模具温度的升高可以提高完全填充部件的能力；然而，这可能被注射速度、转换压力和保持压力所掩盖。

模具和熔体温度

模具和熔体温度应设定在可生产无缺陷零件的温度。换言之，这些通常在工艺窗口内进行更改，以减少与温度相关的缺陷，如气泡、浇口瑕疵、短射、焊缝等。熔体温度通常比主链聚合物的熔融温度高10-20℃，主链聚合物是化合物中温度最高的聚合物。如果温度设置得太低，可能会出现流线等不良流动特性。此外，在太低的温度下，骨架聚合物可能在部件中表现为单独的股线，并在最终烧结产品中留下空隙。当材料在太低的温度或太短的时间下混合时，这也很明显。低温还表现为生坯质量的可变性和切换压力或位置的可变性，具体取决于切换方法。当温度过高时，材料将在工具中经历更多收缩，这可能导致开裂。此外，过高的温度会导致起泡缺陷、较低熔化温度的聚合物沿着分型线飞溅并进入顶杆和模腔块之间的界面，或者注射单元中的问题，其中粉末/聚合物分离会导致金属在螺杆的止回环上结块。此外，过高的熔体温度会导致聚合物载体的降解，并可能导致材料寿命短。

模具温度会影响部件的填充程度和无缺陷部件的生产。温度过低会导致部件无法完全填充，并产生流动缺陷。温度过高会导致起泡和闪光。

普通蜡聚合物系统的典型熔体温度为150-190℃，模具温度为25-55℃。催化系统的典型熔体温度为200-260℃，模具温度为100-150℃。

注射速度

MIM注射速度通常高于聚合物注射速度，因为与纯聚合物相比，原料的热导率更高。注射速度通常设置为完全填充部件而没有任何缺陷所需的最小注射速度。注射速度过低会导致表面缺陷，如流线、焊缝不良和填充不完整。如果注射速度太快，无法使模腔内的空气从模具通风口逸出，则注射速度太高会导致粉末/粘合剂分离导致飞边和浇口缺陷，并可能产生空隙。

切换点和方法

理想的注射成型工艺是在速度控制下将组件填充98%，然后将剩余2%的组件体积切换到包装控制。已经进行了许多研究，以评估在注射成型操作期间从速度控制切换到包装控制的不同方法。最重要的四种切换方法是位置、液压、时间和腔室压力。在这四种压力中，腔室压力是最可重复的。在该技术中，位于熔体流中的压力传感器用于检测压力，该压力用于向机器发出停止速度控制和开始包装控制的信号。该传感器可以位于喷嘴尖端、流道或部件腔中。部件型腔或流道是最精确的；然而，它是最昂贵的，因为它必须被合并到每个工具中，这是一个额外的工具费用。一般来说，越接近实际的元件腔，切换越准确。

使用位置切换是获得一致生产的一种实用方法。在该技术中，使用线性传感器发出螺钉已到达预选位置的信号。这种技术确保了螺钉在每个循环中都到达相同的位置，即使螺钉开始犯规。由于这种潜在的污垢，使用其他安全控制，如螺钉扭矩限制或切换压力的统计过程控制（SPC），以确保螺钉或螺钉尖端不会损坏。这种类型的安全控制也与压力传感器切换技术一起使用。

应避免时间和液压切换方法。时间切换使用喷射时间从速度控制切换到压力控制。该方法可以是可变的，因为由于材料的进给行为的变化，材料在切换时可能具有不同的压力。液压切换使用注射装置中液压的压力切换到组件控制填充。这种技术可以很精确；然而，在长期MIM生产过程中，如果止回环被污染，则螺钉在相同压力下不会到达相同位置，因此部件将开始失去质量或出现缺陷，如凹陷或短射。因此，MIM不推荐使用此技术。

保压和时间

保持压力和时间对于确保部件完全包装非常重要。通常，根据材料特性和工具配置，选择的保持压力与切换时的压力大致相同。相反的例子是部件几何结构，其可能具有难以填充的薄截面，但部件的厚度相对较低；在这种情况下，可能需要高的转换压力来获得填充，但可能需要低的保持压力，因为该部件不需要高压来补偿下沉形成，因为它是相对薄的部件。闸门冻结研究用于确定保持时间。保持压力或时间不足的迹象是空隙和下沉。保持压力或保持时间过大的迹象是翘曲、浇口缺陷和泛水。还可以对保持压力进行成型，以减少在随后的脱脂和烧结中可能表现为翘曲或开裂的模压应力。

