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運用光學量測技術開發低成本精密蠟型鑄造
 

【作者: 郭啟全、蔡昀叡等人】   2022年02月16日 星期三

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光學測量技術優點為無需接觸或破壞產品之條件下,即可以獲得檢測對象的全域三維數據,以一次高速掃描取代多次又複雜的檢測作業。本文描述結合ATOS 3D光學量測技術、快速模具技術以及低壓射出成型技術的研究方法,如何在運用低製作成本條件下,開發具備經濟效益精密蠟型之批量生產技術。


模具產業可以代表一個國家興衰的指標,若一個國家的模具產業篷勃發展,表示該國家的經濟根基非常穩固。根據實務經驗,Projet MJP 3D列印機可以快速製作精密蠟型,運用於精密鑄造[1]。然而精密蠟型的製作成本昂貴,所以開發具經濟效益精密蠟型的批量生產技術成為重要研究議題。



快速模具技術[2-4]可以降低模具的開發成本,根據製程差異,快速模具技術可分為直接造模法與間接造模法。直接造模法是直接以快速製造的方式來製作模具,例如DMD、DMLS 、SLM、SLA或SLS技術,並運用塑膠射出成型、吹氣成型、金屬粉末射出成型模具、粉末冶金成型、擠製成型或射出壓縮成型,來試產新產品;間接造模法是先製作出產品原型件,再以翻製方式來製作矽膠模具、金屬樹脂模具或搭配真空注型技術來試產新產品。


本研究為結合ATOS 3D光學量測技術、快速模具技術以及低壓射出成型技術,開發具備經濟效益精密蠟型的批量生產技術。


實驗方法與步驟

圖1為研究流程。本研究的使用材料,包括聚乳酸線材(filament)、矽膠主劑、硬化劑。



圖1 : 研究流程[5]
圖1 : 研究流程[5]

本研究所使用軟體包括用GOM inspect檢測軟體、Creo Parametric、Microsoft Visio、Cura切層軟體(Ultimaker)以及Microsoft Excel軟體。至於使用的硬體與設備,包括Projet MJP 3D列印機(3D system Inc.)、熔融沉積成型3D列印機、場效發射式掃描電子顯微鏡(field-emission scanning electron microscope;FE-SEM)、X光繞射儀(X-ray Diffractometer;XRD)、萬能試驗機、紅外線溫度感測儀(infrared temperature sensor)、金相顯微鏡、白光干涉儀(White Light Interferometers;WLI)、能量色散X-射線光譜儀(energy-dispersive X-ray spectroscopy;EDS)、精密電子秤、金相顯微鏡、數位多段式真空注蠟機以及3D光學量測ATOS Core 80。圖2為熔融沉積成型3D列印機的實體圖,圖3為Projet MJP 3D列印機的實體圖。


圖2 : 熔融沉積成型3D列印機的實體圖
圖2 : 熔融沉積成型3D列印機的實體圖

圖3 :  Projet MJP 3D列印機的實體圖
圖3 : Projet MJP 3D列印機的實體圖

本研究選用卡榫(Latch)為研究標的物,圖4為卡榫之3D CAD模型與幾何尺寸,卡榫設有D1、D2、D3、L1以及L2等五個關鍵尺寸,尺寸分別為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm。



圖4 : 卡榫的3D CAD模型與幾何尺寸[5]
圖4 : 卡榫的3D CAD模型與幾何尺寸[5]

研究成果

圖5為第一次研究運用矽膠模具所翻製的卡榫蠟型平均值,與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形,兩者於五個關鍵尺寸的誤差量。



圖5 : 第一次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸的誤差量[5]
圖5 : 第一次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸的誤差量[5]

關於卡榫的五個關鍵設計尺寸分別約為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm,運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形五個關鍵尺寸分別約為42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm,PLA 3D列印件五個關鍵尺寸分別約為42.84 mm、24.9 mm、19.78 mm、29.69 mm以及11.7 mm,翻製卡榫蠟型平均42.33 mm、24.20 mm、18.88 mm、28.83 mm以及10.98 mm,如與運用Projet MJP 3D列印機所列印卡榫蠟形的D1、D2、D3、L1以及L2等五個關鍵尺寸進行比較,D1、D2、D3、L1以及L2的誤差量,分別為-0.35 mm、-0.48 mm、-0.83 mm、1.03 mm以及-0.89 mm。


圖6為第二次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸的誤差量。卡榫五個關鍵設計尺寸分別約為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm,運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形五個關鍵尺寸則分別約為42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm。


運用第一次設計變更卡榫尺寸以PLA材料所列印3D列印件五個關鍵尺寸,分別約為42.92 mm、25.01 mm、19.92 mm、29.95 mm以及11.99 mm,翻製卡榫蠟型平均 42.36 mm、24.21 mm、18.99 mm、29.01 mm以及11.11 mm。


