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產學研齊攻航太3D列印
掌握材料與積減法加工

【作者: 陳念舜】   2017年02月22日 星期三

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隨著現今全球中產階級人口增加,刺激旅遊及商務、物流往來密集,廉價航空林立,航空運輸量亦隨之逐步攀升,即便經過911、SARS等重大國際事件,亦不受影響,顯見航空運輸已躍升為目前主要之交通方式。根據Frost & Sullivan最新統計2015年Q1亞太地區航空運輸量達4億人次,已超越北美(3.7億)、歐洲(3.4億),成為為全球最大航空市場;且與中東地區航空運輸人次年成長率,分別為8.5%、9.2%,則印證了新興國家發展及中產階級人口快速成長所帶來的市場效應。


目前亞太地區主要航空樞紐為中國大陸的上海、香港及新加坡,馬來西亞則因鄰近新加坡的地利之便,吸引國際資金投入設廠,估計很快就能成為下一個航空樞紐;包含印尼、泰國等周邊東南亞國家也躍躍欲試,將航太產業列為重要國家政策。


全球航太業迎風高飛 爭搶新機與MRO市場

「而在考量成本及效率下,於鄰近客戶區域投資航太相關產業,也成為一種重要趨勢。」工研院IEK研究員邱琬雯認為,根據Frost & Sullivan統計未來20年(2015~2034)各地區交付的新客機將超過38,000架,新機交付量以亞太地區14330架最多,其次是北美(7890)、歐洲(7310),在加入龐大機隊營運後,前者將逐步發展成為全球最大航空市場,並衍生可觀的新機製造及售後市場「維護、修復、檢查(Maintenance-Repair-Overhaul, MRO)」商機。


另依ICF International最新統計2015年全球航空器產值為1,803億美元,新機製造與售後市場比例分占58%、42%。未來10年(2015~2024),除大陸之外的亞太地區,將成為全球第三大MRO市場,產值達1,672億美元,CAGR約6.4%,勢將帶動亞洲地區航太級精密零件、系統、精密機械設備等相關產業高度發展。


邱琬雯進一步指出,目前全球客機兩大龍頭波音(Boeing Co.)、空中巴士(Airbus)為達成兩位數獲利目標,持續採用多種方法降低生產成本,包括要求供應商降價、發展新材料與新製造技術;同時專注於最終系統整合,而將主要/次要模組等,逐步釋出委外製造、組裝,讓Tire1自行建構供應鏈體系。除了在選擇對外投資生產基地時,必先考量當地有無完整產業聚落的成本、效益,再導入新材料及製程、自動化等技術,以符合cost down需求。由於台灣航太加工業、設備業早期具有IDF戰機成功開發經驗,包括鋼鐵、石化業(複合材料)、工具機等上下游產業,亦皆具有航太產業基礎及研發能力,若能透過水平&垂直技術整合研發,結合新南向政策,將有機會快速搶進航空產業藍海。


因應民航機生產利潤及製造品質等因素考量,未來民航機之製造生產有4項主要技術趨勢之發展需要關注。「對製造供應商而言,既是一個機會,也是一個挑戰。」邱琬雯說,首要即是積層製造技術(Additive Manufacturing ,AM),能一次成型所有複雜外型元件,以因應製造航太零組件需求,提高昂貴材料的使用率。既減少成本及增加零件可靠度,毋須準備大量模具,縮短準備時間,可用來修補昂貴航太零件,不必每次換新。其次是:新材料製程及加工技術(New Materials)、自動化技術(Automation)、快速製程技術(Faster Processing)。


因應積層製造需求 成功開發航太級3D材料

進入現代化工業轉型過程中,已有許多先進國家如美國、德國等,皆已積極布局的雷射積層加法製造技術,又以粉床熔融成型技術(PBF)與金屬沉積技術(LMD)為代表。惟前者易受製作空間尺寸限制,僅適用在中小型與微型零組件製造;後者則可搭配工業機器人或CNC多軸加工機,用於中大型工件與局部區域成型,若兩者相互搭配,將有助於創新製造金屬產品。


工研院IEK資深研究員葉錦清表示,包括美國NASA便透過雷射積層製造技術,減少了渦輪泵製程所需元件45%,比起傳統渦輪泵製程須耗時4年,現在僅須2年完成。航太引擎龍頭奇異公司(General Electric, GE)今年也已宣布斥資約14億美元,收購2家知名歐洲3D列印機製造商:瑞典Arcam AB、德國SLM SOLUTIONS集團,以協助GE與眾多製造業客戶,將生產力提升到新層次。雖然最後因SLM SOLUTIONS要求提高蒐購價格,轉而收購Concept Laser。但兩者都擁有可用來生產航太引擎零件的金屬積層製造技術,Arcam甚至能以更先進的電子束技術,融合金屬材料與其他堅硬物質。



