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积+减法整合为硬软体加值
导入制造业减碳升级

【作者: 陳念舜】2022年06月02日 星期四

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看好现今积层制造逐步深入制造业应用,尤其是在航太、汽车等先进制造领域不断推陈出新,所需关键零组件、模具既能整合积层制造(加法)及传统切削/成型(减法)工法,加快客制化开发生产速度;位居供应链上中游的工具机制造厂商也开始引进相关硬软体升级转型,以提升国际竞争力。



回顾在2000年之前制造飞机结构件与蒙皮等使用的主要材料,仍采取以铝合金(Aluminum)、??合金(Titanium Alloy)和其他轻质(非铁)金属材料为主。直到近20年来,始因为碳纤维(CFRP)等复合材料(Composites)具有轻量、高强度特性,可适应恶劣环境;加上制造技术进展与生产成本下降,陆续於航太、电动车用零件加工领域应用比例大幅增加。


且随着新品设计愈来愈复杂,零件曲面和复杂度不断提升,也为厂内加工设备带来改变,需要经过重复多次转向夹持进行加工,而容易因为人为架设失误而报废;复杂曲面也容易产生加工刀痕交错的表面,不仅影响品质,可能还须反覆修整,导致交货时间延长。



图1 : 业者在导入积层制造之後,不仅能利用其洁净度高、机械性质稳定等优势;且因为采取层层堆叠工法,不受限传统CNC切削加工的特性,已被航太、汽车制造业广为应用(source:x-plomachinery-x-cn.img.abc188.com)
图1 : 业者在导入积层制造之後,不仅能利用其洁净度高、机械性质稳定等优势;且因为采取层层堆叠工法,不受限传统CNC切削加工的特性,已被航太、汽车制造业广为应用(source:x-plomachinery-x-cn.img.abc188.com)

反观业者在导入积层制造之後,不仅能利用其洁净度高、机械性质稳定等优势;且因为采取层层堆叠工法,不受传统CNC加工拔模角或倒勾几何无法成型等束缚的特性,得以用来成型加工极度复杂曲面和负成型角,解决传统模具不易处理的流道/冒囗等问题。适用於快速开发模具,生产高单价、少量多样,甚至大批量客制化产品,已被航太、汽车制造业广为应用,将可大幅缩减产品研发时间和开发成本,提高量产良率。


即使近年来受到疫情影响民航机市场成长幅度,但包含货机改装、低轨卫星供应链等航太制造业需求仍方兴未艾;加上汽车电动化趋势,都促使机(车)身外壳及机构件、引擎等关键零组件及模具等加工生产领域发展创新,并纷纷投入研发轻量化、拓朴最隹化结构设计。


积+减法混合制造 欧日系大厂全都要


图2 : 现今还有能整合金属积层制造(加法)+切削(减法),形成新型混合加工设备,以针对制造或修补大型复杂外型的工件加工。(source:3dadept.com)
图2 : 现今还有能整合金属积层制造(加法)+切削(减法),形成新型混合加工设备,以针对制造或修补大型复杂外型的工件加工。(source:3dadept.com)

然而,目前业界将积层制造导入快速开发生产过程中的最大困难,即是传统机台上可成型的尺寸受限,倘若用於制造及修补如铸造陶心或模具、叶片等较大型工件时,仍须采取分割设计再组合的方式制作。


除了已有采取传统刀具切削(减法)的工具机,因此发展出单机多轴化(三轴以上)与车铣复合加工机种,或搭配放电/线切割、雷射、超音波等辅助成型加工技术,已成为当前工具机产业重要发展趋势;甚至还能整合积层制造(加法)等工法,形成新型复合加工设备,以针对制造或修补飞机机体结构件、引擎叶片、船用螺旋桨等复杂外型工件进行精密加工。


包括日本MAZAK公司推出的INTEGREX e-1250V/8 AG多工复合加工机,便具有齿轮刮削、滚齿、齿轮铣削与Gear Check Plus量测功能,可应用於生产内/外正齿轮、斜齿轮和花键式齿轮,该机种也具备积层制造与摩擦搅拌焊接的功能。DMG MORI已推出多款结合积层制造,与一般多轴铣削功能的复合式加工机,也可应用於复杂结构、高价值工件加工。


德国HAMUEL公司研发HSTM复合加工机,还利用不同加工刀具、测头与雷测模组,可提供专门用於修补、再制涡轮叶片与风扇的高速铣削、雷射熔覆、去毛边/抛光,以及3D扫描/检测、雷射打标等不同制程功能的专用机种。


