塑胶模具设计：一文了解CIM陶瓷注射成型技术相关

陶瓷注射成型（Ceramic Injection Molding，简称CIM）是将聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合而发展起来的一种制备陶瓷零部件的新工艺。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型技术比较成熟的基础上发展而来的。对尺寸精度高、形状复杂的陶瓷制品的大批量生产，采用陶瓷粉末成型最有优势。

01CIM陶瓷注射成型技术的特点

表1. CIM与其它成形方法比较

优点：

①成型过程具有机械化和自动化程度高、生产效率高、成型周期短、坯件强度高等特点，并且其工艺过程可以精确控制（程序控制），易于实现大批量、规模化生产；

②可近净成型各种几何形状复杂的及有特殊要求的小型陶瓷零部件，使烧结后的陶瓷产品无需进行机加工或少加工，以此减少昂贵的陶瓷加工成本；

③成型出的陶瓷产品具有极高的尺寸精度和表面光洁度。

不足之处：一次性设备投资与加工成本高，仅适合于大批量生产采用。

02CIM陶瓷注射成型的工艺流程

陶瓷精密注射成型的制造过程如图1，主要包括以下4个环节：

①喂料制备：

喂料是粉末和粘结剂的混合物。注射工艺要求注射喂料有良好的流动性，这就须选择符合要求的粉末和适当的粘结剂体系，按一定的装载量配比，在一定的温度下采用适当的方法混炼成均匀的注射成型喂料，这样才能保证后续工艺的顺利进行，其产品才有可能从实验室走向高技术市场。所以喂料制备在整个工序中非常关键。

②注射成型和模具设计：

注射成型工艺控制不当可能使产品形成很多缺陷，如裂纹、孔隙、焊缝、分层、粉末和粘结剂分离等，而这些缺陷直到脱脂和烧结后才能被发现。CIM常使用多模腔模具，各模腔之间尺寸不一，加上模腔使用中的磨损，都将导致零部件尺寸大小不一。此外注射返回料的使用会影响粘度和流变性。所以控制和优化注射温度、模具温度、注射压力、保压时间等成型参数对减少生坯重量波动，防止注射料中各组分的分离和偏析，提高产品成品率和材料的利用率至关重要。

CIM技术的模具设计主要考虑注射成形时喂料在模腔中的流动控制。因为CIM产品大部分是形状复杂，精度要求高的小尺寸零件，这就需要对进料口的位置、流道长短、排气孔的位置等进行周密地设计和安排。当然模具设计要求对喂料流变性质、模腔内温度和残余应力分布有清楚的了解，另外计算机模拟技术在粉末注射成型模具设计方面将发挥重要的作用。

③脱脂工艺：

脱脂是通过加热及其他物理方法将成型体内的有机物排除并产生少量烧结的过程。与配料、成型、烧结及陶瓷部件的后加工过程相比，脱脂是注射成型中最困难和最重要的因素。脱脂过程不正确的工艺方式和参数使产品收缩不一致，导致变形、开裂、应力和夹杂。脱脂对其后烧结也很重要，在脱脂过程中产生的裂纹和变形不能通过烧结来弥补。粘结剂和脱脂是联系在一起的粘结剂决定脱脂方式。目前的脱脂工艺除了传统的热脱脂、溶剂脱脂外，还有近几年发展起来的催化脱脂以及水基萃取脱脂。

④烧结：

脱脂后的陶瓷素坯在高温下致密化烧结，获得所需外观形状、尺寸精度和显微结构的致密陶瓷部件。由于陶瓷注射成型坯中含有因脱脂留下孔隙，所以在烧结时产品收缩率较大，通常达13%-15%。由此可见，CIM技术的研究重点是烧结尺寸精度控制。此外烧结设备也是烧结技术的关键。

图1.CIM基本工艺流程图

03CIM陶瓷注射成型的应用举例

目前，注射成型技术已应用于各种高性能陶瓷产品的制备。如生物医学领域用陶瓷医疗器械、牙齿矫正和修复用的陶瓷托槽与陶瓷牙桩等；光通讯用的氧化锆陶瓷插芯和陶瓷套筒；半导体和电子工业中使用的氧化铝绝缘陶瓷零部件，如集成电路高封装管壳、小型真空开关陶瓷管壳小型陶瓷滑动轴芯；现代生活及制表业中使用的陶瓷刀、陶瓷表链及陶瓷表壳等。

表2. CIM应用领域

常见CIM产品展示：

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