金属粉末注射成型的市场前景分析

1.1 简介和背景

粉末注射成型（PIM）有一个主要的分支，即金属粉末注射成型（MIM），它已经渗透到许多领域。本章掌握了MIM领域的现状，为评估不同的操作、市场和地区提供了基础。与粉末冶金学一样，MIM依赖于对金属颗粒的塑造，随后对这些颗粒进行烧结。最终产品几乎是全密度的，与压制烧结的粉末冶金不同。因此，MIM产品与大多数其他金属部件制造途径相比具有竞争力，尤其是与压铸相比，MIM成功地提供了更高的强度，与投资或砂铸相比，MIM的公差得到了改善，与大多数其他成型途径相比，MIM的形状更加复杂。注塑成型能够实现形状的复杂性、高产量、优异的性能，并且相对于竞争对手而言，成本往往更低。它的起源可以追溯到1930年代的首次示范。在金属变体中，大部分的增长是在1990年之后，当时经过几年的孵化，开始出现了盈利的业务。

烧结材料技术（硬质合金、耐火陶瓷、粉末冶金、白瓷、烧结磨料、难熔金属和电子陶瓷）加起来的价值非常大，最终产品在全球范围内每年达到1000亿美元。大约25%在北美。

在北美，仅金属粉末的生产每年就价值40亿美元（除烧结体外，还包括油漆颜料、金属油墨、焊接电极和其他用途）。北美的烧结硬质合金和金属零件生产价值接近80亿美元，其中金属结合的金刚石切割工具、烧结磁铁和半金属产品对以汽车和消费产品为主的工业贡献巨大。

粉末冶金行业由世界各地约4700个生产基地组成，涉及各种粉末或部件的生产。最受欢迎的是压制烧结变体，它依赖于硬模具、单轴压实和高温烧结。根据吨位，大约70%的压制烧结产品用于汽车工业。然而，以价值为基础，情况就大不相同了；金属切割和难熔金属行业产生的价值最大。这里的产品包括钽电容器、钨灯泡灯丝、碳化钨金属切削刀片、金刚石涂层的油气井钻头、高性能工具钢和钼二极管散热器。与其他粉末技术相比，MIM的变种仍然相对较新和较小，但它正在以每年14%的速度增长。2011年，MIM产品的全球价值约为10亿美元。这一销售活动分布在大约300个行动者身上。因此，一个MIM公司的平均销售额将仅为每年300万美元。

1.2 成功的历史

PIM紧跟在塑料注射成型领域的第一个发展之后。早期聚合物是热固性化合物；1909年左右发明了第一种人造聚合物胶木。随后，随着聚乙烯和聚丙烯等热塑性塑料的出现，几年后成型机似乎促进了这些聚合物的成型。PIM的首次演示几乎与塑料注射成型的出现相一致。同时，在20世纪30年代的美国和德国，这一技术也被应用于陶瓷火花塞体的生产。20世纪60年代早期，PIM用于餐具成型。一般来说，这些部件具有广泛的允许尺寸变化。MIM变体于20世纪70年代投入生产。早期演示和商业化之间的时间延迟是由于工艺设备缺乏先进性。随着微处理机控制的加工设备的出现，如铸模机和烧结炉，制造基础设施得到了显著改善，从而实现了具有更严格公差的可重复无缺陷循环。

大约80%的PIM产能用于金属，被公认为MIM，但这一般不包括其他金属成型技术，如压铸、触模和流延铸造。第一个MIM专利是由Ron Rivers（Rivers）提出的，使用的是纤维素-水-甘油粘合剂，但证明并不成功。后来使用热塑性蜡基粘合剂的努力确实在几个地方达到了生产。

1979年，MIM赢得了两个设计奖，这引起了人们的极大关注。一个奖项是用于波音喷气式客机上的螺旋密封。第二个奖项是根据空军合同为Rocketdyne公司开发的液体推进剂火箭发动机的铌合金推力室和喷射器。出现了几项专利，其中最有用的一项是在1980年颁发给雷-维奇的。从这个开始，出现了许多其他的专利、申请和公司，特别是在加利福尼亚的活动。到20世纪80年代中期，技术领域出现了多个参与者。许多公司在这个时候成立，没有许可证，只是雇用了早期公司的前雇员，他们带来了对该技术的洞察力。