如與運用Projet MJP 3D列印機所列印卡榫蠟形的D1、D2、D3、L1以及L2等五個關鍵尺寸進行比較,D1、D2、D3、L1以及L2之誤差量分別為 -0.32 mm、-0.47 mm、-0.72 mm、-0.85 mm以及 -0.76 mm。



圖6 : 第二次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸的誤差量[5]
圖6 : 第二次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸的誤差量[5]

圖7為第三次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸之誤差量。卡榫五個關鍵設計尺寸分別約為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm,運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形五個關鍵尺寸分別約為42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm。



圖7 : 第三次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值,與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸的誤差量。[5]
圖7 : 第三次研究運用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值,與運用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個關鍵尺寸的誤差量。[5]

運用第二次設計變更卡榫尺寸,以PLA材料所列印3D列印件五個關鍵尺寸分別約為43.38 mm、25.44 mm、20.41 mm、31.17 mm以及13.22 mm,翻製卡榫蠟型平均 42.78 mm、24.78 mm、19.68 mm、30.15 mm以及12.45 mm。


如與運用Projet MJP 3D列印機所列印卡榫蠟形之D1、D2、D3、L1以及L2等五個關鍵尺寸進行比較,D1、D2、D3、L1以及L2之誤差量分別為0.1 mm、0.1 mm、-0.03 mm、0.29 mm以及0.58 mm。


此結果顯示,運用第二次設計變更卡榫尺寸所翻製卡榫蠟型五個關鍵尺寸。與運用Projet MJP 3D列印機台直接列印蠟型的關鍵尺寸非常接近,這一些誤差均在工業界可以接受0.5 mm誤差範圍內。而當精密蠟型尺寸於10 mm至45 mm之內利用,蠟型設計圖於橫軸與縱軸分別增加0.75 mm以及1 mm,即可以在低成本與快速方式批量生產精密蠟型。


為了驗證本研究方法的經濟效益,運用傳統方法與提出的研究方法製作二十件精密蠟型,比較總製作成本的結果,如圖8所示。運用Projet MJP 3D 列印機列印精密蠟型為台幣750元(以下計算幣值為台幣),批量列印20件精密蠟型的總製作成本約為15,000元,而運用本研究方法翻製精密蠟型的總製作成本僅需2,174元,總製作成本涵蓋205 g PLA線材為137元、350 g矽膠為257元、8小時人工成本為1280元以及3,600 g K512蠟材500元。



圖8 : 運用本研究方法與傳統方法製作二十件精密蠟型的總製作成本比較圖[5]
圖8 : 運用本研究方法與傳統方法製作二十件精密蠟型的總製作成本比較圖[5]

從比較結果顯示,本研究整合ATOS 3D光學量測技術、快速模具技術以及低壓射出成型技術,開發出精密蠟型的批量生產技術具備經濟效益,製作二十件精密蠟型總製作成本約可以大幅節省86%。


結論

本研究結合ATOS 3D光學量測技術、快速模具技術以及低壓射出成型技術,開發具備經濟效益精密蠟型的批量生產技術,具備工業實用價值與產業利用性,本研究成果可以提供精密鑄造產業於研發階段所需批量精密蠟形的試作。如與傳統方法製作20件精密蠟型總成本進行比較,運用本研究所提出之方法,其總製作成本可以節省約86%。


當精密蠟型尺寸於10 mm至45 mm之內利用,蠟型設計圖於橫軸與縱軸分別增加0.75 mm以及1 mm,再運用上述的研究方法,即可以在低製作成本條件下進行精密蠟型的批量生產。當中補正的主要方向為補償PLA材料縮水率、機台誤差、矽膠縮水率以及蠟材縮水率。其中,X方向與Y方向之總製程縮水率分別約為1.75%與3.34%。


(本文作者郭啟全1、蔡昀叡2、陳名揚2、顏證育21明志科技大學機械工程系暨智慧醫療研究中心教授、2機械工程系專題生)


參考文獻

[1]F. Liu, Z. Fan, X. Liu, J. He, F. Li,” Aqueous gel casting of water-soluble calcia-based ceramic core for investment casting using epoxy resin as a binder,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 86, Issue 5, 2016, Pages 1235-1242.


[2] E. Atzeni, A. Salmi, "Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 62, pp. 1147-1155, 2012.


[3]B. Asiabanpour, A. Mokhtar, M. Houshmand, "Rapid manufacturing", Collaborative Engineering: Theory and Practice, A.K. Kamrani and E.S.A. Nasr, Editors, 2008, Springer US, Boston, MA, p. 127-152.


[4]N. Hopkinson, R. Hague, P. Dickens, "Rapid manufacturing: An industrial revolution for the digital age", 2006.


[5]Kuo, CC., Tasi, YR., Chen, MY. et al. Development of a cost-effective technique for batch production of precision wax patterns using 3D optical inspection and rapid tooling technologies. Int J Adv Manuf Technol 117, 3211–3227 (2021).


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