圖1 : 航太引擎龍頭GE投入金屬積層製造早已超過25年,2016年由內部GE Aviation部門開始大量列印第一個金屬零件,就是波音、空中巴士飛機的最新Leap引擎燃料噴嘴。(圖片來源:dsg.files.app.content.prod.s3.amazonaws.com/)
圖1 : 航太引擎龍頭GE投入金屬積層製造早已超過25年,2016年由內部GE Aviation部門開始大量列印第一個金屬零件,就是波音、空中巴士飛機的最新Leap引擎燃料噴嘴。(圖片來源:dsg.files.app.content.prod.s3.amazonaws.com/)

葉錦清進一步指出,其實GE投入金屬積層製造早已超過25年,只是過去雖在自家應用純熟,瞭解該場域客戶端需求,卻未跨足設備。直到2016年欲加速3D列印從原型到零組件的過程,內部GE Aviation部門開始大量列印第一個金屬零件,就是波音747 Max、空中巴士A320neo飛機的最新Leap引擎燃料噴嘴。強調新的噴油嘴設計,是將20個零組件合而為一,除了重量比傳統噴油嘴減輕25%、燃油效率增15%,耐用性也多了5倍。現已訂定將在2020年前,使用積層列印製造超過10萬件飛機引擎零件為目標。


值得一提的是,由於積層製造所需頂級金屬粉末要求純度高、粒度大小一致,導致技術門檻高,國際市場有能力生產的廠商有限,售價高達NT.15,000元/kg。台灣的成功大學機械科技研發中心經多年鑽研,終於解決鋁的氧化活性,比起傳統不鏽鋼、鈷鉻合金粉末過大,容易在鋁塊熔解液化再霧化的噴粉處理過程中爆炸的難題。得以在無氧化的環境下製作,調整出最佳控制參數及環境,目前從材料系統到生產100%台灣製造出高階3D鋁金屬粉末,不必再受制於國外。



圖2 : 工研院雷射與積層製造科技中心自主開發的LMD/DED雷射金屬直接沉積熔覆加工頭,能在大氣環境中,用於模具/金屬件缺陷修補等。(攝影:陳念舜)
圖2 : 工研院雷射與積層製造科技中心自主開發的LMD/DED雷射金屬直接沉積熔覆加工頭,能在大氣環境中,用於模具/金屬件缺陷修補等。(攝影:陳念舜)

成大3D金屬粉末研發計畫主持人、航太系教授王覺寬表示,3D鋁金屬粉末可用於快速生產傳統模式不易製作的高複雜性、少批量金屬零組件,用於追求輕量化的航空、汽車產業上,可發揮關鍵性的價值。成果發表會現場還展出3D鋁金屬粉末製造的首個渦輪引擎壓縮器,經大幅簡化工序,成本比進口品減少一半到只需6,000元/kg以下,性能還優於傳統模式製造的產品。現已與多家國內外大廠SLM Solutions Group AG、健舟企業,與成大、欽揚科技、安集科技共同成立的圓融金屬粉末公司簽署合作備忘錄,未來成大機械科技研發中心將協助圓融公司商業化生產,並共同開發3D列印金屬系列粉末,以因應國際需求。


工研院開發積減法應用 發表LMD關鍵零組件

工研院雷射與積層製造科技中心經理李閔凱表示,因雷射積層製造技術突破傳統金屬切削/成型加工限制,具備形貌複雜化、設計客製化與結構輕量化等優點,在工件複雜度較高的航太產業具有成本低、提升消失性備品籌獲率,與實現隨隊及零庫存補給等優勢。在這兩年歐洲EMO、日本JIMTOF等國際工具機大展,也可見到各大廠DMG、HAMUEL、OKUMA等大廠紛紛訴求以「積減法」設備提升技術深度,跨界結盟來促進工具機高值化;研發複合加工系統與智能化製程結合,應用於航太高品級製造需求。


該中心則將專注以國產控制器為核心,開發AM智機化與參數圖案化技術,經由軟體加值,模擬預測參數輸出及智慧排程;利用雷射加工頭,搭配加法雷射光刀引擎,以提升產品緻密度、表面平整度,加速達成雷射關鍵模組CNC化;進而結合工研院智慧機械科技中心,開發CNC加減法介面整合技術、碰撞檢測技術等。


於日前所發表的105年度可移轉研發成果中,即包含自主開發的LMD/DED雷射金屬直接沉積熔覆加工頭,其係透過複合光路調控,以成型均勻熔池;再搭配4ways噴嘴模組技術、同軸高效率噴嘴噴粉/流流場分析設計、溫度感測模組監控技術輔助;光機高效散熱模組化的冷卻優化設計等,藉以最佳化積層製造品質。得以在大氣環境中,實現均勻堆積與高效熔覆燒結成型的優勢,可用於模具/金屬件缺陷修補等。


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