所有早期的粘合剂专利都已过期，由Ray Wiech发现的蜡-聚合物系统仍然是该行业的主流。自20世纪90年代中期以来，石蜡的使用已迁移到聚乙二醇等变体上，使部分粘合剂系统具有水溶性。这改善了人们对用于从成型部件中去除粘结剂的溶剂的担忧--只需将成型部件浸入热水中，就能溶解出大部分的粘结剂。

因此，MIM概念依赖于塑料成型技术，将粉末聚合物原料塑造成所需的形状。形状是超大的，以适应烧结过程中的收缩。成型后，聚合物被移除，颗粒通过高温烧结而致密化。产品是成型形状的收缩版本，具有接近全密度和可与手册价值相媲美的性能属性，通常远远优于在传统压制-烧结粉末冶金和投资铸造中遇到的情况。这一成功被广泛用于小型、复杂和高价值的部件，从汽车燃料喷射器到手表外壳。

1.3 产业结构

MIM行业的结构和相互作用表明，一般来说，企业都属于几个关键的焦点。一切都围绕着定制制造商展开，这些公司为满足用户群体的规格而制造部件--用户一般都是知名公司，如枪支（Glock, Colt, Remington）、计算机（Hewlett Packard, Dell, Apple, Seagate）、移动电话（Motorola, Samsung, Apple）、手动工具（Sears, Leatherman, Snap-on Tools）、工业部件（Swagelok, Pall, LG）和汽车（Mercedes-Benz, Borg-Warner, Honda, BMW, Toyota, Chrysler）。专注于MIM的领先会议始于1990年并持续至今，与会者聚集在一起分享技术进步的信息。在这些会议上，行业内的参与者一般来自以下部门之一：

• 原料供应商聚合物、粉末和用于自混合或商业原料生产的原料；全球约有40家公司提供大部分MIM粉末，尽管约有400家公司提供各种化学、粒度、颗粒形状和纯度的金属粉末；例如，在钛领域，40家供应商中约有四家公司生产用于MIM的粉末；

• 原料生产公司采购原材料并配制混合物以销售给成型公司；全球通常约有12家原料供应商；

• 模具公司，包括定制和定制模具制造商，总计近300个MIM操作；约三分之一的公司是自营的，为自己制造零件，但许多自营公司也进行定制制造；83%的零件生产属于定制制造； 

• 热处理公司拥有提供收费服务的烧结炉和脱脂设备；目前只有六家公司活跃在这一领域，大多数与熔炉制造商有关；少数公司在医疗或航空航天领域需要时提供toll热等静压，以强制100%的密度；

• 设计师--主要是与MIM行业有交集的大型跨国公司有关的系统设计公司；少数独立设计师可以处理临时项目。

• 设备供应商--设计和制造定制炉子、成型机、搅拌机、脱脂系统、机器人系统和其他资本设备（如测试设备）的公司；成型机的大部分销售来自6家公司，炉子的销售来自8家公司，搅拌机的销售来自4家公司，因此约20家公司构成关键设备供应商。

• 耗材供应商-提供工艺气氛、化学品、模具、抛光剂、加工刀片、包装材料、加热元件和烧结基材。

• 兼职人员--包括研究人员、教员、顾问、设计顾问、会议组织者、贸易协会人员、杂志编辑和专利律师。

部件生产是中心活动。它分为内部产品和外部产品，称为外加成型机和定制成型机。同样，它由两条平行的供应路线支持，这取决于自混合或购买预混合原料的决定。例如，一家使用MIM制造一些安全、触发器或瞄准具组件的火器公司就是一个模具制造商。另一方面，定制模具制造商也可以制造这些相同的组件，但同样可能涉及到客户群确定的几个应用领域。

随着跨国公司外包业务的增加，定制制造也在增长。因此，MIM从Rocketdyne、IBM、AMP和GTE等大公司拥有的设施作为早期采用者，转而从专注于各种应用领域的自有模塑商处购买部件。包括以下例子：

• 牙科正畸托槽由不锈钢或钴铬合金制成；

• 邮资表和打字机的商用机器部件；

• 手表组件，包括配重、表圈、表壳、表带和表扣；

• 摄像机组件，包括开关和按钮；

• 火器的钢制部件，如扳机防护装置、瞄准器、枪体和保险装置。

• 硬质合金和工具钢切削工具，如木材刨花钻头、立铣刀和金属切削刀片； 

• 使用玻璃金属密封合金的电子系统电子封装；

• 个人护理用品，如使用工具钢的理发器；

• 特殊外科手术用医用手动工具；

• 使用铌等特殊材料的火箭发动机；

• 使用可硬化不锈钢的汽车安全气囊执行器部件；

• 特殊弹药，包括鸟枪、穿甲弹和易碎子弹；

• 卡车和汽车用涡轮增压器转子，由高温不锈钢或镍高温合金制成。

由于这些MIM业务的重点领域都很单一，因此几乎没有人去发展这部分产业。然而，近几年来，随着MIM的发展，MIM已经转向为各种应用服务的定制成型。定制模塑公司已经联合起来，通过合作营销、推广材料标准、通过年度奖项宣传以及分享商业数据，努力推动行业发展。尽管有所下降，但自制模塑仍然是MIM行业的一个重要部分。虽然销售增长每年都不一样，但在最近一段时间，全球销售增长一直保持在每年14%的水平。