涵括供应链硬软体 +GF+串连积层制造解决方案

瑞士商乔治费歇尔公司(+GF+)多年来也为此,提供客户所需积层制造材料、机台硬/软体、夹治具等完整解决方案。即使近年来陆续遭受国内外疫情复发、俄乌战火等变数不止,导致原物料、运费价格??涨和交期遭遇瓶颈,+GF+在台湾除了会对於物料储备上调整;在销售机台方面服务,也已透过众多应用中心,可分别针对需求孔急的客户配合加工应用测试,或是提供展示现机销售,以缩短客户等待时间。


由於+GF+积层制造应用领域广泛,目前除了可在模具业导入异型水路应用外,零件加工部份则是涵盖了航太、医疗、半导体、汽车等产业。例如在航太产业方面,过去有许多机身结构支架系采用传统CNC铣削加工,所使用的??合金材料、刀具成本价格不斐,移除的材料却比留下的材料多;还须配合曲面设计,在加工中不断翻转夹持,对於产能和成本都是一大考验。


+GF+现已发展出串联积层制造与铣削加工设备的解决方案,便分别针对五轴铣削和车铣(Mill +Turn)加工应用发表新品,今年高阶Mill X更导入Grinding高精度研磨功能。同时配合航太大厂利用+GF+积层加工解决方案进行研发,从设计端提供3D Xpert软体开始优化产品,再进入金属积层制造积层制造全制程整合。


+GF+进一步表示,目前该公司的金属积层制造设备配合工业制造所需,共分为275x275x420mm、500x500x500mm两种行程规格,可让客户有足够空间同时堆叠多种设计;再经由3D Xpert软体汇出积层制造完成的铣削程式,搭配+GF+自有3R夹治具系统,确保在制程转换过程中,毋须重新夹持校正。


最後,针对於工件移除积层制造平板後的线切割加工,+GF+也可提供独家CUT AM线切割加工机,得以改善传统线切割加工在金属积层制造时的不稳定性和零件掉落的风险,保持优良品质和完整性。透过+GF+独特全流程金属积层列印制程,将能让终端加工业客户的产品提高近20%产能,且有效节省铣削刀具和材料成本,顺利达到产能最隹化状态。



图3 : +GF+现已发展出串联积层制造与铣削加工设备的解决方案,克服过去有许多机身结构支架因采用传统CNC铣削加工,对於产能和成本造成考验(source:+GF+)
图3 : +GF+现已发展出串联积层制造与铣削加工设备的解决方案,克服过去有许多机身结构支架因采用传统CNC铣削加工,对於产能和成本造成考验(source:+GF+)

跟进混合加工应用 台厂开发高阶五轴机种

同样在全球工具机消费市场占有重要地位的台湾工具机产业,则有从产销五轴加工中心机起家的嵩富机械(Pinnacle),在2019~2020年间与成功大学、金属工业研究发展中心合作,於现有五轴铣削加工中心机上整合金属积层制造,可用於减缩制程、以航太引擎、燃气涡轮机叶片等大型工件的时间及成本,并在供粉过程中逐渐改变材料特性。


嵩富机械专案经理陈锡卿坦言:「由於目前台湾工具机产业仍以销售标准机为主,常面临竞争对手低价抢市,导致业者经营不易;以及终端加工业者针对航太、电动车等新兴应用领域所需高温合金零组件材料,皆属於难切削材居多,造成刀具急遽磨耗、加工效率低,制程成本居高不下等难题。」因此,业者未来势必应转型朝向开发高阶专用机种,进而改善高温合金加工效率及成本问题,已成为工具机产业开创新局的契机之一。


「随着雷射加工设备逐年稳定成长,与积层制造相关市场趋近明朗,势必带动混合加工设备需求。」嵩富认为,其除了可应用於加工航太、船舶、汽车、模具等多项重要产业的精密组件,相较过去仅能采取各种切削工法,更提供了金属积层制造能力;而模组化的主轴设计,更让嵩富销售机台在客户选配时,可有更高阶零组件选择,并创造高价值的技术性产品。


目前嵩富与成大机械系也趁势整合相关五轴工具机、雷射披覆DED积层制造、4/6系列不??钢搭配镍基合金(Inconel 718)粉末、加减法虚拟加工系统、雷射熔覆送粉模组与熔覆品质监诊等技术,形成产学研互利的协同合作模式,克服镍基合金经过积层制造後将更难铣削,进给耗时又磨损刀具等问题。


