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产学研齐攻航太3D列印
掌握材料与积减法加工

【作者: 陳念舜】2017年02月22日 星期三

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随着现今全球中产阶级人口增加,刺激旅游及商务、物流往来密集,廉价航空林立,航空运输量亦随之逐步攀升,即便经过911、SARS等重大国际事件,亦不受影响,显见航空运输已跃升为目前主要之交通方式。根据Frost & Sullivan最新统计2015年Q1亚太地区航空运输量达4亿人次,已超越北美(3.7亿)、欧洲(3.4亿),成为为全球最大航空市场;且与中东地区航空运输人次年成长率,分别为8.5%、9.2%,则印证了新兴国家发展及中产阶级人口快速成长所带来的市场效应。


目前亚太地区主要航空枢纽为中国大陆的上海、香港及新加坡,马来西亚则因邻近新加坡的地利之便,吸引国际资金投入设厂,估计很快就能成为下一个航空枢纽;包含印尼、泰国等周边东南亚国家也跃跃欲试,将航太产业列为重要国家政策。


全球航太业迎风高飞 争抢新机与MRO市场

「而在考量成本及效率下,于邻近客户区域投资航太相关产业,也成为一种重要趋势。」工研院IEK研究员邱琬雯认为,根据Frost & Sullivan统计未来20年(2015~2034)各地区交付的新客机将超过38,000架,新机交付量以亚太地区14330架最多,其次是北美(7890)、欧洲(7310),在加入庞大机队营运后,前者将逐步发展成为全球最大航空市场,并衍生可观的新机制造及售后市场「维护、修复、检查(Maintenance-Repair-Overhaul, MRO)」商机。


另依ICF International最新统计2015年全球航空器产值为1,803亿美元,新机制造与售后市场比例分占58%、42%。未来10年(2015~2024),除大陆之外的亚太地区,将成为全球第三大MRO市场,产值达1,672亿美元,CAGR约6.4%,势将带动亚洲地区航太级精密零件、系统、精密机械设备等相关产业高度发展。


邱琬雯进一步指出,目前全球客机两大龙头波音(Boeing Co.)、空中巴士(Airbus)为达成两位数获利目标,持续采用多种方法降低生产成本,包括要求供应商降价、发展新材料与新制造技术;同时专注于最终系统整合,而将主要/次要模组等,逐步释出委外制造、组装,让Tire1自行建构供应链体系。除了在选择对外投资生产基地时,必先考量当地有无完整产业聚落的成本、效益,再导入新材料及制程、自动化等技术,以符合cost down需求。由于台湾航太加工业、设备业早期具有IDF战机成功开发经验,包括钢铁、石化业(复合材料)、工具机等上下游产业,亦皆具有航太产业基础及研发能力,若能透过水平&垂直技术整合研发,结合新南向政策,将有机会快速抢进航空产业蓝海。


因应民航机生产利润及制造品质等因素考量,未来民航机之制造生产有4项主要技术趋势之发展需要关注。 「对制造供应商而言,既是一个机会,也是一个挑战。」邱琬雯说,首要即是积层制造技术(Additive Manufacturing ,AM),能一次成型所有复杂外型元件,以因应制造航太零组件需求,提高昂贵材料的使用率。既减少成本及增加零件可靠度,毋须准备大量模具,缩短准备时间,可用来修补昂贵航太零件,不必每次换新。其次是:新材料制程及加工技术(New Materials)、自动化技术(Automation)、快速制程技术(Faster Processing)。


因应积层制造需求 成功开发航太级3D材料

进入现代化工业转型过程中,已有许多先进国家如美国、德国等,皆已积极布局的雷射积层加法制造技术,又以粉床熔融成型技术(PBF)与金属沉积技术(LMD)为代表。惟前者易受制作空间尺寸限制,仅适用在中小型与微型零组件制造;后者则可搭配工业机器人或CNC多轴加工机,用于中大型工件与局部区域成型,若两者相互搭配,将有助于创新制造金属产品。


工研院IEK资深研究员叶锦清表示,包括美国NASA便透过雷射积层制造技术,减少了涡轮泵制程所需元件45%,比起传统涡轮泵制程须耗时4年,现在仅须2年完成。航太引擎龙头奇异公司(General Electric, GE)今年也已宣布斥资约14亿美元,收购2家知名欧洲3D列印机制造商:瑞典Arcam AB、德国SLM SOLUTIONS集团,以协助GE与众多制造业客户,将生产力提升到新层次。虽然最后因SLM SOLUTIONS要求提高搜购价格,转而收购Concept Laser。但两者都拥有可用来生产航太引擎零件的金属积层制造技术,Arcam甚至能以更先进的电子束技术,融合金属材料与其他坚硬物质。