1.4 统计重点

MIM增长的测量可以通过几个参数进行，包括以下参数。

• 专利：自MIM开始以来，总专利产生量很大，到2000年已超过300项，但近年来，专利产生速度有所放缓，目前约有200项有效专利。

• 粉末销售：2010年，MIM在全球消费了8000多吨金属粉末，粉末吨位使用增长率接近每年20%，但由于价格下降，其价值每年增长约14%。

• 原料采购：自混合或采购原料这两种选择似乎具有相同的优点。在顶尖公司中，71%的公司形成了自己的原料，这与所有公司的比例几乎相同，无论规模大小，这表明购买原料既不是优势也不是劣势；然而，自混合确实提供了更大的制造灵活性。

• 混合：对于混合自己原料的公司，2011年，每个搅拌机的销售额为180万美元，但混合自己原料前20家公司的年销售额为700万美元。 

• 每个注塑机的销售额。在许多国家，特别是当一个企业处于高利用率时，成型机每年至少能产生100万美元的销售额。在整个行业中，每个注塑机的平均销售额为53.6万美元，而领先的公司每个注塑机每年的销售额为150万美元。

• 每个熔炉的销售额：熔炉有许多不同的尺寸和设计，但整个行业的平均销售额约为每年100万美元；对于最大的MIM操作（具有更大和连续的熔炉），平均每年每个熔炉的销售额为320万美元。

• 连续炉：2011年，大容量连续烧结炉的装机容量达到每年4500吨产品；这些设备的安装细分为亚洲38%、欧洲47%和北美15%。

• 专卖与定制生产。约有三分之一的企业是自营的，但只有21%的企业有50%以上的销售额是内部的。最好的估计是，2011年有17%的产值是供内部使用。

• 每公斤销售额：在整个MIM行业中，每公斤粉末的平均销售额约为125美元，从珠宝、切割头和精密焊丝粘合工具的每公斤销售额高达10000美元，到铸造耐火材料的每公斤16美元不等。最大的陶瓷应用是在航空航天铸造芯中，通常为每公斤1000美元。同样，对于金属，不锈钢正畸托槽的年销售额接近1亿美元，平均每公斤约650美元。低公差钨手机偏心块售价很低，每公斤60美元。

• 每个零件的销售额。在整个行业中，典型的零件销售价格在每个1到2美元之间，但价值从5美分的手机振动器重量到35美元的电磁铁体和400美元的膝盖植入物。

• 部件尺寸：最典型的MIM部件质量在6–10 g范围内。质量范围从0.02克以下到300克以上，但平均值低于10克。最大的MIM零件是混合动力电动汽车控制系统的散热片，重量为1.3千克，一些质量和尺寸相似的航空航天高温合金车身达到200毫米。MIM的一个发展方向是微型组件，其特点在微米范围内，2010年的销售额接近6800万美元。

• 就业：全球有近8000人从事PIM，其中近7000人从事MIM，平均每家企业有21人，每个MIM设施的中位数只有16人。较大的公司可达到300-800人；最大的陶瓷注射成型公司曾达到近800人的就业。

历史上，约80%的PIM领域是用于金属元件，或MIM。近来，这一比例已上升到近90%的金属。在目前从事PIM的366家公司中，大多数位于亚洲。在PIM方面领先的国家是美国，有106家业务，中国有69家（尽管中国的扩张速度很快），德国有41家，日本有38家，台湾有17家，韩国有14家，瑞士有12家。业务数量不一定代表财务规模，因为最大的MIM设施之一在印度，这个国家只有五个MIM业务，而美国的公司最多，但它们往往规模较小。表1.1提供了PIM活动的摘要。美国和中国的公司最多，而最大的设施在印度。