冷却时间

冷却时间对于确保部件在喷射前完全固化非常重要。如果部件冷却时间过长或太短，则部件可能在弹出过程中损坏。冷却时间太短会导致损坏，如部件上的弹射销损坏或弹射翘曲。冷却时间过长会导致部件在喷射过程中破裂。当易损坏部件由于未充分固化而仍具有一定弹性时，可使用短冷却时间从工具上移除易损坏部件。模具关闭延迟也可用于此工艺步骤，以确保工具在下一个循环中冷却。

6.4.3 收缩 

MIM工艺的注射成型工艺条件的操作可以改变相关的体积收缩，从而影响最终烧结尺寸。例如，随着熔体温度、模具温度和零件厚度的增加，收缩量也随之增加。众所周知，聚合物具有正的热膨胀系数，并且在熔融状态下是高度可压缩的。因此，给定质量的材料所占的体积将随温度和压力而变化。多项研究表明，保持压力对塑料收缩的影响最大。所有研究都一致认为，增加保持压力会减少收缩量。图6.6概括了一些过程变量/收缩关系。这些收缩特性也被证明适用于MIM组件。

6.4.4 PVT 效应

对用于模具放大的MIM部件进行准确的线性收缩率预测，通常是通过估计烧结收缩率和原型制作或通过收集历史收缩率数据来实现。当开发一种新材料时，用于模具放大的烧结收缩率计算可能会低估最终的烧结收缩率，最高可达2%，因为它没有考虑成型过程中的收缩。历史上，线性收缩率（YS），如公式（6.1）所示，被计算为原料中粉末的初始固体负荷（j）、粉末的理论密度（ρt）和最终烧结密度（ρ）的函数，如以下公式所述。

图 6.6 不同工艺参数的典型收缩关系（Moldflow Pty Ltd，1991）

然而，当烧结收缩率（YS）用于模具放大（Zs）时，如等式（6.2）所示，发现部件尺寸过小。因此，工程师必须操纵工具尺寸、原料配方和烧结工艺，以达到设计工程师规定的目标尺寸。

可以通过考虑由MIM原料在注射成型过程中的PVT行为定义的与注射成型过程相关的收缩来校正部件收缩的不精确性。模塑收缩可以根据熔融粉末/粘合剂原料的PVT行为来估计，并与烧结收缩相结合以获得准确的收缩。PVT关系通常由二维图表示，如图6.7所示。聚合物行为系统（如MIM原料）的PVT图通常描绘了在不同压力等压线下相对于温度绘制的比体积。基本上，如果工艺条件和几个关键材料特性已知，通过使用这些数据，可以在PVT图上跟踪注塑过程。一旦在PVT图上跟踪循环，就可以通过从浇口冻结时的部件比体积（υgf）中减去平衡时的部件的比体积（νe）（点5）（点4）来预测部件的注射成型引起的体积收缩（Sv），如方程式（6.3）（Shay，Poslinski，&Fakhreddine，1998）所示，特定体积确实能准确描述零件的体积收缩，线性收缩（SL）对工具工程师更有用。

图 6.7 PVT图，带成型循环轨迹。1.熔体温度下桶中的聚合物，1-2。随着腔的填充，压力增加，2-3。切换到保持阶段，3-4。随着熔体凝固，压力降低，4。浇口冻结，4-5。零件收缩，直到达到平衡。基于Malloy，R.（1994）。注塑塑料零件设计。美国纽约：汉瑟/加德纳。

假设零件经历各向同性体积收缩，则线性收缩方程由等式（6.4）给出（Malloy，1994）

63vol%羰基铁蜡聚合物MIM原料的PVT图如图6.8所示。从该图可以看出与这些保持压力相关的不同保持压力和随后的比体积。通过将这些数据与实际测量的体积行为进行比较，可以清楚地看出体积收缩与充填压力之间的相关性。这如图6.9所示。在该特定分析中，修正的双域Tait PVT模型预测的生坯收缩的准确性与实验结果的误差在6.5%以内。生坯收缩和PVT预测收缩都具有-0.0002（mm3/mm3）/MPa的斜率。因此，注射成型期间的保持压力可以显著影响最终成型部件尺寸和部件质量，这随后影响最终部件尺寸。