图1 : 航太引擎龙头GE投入金属积层制造早已超过25年,2016年由内部GE Aviation部门开始大量列印第一个金属零件,就是波音、空中巴士飞机的最新Leap引擎燃料喷嘴。 (图片来源:dsg.files.app.content.prod.s3.amazonaws.com/)
图1 : 航太引擎龙头GE投入金属积层制造早已超过25年,2016年由内部GE Aviation部门开始大量列印第一个金属零件,就是波音、空中巴士飞机的最新Leap引擎燃料喷嘴。 (图片来源:dsg.files.app.content.prod.s3.amazonaws.com/)

叶锦清进一步指出,其实GE投入金属积层制造早已超过25年,只是过去虽在自家应用纯熟,了解该场域客户端需求,却未跨足设备。直到2016年欲加速3D列印从原型到零组件的过程,内部GE Aviation部门开始大量列印第一个金属零件,就是波音747 Max、空中巴士A320neo飞机的最新Leap引擎燃料喷嘴。强调新的喷油嘴设计,是将20个零组件合而为一,除了重量比传统喷油嘴减轻25%、燃油效率增15%,耐用性也多了5倍。现已订定将在2020年前,使用积层列印制造超过10万件飞机引擎零件为目标。


值得一提的是,由于积层制造所需顶级金属粉末要求纯度高、粒度大小一致,导致技术门槛高,国际市场有能力生产的厂商有限,售价高达NT.15,000元/kg。台湾的成功大学机械科技研发中心经多年钻研,终于解决铝的氧化活性,比起传统不锈钢、钴铬合金粉末过大,容易在铝块熔解液化再雾化的喷粉处理过程中爆炸的难题。得以在无氧化的环境下制作,调整出最佳控制参数及环境,目前从材料系统到生产100%台湾制造出高阶3D铝金属粉末,不必再受制于国外。



图2 : 工研院雷射与积层制造科技中心自主开发的LMD/DED雷射金属直接沉积熔覆加工头,能在大气环境中,用于模具/金属件缺陷修补等。 (摄影:陈念舜)
图2 : 工研院雷射与积层制造科技中心自主开发的LMD/DED雷射金属直接沉积熔覆加工头,能在大气环境中,用于模具/金属件缺陷修补等。 (摄影:陈念舜)

成大3D金属粉末研发计画主持人、航太系教授王觉宽表示,3D铝金属粉末可用于快速生产传统模式不易制作的高复杂性、少批量金属零组件,用于追求轻量化的航空、汽车产业上,可发挥关键性的价值。成果发表会现场还展出3D铝金属粉末制造的首个涡轮引擎压缩器,经大幅简化工序,成本比进口品减少一半到只需6,000元/kg以下,性能还优于传统模式制造的产品。现已与多家国内外大厂SLM Solutions Group AG、健舟企业,与成大、钦扬科技、安集科技共同成立的圆融金属粉末公司签署合作备忘录,未来成大机械科技研发中心将协助圆融公司商业化生产,并共同开发3D列印金属系列粉末,以因应国际需求。


工研院开发积减法应用 发表LMD关键零组件

工研院雷射与积层制造科技中心经理李闵凯表示,因雷射积层制造技术突破传统金属切削/成型加工限制,具备形貌复杂化、设计客制化与结构轻量化等优点,在工件复杂度较高的航太产业具有成本低、提升消失性备品筹获率,与实现随队及零库存补给等优势。在这两年欧洲EMO、日本JIMTOF等国际工具机大展,也可见到各大厂DMG、HAMUEL、OKUMA等大厂纷纷诉求以「积减法」设备提升技术深度,跨界结盟来促进工具机高值化;研发复合加工系统与智能化制程结合,应用于航太高品级制造需求。


该中心则将专注以国产控制器为核心,开发AM智机化与参数图案化技术,经由软体加值,模拟预测参数输出及智慧排程;利用雷射加工头,搭配加法雷射光刀引擎,以提升产品致密度、表面平整度,加速达成雷射关键模组CNC化;进而结合工研院智慧机械科技中心,开发CNC加减法介面整合技术、碰撞检测技术等。


于日前所发表的105年度可移转研发成果中,即包含自主开发的LMD/DED雷射金属直接沉积熔覆加工头,其系透过复合光路调控,以成型均匀熔池;再搭配4ways喷嘴模组技术、同轴高效率喷嘴喷粉/流流场分析设计、温度感测模组监控技术辅助;光机高效散热模组化的冷却优化设计等,借以最佳化积层制造品质。得以在大气环境中,实现均匀堆积与高效熔覆烧结成型的优势,可用于模具/金属件缺陷修补等。


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