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3D列印啟動鑄造業轉型升級
聚焦高值金屬成型

【作者: 陳念舜】   2016年08月16日 星期二

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在前幾年嘗過一口急速膨脹又幻滅後的杯緣泡沫,至今仍留下的3D列印業者多半還是具有一定規模與經驗傳承,有能力長期佈局工商業專用領域的設備廠商,得以將3D列印技術廣泛用於工業設計、鞋類及珠寶、汽機車、牙科及醫療等不同產業,從產品原型跨足到模具與直接零組件製造等垂直市場佈局。台灣廠商起步雖晚,也已積極投入客製化醫材、高性能元件及高值化模具等,盼藉此促進產業升級與創造高附加價值的產品。


尤以汽機車產業能藉此,有效提升工廠生產效率、創造更高的品質綜效,從前端的設計階段、正式生產流程到後端品質檢測階段應用比重接近18%,而排名前3大3D應用產業之一。現今汽車廠除利用3D技術,製作基本零件原型和機構測試件外,更有許多廠商已經開始嘗試導入3D技術來製作模具組件,快速鑄造出對應的零組模型供使用;甚至朝向更高價值的製程應用,直接列印出終端產品零件進行正式組裝,期待以更低的成本和更快速的時間來改善傳統汽車製造流程。


不僅亞太國家的日本早已藉3D列印機結合材料廠商的鑄造砂/黏合劑,提高鑄造業和使用鑄件企業的競爭力,以製造汽車引擎及發電站的燃氣渦輪機等零件。預計將傾日本國之力,在5年後將3D砂模列印機的生產效率提高10倍。


台灣身為金屬模具第7大國,雖然這幾年產值仍維持500億元新台幣,但產業面臨外移與低價競爭,以及高階材料與製造設備長期仰賴國外現象,正期望經由3D列印技術協助台灣模具產業提升利基與研發能量,解決模具在3D流道與複雜曲面加工的需求,製造高階模具產品。


為了克服過去一再要求企業引進技術升級,但因為多數鑄造業都是中小企業,無法斥巨資購買3D列印鑄造砂模設備的障礙。行政院率先在高雄的經濟部傳統產業創新加值中心內,設立「3D列印鑄造砂模營運服務中心」,由金屬中心負責注入3D列印製程應用與技術的研究能量,以帶領台灣鑄造產業轉型升級,進而加速創新。


所引進德國Voxeljet 3D快速列印積層設備,不僅顛覆了耗材原料非常昂貴的既有概念,大大地降低生產成本,可以用來製作數位砂模、塑料模型或是金屬製品;特別是應用在翻砂鑄造、脫蠟精密鑄造的新產品開發有相當大的突破,不需模具,只要利用堆疊快速成型技術結合原本鑄造流程,就能精確將設計概念轉變為具有一定功能的原型或直接製造零件,進而可以對產品設計進行快速評估,修改及功能試驗,大大縮短產品的研製周期。「以往須3個月才能鑄造的複雜模具,現在只要2~3周就做得出來,讓中小企業有機會翻轉,提升鑄造產業國際接單能力與競爭力。」


Stratasys朝垂直市場發展 革新傳統鑄造工藝

此外,繼2012年與以色列Objet公司合併後,一躍成為全球3D列印技術市占率最高的美國Stratasys公司,除了既有FDM(熱熔擠壓成型)技術外,還納入Objet的Inkjet噴印技術結合UV光固化成型為Polyjet技術。目前除了為人熟知的硬體外,還有專人負責不同產業領域需求,同時提供教育訓練及耗材等銷售服務。


針對2016年台灣市場策略與布局,Stratasys也提出將針對醫療,汽車,航空航太及教育等垂直市場發展,採取非單純以產品銷售的模式,而是以解決方案的模式進入。認為唯有真正了解客戶的生產製造工藝和真正需求,得知設計瓶頸何在?才能提供一套完整解決方案,協助他們降低生產成本,縮短研發週期,而不僅僅是只提供一個3D列印機。


至於在鑄造業革新方面,Stratasys亞太區生產應用經理Kevin Poon認為,3D列印有別於傳統小批量生產金屬模具的CNC加工減材製造,受限幾何形狀而必須組裝,導致材料浪費,所以非常重視人員經驗,必須達到一定大批量需求才開模。但仍限制鑄件角度及設計,在等待模芯生成、移除模型的過程,相對提高成本。


3D列印則屬增材製造,能用最少材料就生成複雜形狀和自由設計的小批量工件,藉層層層堆疊一步到位,毋須太多操作經驗。「尤其是現今大部份企業內部都有3D CAD軟體,員工甚至只要在下班前輸入CAD圖檔.stl後按鍵生產,隔天進公司就能輕鬆取件。」但他也一再強調,3D列印僅適用於快速成型小批量工件,須用較複雜模具者;相對成型不複雜,或須大批量生產者,還是須建立模具。


提供完整3D列印解決方案 看好小批量複雜工件應用

Kevin Poon進一步指出,有別於傳統熔模鑄造工藝主要挑戰在於生產複雜形狀的瓶頸,翻砂模具及工具須重新設計,或等待製造蠟模、石膏/陶瓷殼體成型的製作時間長且成本高;一旦到了後處理才出錯又重作更耗時,難免延遲新品上市時間。


現在透過Stratasys的3D列印解決方案,加上鑄造流程的模擬軟體,得以避免早期錯誤及重複性工作,毋須開模或擔心模具、蠟模到金屬成型件的收縮率,就能快速直接製作原型檢驗尺寸;進而小批量生產,做功能性和外型驗證、模擬,好讓客戶能縮短溝通、驗證的時間。讓每個原須3週完成的複雜模具,只要一個晚上(12hrs)就能列印完成,重覆誤差可被定義並快速修正,加速搶單、上市。


尤其是利用Polyjet主模製作熔模鑄造的原型設計與小批量製造時,形狀越複雜越有利,克服傳統製程不可能達到的時間與成本。可利用對應須製作的部件3D CAD模型,並考量標準蠟模和金屬收縮因素後製作,與蠟管和關口連結,無須更改現有生產流程,模型熔化溫度維持約120℃。同時提供Polyjet鑄造主模型內部可溶性材料SUP707,在120度變成液體,自動去除支撐,減少每件人工成本,適合建立獨特、複雜的原型設計;外部Vero列印的硬殼,則在120℃變形、破裂、塌陷,適合從砂模內倒出模型。


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