表格 1.1 PIM汇总统计

表格 1.2 PIM全球销售汇总

PIM领域大约有三分之一的自营业务和三分之二的定制生产。自有业务的例子包括陶瓷铸造核心生产、正畸、手术工具、医疗植入物和枪支。

IM包括金属、陶瓷和碳化物。这些材料在2010年的销售额达到11亿美元，其中金属部件的销售额约为10亿美元。表1.2提供了全球销售业绩的摘要。2011年，在366家从事PIM的公司中，有些公司做了多种材料。在整个行业中，超过80%的企业生产金属部件，20%的企业从事陶瓷PIM，4%的企业从事硬质合金注射成型，不到1%的企业从事复合材料生产（主要是注射成型的碳化硅与铝浸润形成铝硅合金）。显然，大约5%的公司提供混合材料类型。

表格 1.3 金属PIM中的典型制造单元

表格 1.4 生产力比率

一个MIM或PIM设施基本上需要混合、成型、脱脂和烧结能力。多年来，这些生产设备的比例已经出现。表1.3中记录了一些行业单位制造单元的比例。请注意，每个设备都是一个整数（一个或两个或三个混合器），所以对于平均值来说，该值可以是非整数，但对于中位数来说，只允许有整数值。

另一个指标来自生产力，通常以销售额或每名员工衡量。表1.4给出了全球PIM行业的几个统计生产率指标。在本表中，就业人数以全职当量（FTE）为基础，因为一些公司有大量兼职工作。因此，PIM行业（金属、陶瓷、碳化物和复合材料）如表所示。

1.5 行业转变

通过比较2000年和2010年，可以看出全球MIM的主要趋势。多年来，MIM领域保持着每年22%的复合年销售增长，业务数量每年增长34%。近年来，增长放缓，在北美稳定在每年8%左右，但在亚洲继续以每年30%的速度增长。在全球范围内，最近几年的总体平均增长率为每年14%。

根据一些重要统计数据，以下是MIM从2000年到2010年的变化：

• MIM业务的数量减少了34%；

• 全球销售额增长100%; 

• 就业人数增加了100%; 

• 模塑装机容量增加79%; 

• 烧结装机容量增加了86%.

这些统计数字间接表明，业务越来越集中在少数公司手中。尽管有大量的公司活跃在MIM领域，但在任何时候，有些公司只是处于评估状态，这在2000年尤其如此。这些公司的特点是由一个小团队（两到三个人）和一到两台成型机组成，通常是购买原料，甚至可能依靠收费烧结。在最初的探索之后，许多这样的努力被终止了，或者生产被转移到外部供应商。从2000年到2010年，MIM公司的数量减少，而整个领域却在增长，这一点很明显。今天，大型企业由远远超过20台的成型机组成。

1.6 销售情况

销售统计数据是在20世纪80年代中期首次收集的。显着的增长使得行业成熟。金属PIM工艺现在已被一些成熟的客户所接受，如Bosh, Siemens, Chrysler, Honeywell, Volkswagen, Mercedes Benz, BMW, Chanel, Apple Computer, Pratt and Whitney, Samsung, Texas Instruments, General Electric, Nokia, Motorola, Rolls Royce, Continental, Stryker, LG, Sony, Philips, Seagate, Toshiba, Ford, General Motors, IBM, Hewlett-Packard, Seiko, Citizen, Swatch,以及类似公司。

大多数常见的工程材料都可用于MIM，但如图1.1所示，根据销售额，不锈钢占主导地位。全球材料销售情况（价值，而非吨位）如下：53%不锈钢，27%钢，10%钨合金，7%铁镍合金（主要是磁性合金），4%钛合金，3%铜，3%钴铬合金，2%工具钢，2%镍合金（超级合金），1%电子合金（Kovar和Invar）。按吨位计算，不锈钢部分的粉末消耗量较大，达到粉末消耗量的60%-65%以上，由于消耗量大，粉末价格较低，进一步推动了不锈钢的使用。一些金属粉末的价格要高得多，如钛，所以基于吨位与美元的销售分区由于材料成本的巨大差异而出现偏差。

图1.1 按主要材料类别划分的全球MIM销售额。这张图是基于全球销售额的百分比，而其他研究报告是基于粉末消耗的吨数。

2010年的金属PIM销售额在10亿美元左右。2010年的独立报告估计为9.55亿至9.84亿美元。在收集准确信息方面存在一些困难，因为大多数公司是私有的，不做年报。此外，货币汇率在一年中的变化导致了不准确的估计。对于2010年，PIM销售额的最佳估计是11亿美元，MIM销售额是9.55亿美元。2009年的PIM估计为9.2亿美元，因此PIM从2009年到2010年增长了近20%，主要是在MIM方面，而且领先于总体经济复苏。

