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粉末冶金技術大躍進
金屬積層當道

【作者: 陳念舜】   2016年07月12日 星期二

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過去3D列印技術多指塑膠材質,但在此則特別意指用雷射燒結金屬粉末,再層層堆疊成型。


雖然近年來屬於3D列印工法之一的金屬積層製造(Additive manufacture, AM),因為相較於塑膠材質,更接近工具機及終端加工業者習慣;且同樣可提供一個快速實現複雜成型的途徑,達成較佳設計自由度和零件的複雜性,而備受外界期待。惟因其最終精度還是不及於傳統CNC工法,恐導致工件、產品表面品質易受影響;加上企業導入成本與生產效率仍無法克服,在過去一段時間以來發展緩慢。


有別於現今投入金屬積層製造的各方產官學研單位,多年來在自動化、工業量測、機械運動控制與精密加工等領域,均佔有業界領先地位的英國雷尼紹公司(Renishaw)也在今年5月初落幕的「台北國際數控暨製造技術展(MT duo)」正式發表最新快速堆疊成型製造系統(AM250),將有機會解決過往金屬積層製造最為人垢病的品質與效率問題。


Renishaw推出快速堆疊成型系統

Renishaw推出的快速堆疊成型製造系統係採用SLM技術,先將所得到的3D CAD檔案轉換為STL檔案後輸入設備後,在嚴格控制的大氣壓力下,直接經高功率光纖雷射熔融多種金屬細粉末,燒結產生出厚約20~100μm層層堆疊的緻密金屬工件。該技術現已廣為用於製造特定的醫療植入體、輕量化航太與賽車零組件、高效率熱交換器,以及含有異型冷卻水路的射出成型模具嵌件,提供設計師更多自由度,創造出不受傳統製程或大量生產模具需求限制的複雜結構和形狀、嵌入式特徵。


雷射熔化(加法)還能與傳統機械加工(減法)技術相輔相成,形成製造系統的一環,包括熱處理、表面後處理等,有助於客戶減省前置開發時間、模具及材料成本浪費,僅製造所需產品而率先上市。使用者還能受惠於Renishaw對製程排放量及粉末處理技術,減少不必要的材料浪費,在改進粉末調節系統內精煉後,超過98%以上粉末材料,都可循環再利用。



圖1 :  隨著金屬積層製造發展,將主要先用於滿足輕量化需求,近年來Renishaw更一舉跨足金屬積層製造領域,成為新進設備製造商。(攝影:陳念舜)
圖1 : 隨著金屬積層製造發展,將主要先用於滿足輕量化需求,近年來Renishaw更一舉跨足金屬積層製造領域,成為新進設備製造商。(攝影:陳念舜)

Renishaw在今年MT duo雖僅展示2014年與知名自行車廠商Empire Cycles合作成果,強調以積層製造出世界首件單車鈦合金骨架,符合登山越野型車種對輕量及耐衝擊、碰撞要求;Empire Cycles也得利於該工法具備汽機車沖壓鋼板「單體」構造擁有的各項優點,卻不必大量投資添購設備。


但由於該系統具有防輻射和粉末處理的安全設計,足以安全處理鈦、鋁等活性材料為其基本功能之一,在導入高階醫療、航太、電子及高科技應用領域後,相信將能帶來更龐大商機。包括從病患專用的骨科植入體,到大量生產採用混合式結構與質地的醫療器材,雷射熔化技術具有解放製造能力,結合自由形狀和精細晶格結構的潛能,大幅改善病患復原情況。


除了MT duo外,甫於去(2015)年落幕的歐洲工具機展(EMO)則揭示了另一種可能,其不僅以「Let’s build the future(打造未來機具)」為主題,由CECIMO(歐洲工具機業合作委員會)官網及發行的相關資訊則可見,未來製造面臨的挑戰之一,將是金屬積層製造(加法)與傳統切削、移除素材工法(減法)之混合,期待仍藉此實現更高水準的加工一致性和準確性,生產要求精確的零件與產品;諸多參展的歐日工具機及零組/配件大廠,也首度將積層製造列入攤位主題,預料將成為未來數屆國際工具機大展主流。


財團法人精密機械研究發展中心(PMC)工程師吳仲偉認為,過去3D列印技術多指塑膠材質,但在此則特別意指用雷射燒結金屬粉末,再層層堆疊成型;且在CNC工具機上,直接改將雷射源整合於刀庫,只要同一部工具機的Z軸擺頭就能分別進行積層製造與五軸車/銑削加工,先堆疊再逐步移除材料,毋須搬運至其他機台生產,影響加工精度與效率。


聚焦積減混合製造 歐日大廠軍備展示

目前在應用領域上,積層製造雖仍以原型打樣、客製化產品、複雜型工件為主。

估計該突破以往思考的製造方式,將會改變現有加工程序及機器結構,去年EMO實機展示或是以書面資料展示的歐、日系工具機及零組/配件業者,便有MAZAK、DMG MORI、IBARMIA、HERMLE等大廠。


其中,IBARMIA新發表積層、車銑複合混合加工機,便將功率3kW雷射源整合於刀把系統,機器設計時須考量雷射使用,與金屬粉末能否妥善分佈於工件表面。MAZAK以車銑複合機為主體架構,再納入積層製造製程,而成為混合(Hybrid)多工序工具機,具體呈現了混合製造的程序及概念。HAMUE公司推出的HSTM混合工具機,則是專門用來進行渦輪葉片與風扇修補、再製的專用設備,透過不同加工刀具、測頭與雷射模組,可提供高速銑削、3D掃瞄/檢測、雷射熔覆、去毛邊/拋光、標籤等不同製程功能。


現場還可見到展示的專用模組產品,顯示供應鏈逐漸成型。如AMBIT多功能系統,即包括一個具備標準刀把的雷射頭,可以安裝於任合工具機主軸上,只要透過調整雷射功率與供粉,就可提供3D沉積、熔覆、標籤、切割、鑽孔、預熱、退火/應力消除、表面再熔化及清潔等製程功能。且在美國國家積層製造創新研究院America Makes支助下,Optomec公司開發出LENS列印引擎(LPE)的積層製造模組,可以搭載在傳統CNC工具機或機器人、客製化門型衍架、桌上型設備上,成為具備積層製造能力的系統。



圖2 :  Optomec公司開發出LENS列印引擎(LPE)的積層製造模組,可以搭載在傳統機台上,成為具備積層製造能力的系統。(Source:http://www.industryweek.com)
圖2 : Optomec公司開發出LENS列印引擎(LPE)的積層製造模組,可以搭載在傳統機台上,成為具備積層製造能力的系統。(Source:http://www.industryweek.com)

目前在應用領域上,積層製造雖仍以原型打樣、客製化產品、複雜型工件為主。工業應用市場,則以航太、生醫、能源等領域居多,現已有工業零件廠商投入設計冷卻流道,如MAPAL刀具廠便發表以積層製造生產的刀把;HERMLE也在宣傳文件上,提供模具冷卻流道的混合製程。期待未來工具機,或許可以發展出類似半導體的微機電製程,將複雜的機構於機器上直接完成。


值得一提的是,相關技術除了雷射燒結元件外,還有與製程相關的控制器,Siemens公司在去年EMO現場,便特別藉其840D sl機種展示相關功能,可用於輕量、複雜結構或整合型元件的原型製作與小批量生產、損壞或磨損元件修復、對工件表面進行部份或全面鍍層;且後續搭配的CAD/CAM軟體發展,也值得觀察。


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