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3D列印启动铸造业转型升级
聚焦高值金属成型

【作者: 陳念舜】2016年08月16日 星期二

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在前几年尝过一口急速膨胀又幻灭后的杯缘泡沫,至今仍留下的3D列印业者多半还是具有一定规模与经验传承,有能力长期布局工商业专用领域的设备厂商,得以将3D列印技术广泛用于工业设计、鞋类及珠宝、汽机车、牙科及医疗等不同产业,从产品原型跨足到模具与直接零组件制造等垂直市场布局。台湾厂商起步虽晚,也已积极投入客制化医材、高性能元件及高值化模具等,盼借此促进产业升级与创造高附加价值的产品。


尤以汽机车产业能借此,有效提升工厂生产效率、创造更高的品质综效,从前端的设计阶段、正式生产流程到后端品质检测阶段应用比重接近18%,而排名前3大3D应用产业之一。现今汽车厂除利用3D技术,制作基本零件原型和机构测试件外,更有许多厂商已经开始尝试导入3D技术来制作模具组件,快速铸造出对应的零组模型供使用;甚至朝向更高价值的制程应用,直接列印出终端产品零件进行正式组装,期待以更低的成本和更快速的时间来改善传统汽车制造流程。


不仅亚太国家的日本早已借3D列印机结合材料厂商的铸造砂/黏合剂,提高铸造业和使用铸件企业的竞争力,以制造汽车引擎及发电站的燃气涡轮机等零件。预计将倾日本国之力,在5年后将3D砂模列印机的生产效率提高10倍。


台湾身为金属模具第7大国,虽然这几年产值仍维持500亿元新台币,但产业面临外移与低价竞争,以及高阶材料与制造设备长期仰赖国外现象,正期望经由3D列印技术协助台湾模具产业提升利基与研发能量,解决模具在3D流道与复杂​​曲面加工的需求,制造高阶模具产品。


为了克服过去一再要求企业引进技术升级,但因为多数铸造业都是中小企业,无法斥巨资购买3D列印铸造砂模设备的障碍。行政院率先在高雄的经济部传统产业创新加值中心内,设立「3D列印铸造砂模营运服务中心」,由金属中心负责注入3D列印制程应用与技术的研究能量,以带领台湾铸造产业转型升级,进而加速创新。


所引进德国Voxeljet 3D快速列印积层设备,不仅颠覆了耗材原料非常昂贵的既有概念,大大地降低生产成本,可以用来制作数位砂模、塑料模型或是金属制品;特别是应用在翻砂铸造、脱蜡精密铸造的新产品开发有相当大的突破,不需模具,只要利用堆叠快速成型技术结合原本铸造流程,就能精确将设计概念转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,进而可以对产品设计进行快速评估,修改及功能试验,大大缩短产品的研制周期。「以往需3个月才能铸造的复杂模具,现在只要2~3周就做得出来,让中小企业有机会翻转,提升铸造产业国际接单能力与竞争力。」


Stratasys朝垂直市场发展 革新传统铸造工艺

此外,继2012年与以色列Objet公司合并后,一跃成为全球3D列印技术市占率最高的美国Stratasys公司,除了既有FDM(热熔挤压成型)技术外,还纳入Objet的Inkjet喷印技术结合UV光固化成型为Polyjet技术。目前除了为人熟知的硬体外,还有专人负责不同产业领域需求,同时提供教育训练及耗材等销售服务。


针对2016年台湾市场策略与布局,Stratasys也提出将针对医疗,汽车,航空航太及教育等垂直市场发展,采取非单纯以产品销售的模式,而是以解决方案的模式进入。认为唯有真正了解客户的生产制造工艺和真正需求,得知设计瓶颈何在?才能提供一套完整解决方案,协助他们降低生产成本,缩短研发周期,而不仅仅是只提供一个3D列印机。


至于在铸造业革新方面,Stratasys亚太区生产应用经理Kevin Poon认为,3D列印有别于传统小批量生产金属模具的CNC加工减材制造,受限几何形状而必须组装,导致材料浪费,所以非常重视人员经验,必须达到一定大批量需求才开模。但仍限制铸件角度及设计,在等待模芯生成、移除模型的过程,相对提高成本。


3D列印则属增材制造,能用最少材料就生成复杂形状和自由设计的小批量工件,借层层层堆叠一步到位,毋须太多操作经验。 「尤其是现今大部份企业内部都有3D CAD软体,员工甚至只要在下班前输入CAD图档.stl后按键生产,隔天进公司就能轻松取件。」但他也一再强调,3D列印仅适用于快速成型小批量工件,须用较复杂模具者;相对成型不复杂,或须大批量生产者,还是须建立模具。


提供完整3D列印解决方案 看好小批量复杂工件应用

Kevin Poon进一步指出,有别于传统熔模铸造工艺主要挑战在于生产复杂形状的瓶颈,翻砂模具及工具须重新设计,或等待制造蜡模、石膏/陶瓷壳体成型的制作时间长且成本高;一旦到了后处理才出错又重作更耗时,难免延迟新品上市时间。


现在透过Stratasys的3D列印解决方案,加上铸造流程的模拟软体,得以避免早期错误及重复性工作,毋须开模或担心模具、蜡模到金属成型件的收缩率,就能快速直接制作原型检验尺寸;进而小批量生产,做功能性和外型验证、模拟,好让客户能缩短沟通、验证的时间。让每个原须3周完成的复杂模具,只要一个晚上(12hrs)就能列印完成,重覆误差可被定义并快速修正,加速抢单、上市。


尤其是利用Polyjet主模制作熔模铸造的原型设计与小批量制造时,形状越复杂越有利,克服传统制程不可能达到的时间与成本。可利用对应须制作的部件3D CAD模型,并考量标准蜡模和金属收缩因素后制作,与蜡管和关口连结,无须更改现有生产流程,模型熔化温度维持约120℃。同时提供Polyjet铸造主模型内部可溶性材料SUP707,在120度变成液体,自动去除支撑,减少每件人工成本,适合建立独特、复杂的原型设计;外部Vero列印的硬壳,则在120℃变形、破裂、塌陷,适合从砂模内倒出模型。


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