图 1.2 图为自1986年首次记录的900万美元的全球销售增长。该图显示，陶瓷业务收缩而MIM扩张，主要是由于航空业的放缓。

表格 1.5 全球MIM统计摘要

 1.7 市场统计

MIM最大的市场历来是工业部件，包括泵壳、螺线管、手柄、管道固定装置和配件。这仍占全球销售额的20%（在日本更多，在欧洲更少）。这是基于组件销售，而不是其他研究中报告的零件或公司数量或粉末吨数。汽车零部件是MIM的第二大市场，占全球价值的14%（按吨位计算，欧洲更高，北美更低）。消费品是第三大市场，占MIM销售额的11%，这些市场主要是亚洲市场（手机、消费品和计算机部件）。其次是牙科、医疗、电子和枪支应用，各占全球MIM产品价值的7%-9%，北美是最大的参与者。其他贡献来自电脑、手动工具、行李箱装饰、化妆盒、机器人、运动设备和手表组件。

MIM公司的统计数据显示，全球约一半的参与者规模很小，MIM年销售额不足100万美元；有时，这些都是大型公司的试点工作，或者更普遍地反映出私有制。表1.5给出了MIM的行业总结。约32%的业务拥有专属产品，但只有18%的行业销售主要是专属产品。根据普拉多原则，MIM最大的20%公司控制着80%的销售额。此外，MIM公司中排名前10%的公司控制着60%以上的销售额，平均每年营业额为2500万美元，拥有20台或更多的成型机和平均120名员工。MIM行业排名前10%的企业平均每个铸模工有5名员工，每个熔炉有9名员工，每台铸模机每年的营业额为150万美元，每台熔炉每年的营收为320万美元，70%为自混合。

1.8 按地区划分的金属PIM市场

如图1.3所示，MIM的主要销售和增长是在亚洲，但美国仍然是陶瓷PIM组件的最大用户和生产商之一。表1.6总结了2009年PIM的区域统计数据，单位是百万美元，这是报告综合数据的最后一年。作为参考，在3.16亿美元的总额中，2009年北美的MIM为1.86亿美元。其中3200万美元是自营MIM。在北美，封闭式MIM经常被用于正畸托架和枪械，但也被用于医疗应用。

图. 1.3 基于主要地理区域的销售分区

表格 1.6 PIM的区域销售总结

对这些产品的估值是困难的，因为分销成本（当支架卖给牙医时）可能是1亿美元，但贸易成本（批量内部转移成本）则更低。就2009年而言，在欧洲，占主导地位的MIM应用是手表和类似的装饰性部件，如特种行李紧固件。2009年，瑞士钟表业的手表销售额约为120亿美元，每只手表的平均交易额为566美元。并非所有的手表都使用MIM，但那些使用MIM的手表的MIM含量一般在1-8美元之间，因此2100万只手表将符合欧洲3200万美元的销售。在亚洲，MIM主要用于 "3C "产品--电脑、手机和消费电子产品--在富士康等组装厂。

1.9 按应用领域划分PIM市场

在一些行业协会之前的报告中，如2006年的金属粉末注射成型协会，医疗部件的销售额占MIM的36%，汽车部件占销售额的14%，而硬件占销售额的20%。

表格 1.7 2007年按地区和应用划分的市场，以销售额的百分比计算

在2007年的调查中，MIM市场的划分如表1.7所示，以每个区域的销售百分比来划分。最近，一组扩大的应用组被用来反映在体育、珠宝、手工工具、航空航天等方面的新增工作。此外，消费品被从手表中分离出来，因为手表生产没有增长，但锁扣、眼镜和行李扣的用途在增长。因此，表1.8中给出了2010年按应用领域划分的产业情况。这是由公司的数量和它们的相对重点组合而成的，所以一个只做牙科的公司算作1，但一个做牙科和工业的公司则各算作0.5，以此类推。

表格 1.8 根据2011年MIM公司的主要营销重点，全球市场关注度

该表显示，工业部件（阀门、配件、连接器）是最广泛的市场焦点，其次是消费类（厨房工具、牙刷部件、剪刀），以及电子部件（散热器、密封封装、连接器）。汽车和医疗是快速增长的领域，特别是在北美。

当从销售额的角度考虑时，一些参与者较少的大型市场变得明显，如表1.9所示。

表格 1.9 2011年各细分市场的全球MIM销售额百分比