图 6.8 具有63vol%羰基铁蜡聚合物原料的30MPa、60MPa和90MPa循环的注射成型循环轨迹的PVT图

图 6.9 根据MIM原料的PVT行为预测的MIM体积收缩与平均测量的生坯体积收缩相比较

需要结合烧结收缩率（方程式6.1、6.2）和成型收缩率（等式6.3、6.4）来获得准确的收缩预测。然后，组合线性收缩率（YC）可用于更精确地计算计算成型和烧结收缩所需的组合模具放大率（ZC），方程。（6.5）、（6.6）。

在图6.10中，根据公式（6.1）得出的理论线性烧结收缩率（仅考虑了烧结收缩率）与平均测量的烧结线性收缩率和使用公式（6.1和6.1）计算的收缩率进行了比较。(6.5), (6.6). 等式（6.1）预测结果与测量的烧结收缩之间存在显著差异。只有当PVT效应被纳入收缩方程时，这才被校正。因此，成型时的收缩会导致烧结部件的总收缩。当不考虑PVT效应时，等式（6.1）定义的烧结收缩比尺寸平均值低0.015mm/mm（1.5%），因为它没有考虑空腔压力对烧结部件最终收缩的影响。

图 6.10 将测量的烧结收缩率与烧结和烧结预测的收缩率加上PVT收缩率进行比较。

6.4.5 各向异性收缩

MIM和热塑性塑料注射成型过程中的熔融过程可能非常复杂，并可能导致各向异性收缩。材料还受注射过程中的方向、注射过程中多重压力、零件几何形状、流型、时间和冷却速率的影响。所有这些因素都可能导致各向异性收缩。图6.11显示了用63%固体负载羰基铁蜡聚合物原料模制的MIM部件，其特征为各向异性行为。特征尺寸为浇口处的厚度（表示为“厚度浇口”）、填充末端的厚度（“厚度EOF”）、浇口处宽度（“宽度浇口”、填充末端宽度（“长度EOF”和“宽度”）。成型后，测量这些部件尺寸，并与模具进行比较，以表征收缩，如图6.12所示。有趣的是，部件的厚度经历了最大的收缩。从逻辑上讲，在两次厚度测量中，浇口区域的收缩量最小，因为该区域的保持压力最大。厚度方向收缩更大的原因是由于原料的聚合物组分分层冻结时，组分内部产生的内应力。这些层在固化和收缩部件内形成机械耦合。

图 6.11 用于描述各向异性收缩分析测量的特征的标签

图 6.12 测量的实验性各向异性收缩

图 6.13 流向术语说明

图6.13显示了横流方向、流动方向和流动的厚度方向。这些层在横流和流动方向上表现出强大的互锁力（图6.14）。因此，通过构件的厚度可以实现最大的体积收缩。外层在较高压力下结晶。然而，组件在较低的压力下结晶，因此，发生更多的体积收缩。

图 6.14 机械联轴器说明。厚度方向自由收缩。由于内部应力和机械耦合，流入和横流方向受到限制

MIM和标准注塑聚合物材料中的各向异性收缩是非常常见的现象。然而，影响收缩各向异性的因素很多。对于半结晶材料，结晶过程中冷却速率、聚合物和/或填料在流动方向上的取向、模具约束、内应力和压力梯度也会影响收缩的大小和方向。

各向异性收缩使工具放大变得极其困难。避免各向异性收缩引起的不均匀应力分布的最常见做法包括均匀冷却所有型腔和型芯部件，利用降低的保持压力轮廓确保均匀填充，以及使用模具填充和填充模拟软件优化工艺。

6.5 MIM中的常见缺陷

MIM工艺中的注射成型缺陷可以在成型后直接显现，或者它们可能在后续工艺步骤之后才显现出来。成型是一个多变量的过程，其中变量是高度交互的，因此，有多种方法可以解决问题。此外，一个问题的解决方案可能会导致不同形式的缺陷。表6.1是常见缺陷和潜在解决方案的指南。

表格 6.1 MIM成型常见缺陷及解决方案