嵩富藉此在结构设计方面,由成大协助开发以中低功率1000W雷射为热源的自制雷射头及雷射熔覆送粉模组,将产学研发应用成果导入产业。於同轴送粉的连续雷射披覆机台上,完成对於雷射披覆DED金属积层制造技术的开发与分析,通过金属工业研究发展中心进行材料分析、产品拉伸试验;同时搭配复合五轴铣削加工系统的CNC编程,利用达康科技支援的PowerMILL软体,执行五轴加工机加减法的工序,得以涵盖从车用、航太及燃气涡轮增压器排气叶片加工生产、局部强化,直到产品品质检测验证的完整流程,提供能满足工业4.0、净零碳排产业趋势所需先期储备技术。


现已陆续完成验证叶轮载具制作验收规格,包括:叶片尺寸精度≤±0.01mm、表面粗糙度0.316μm;融覆高度>3mm、融覆宽度1.5mm;5片硬度HV222,达Inconel718素材硬度/抗拉强度/降伏强度数据80%以上。


针对单机加减法复合制程开发工件熔覆品质金相组织检测,该密度分析达8.18g/cm3,与原材密度8.19 g/cm3比较,致密度达99.8%。至於熔覆材厚度标准差为5.9μm,该平均值为452.3 μm;而材料利用率则在单光束可提升40.4%,在多光束雷射下,材料利用率可提升达53.4%。


完成加减法五轴加工设备之雷射熔覆制程模组整合,技术规格包含:熔覆加工速度400mm/min、积层厚度每层160μm、积层宽度 0.71~2.3mm、尺寸精度<±8%,单光束粉体利用率提升为40.4%。


嵩富进一步表示,经过此产学合作专案後发现,旗下团队因此对於工业级雷射源的品质差异了解甚高,得以藉雷射系统整合使用者、与了解国外雷射源技术角度後,协助建议雷射源设计及测试自主开发雷射熔覆模组性能,进行优劣比较并回??资讯修正。团队也经过接触多元雷射应用产业,可由终端用户的角度提供模组化光路的设计想法,更为符合产业需求;藉此缩短开发时程,并可搭配五轴加工设备实际应用验证,以利达到商品化目的。



图4 : 嵩富机械与成功大学、金属工业研究发展中心合作,於现有五轴铣削加工中心机上整合金属积层制造,可用於减缩制程、修补航太、燃气涡轮机叶片等大型工件的时间及成本(source:嵩富)
图4 : 嵩富机械与成功大学、金属工业研究发展中心合作,於现有五轴铣削加工中心机上整合金属积层制造,可用於减缩制程、修补航太、燃气涡轮机叶片等大型工件的时间及成本(source:嵩富)

结语

值得一提的是,由於积减法混合加工对於工件品质要求更为严苛,过程中须对於工件持续加工时进行线上量检测,既可减少多馀的上下料时间,加快生产效率;也避免了工件在不同机台间装卸,容易影响加工精度。


不仅在瑞士商+GF+提供自动化所需的夹治具、仓储和搬运系统,可同时整合串接+GF+本身品牌和其他加工和量测设备等硬体之外;於软体部分则分为两部份,在设备方面可搭配由+GF+自主开发的rConnect软体,经过德国TUV莱茵安全认证,提供客户与+GF+专属的数位连线与工程师即时沟通,以及透过手机即时追踪监控机台稼动率、状态等讯息。


+GF+同时提供WSM系统,可以针对工件生产排程进行管理,对各站产线产能和仓储材料进行监控,且与客户MES、ERP共享资料,进行原物料管理。对於有客制化开发需求的客户,+GF+也透过OPC UA通讯协定,让客户自由选取开发和管理所需的资料,并透过自动化整合了夹治具、搬运系统和软体,协助客户达到24/7无人化加工管理目标。


嵩富在生产模拟也搭配Power Milling软体用於加工前的模拟,使之能更精准减少加工上的误差;并搭配Renishaw工件量测产品,能直接在机台上量测工件的精度,减少再拆的工序,达到完整的加工精度效益,未来也不排除结合工业机器人进行喷粉、修补。


在整体设备效率上,则除了於机台完成一次性的工序,而提升生产效率及品质效益之外;现也配合执行厂内MES系统,可视化呈现机台生产履历;让客户及供应商可修正系统软体,共同於系统中满足各界对於售服维修需求。


**刊头图(source:tctmagazine.com)


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