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运用光学量测技术开发低成本精密腊型铸造
 

【作者: 郭啟全、蔡昀叡等人】2022年02月16日 星期三

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光学测量技术优点为无需接触或破坏产品之条件下,即可以获得检测对象的全域三维数据,以一次高速扫描取代多次又复杂的检测作业。本文描述结合ATOS 3D光学量测技术、快速模具技术以及低压射出成型技术的研究方法,如何在运用低制作成本条件下,开发具备经济效益精密腊型之批量生产技术。


模具产业可以代表一个国家兴衰的指标,若一个国家的模具产业篷勃发展,表示该国家的经济根基非常稳固。根据实务经验,Projet MJP 3D列印机可以快速制作精密腊型,运用於精密铸造[1]。然而精密腊型的制作成本昂贵,所以开发具经济效益精密腊型的批量生产技术成为重要研究议题。


快速模具技术[2-4]可以降低模具的开发成本,根据制程差异,快速模具技术可分为直接造模法与间接造模法。直接造模法是直接以快速制造的方式来制作模具,例如DMD、DMLS 、SLM、SLA或SLS技术,并运用塑胶射出成型、吹气成型、金属粉末射出成型模具、粉末冶金成型、挤制成型或射出压缩成型,来试产新产品;间接造模法是先制作出产品原型件,再以翻制方式来制作矽胶模具、金属树脂模具或搭配真空注型技术来试产新产品。


本研究为结合ATOS 3D光学量测技术、快速模具技术以及低压射出成型技术,开发具备经济效益精密腊型的批量生产技术。;


实验方法与步骤

图1为研究流程。本研究的使用材料,包括聚乳酸线材(filament)、矽胶主剂、硬化剂。



图1 : 研究流程[5]
图1 : 研究流程[5]

本研究所使用软体包括用GOM inspect检测软体、Creo Parametric、Microsoft Visio、Cura切层软体(Ultimaker)以及Microsoft Excel软体。至於使用的硬体与设备,包括Projet MJP 3D列印机(3D system Inc.)、熔融沉积成型3D列印机、场效发射式扫描电子显微镜(field-emission scanning electron microscope;FE-SEM)、X光绕射仪(X-ray Diffractometer;XRD)、万能试验机、红外线温度感测仪(infrared temperature sensor)、金相显微镜、白光干涉仪(White Light Interferometers;WLI)、能量色散X-射线光谱仪(energy-dispersive X-ray spectroscopy;EDS)、精密电子秤、金相显微镜、数位多段式真空注腊机以及3D光学量测ATOS Core 80。图2为熔融沉积成型3D列印机的实体图,图3为Projet MJP 3D列印机的实体图。


图2 : 熔融沉积成型3D列印机的实体图
图2 : 熔融沉积成型3D列印机的实体图

图3 :  Projet MJP 3D列印机的实体图
图3 : Projet MJP 3D列印机的实体图

本研究选用卡榫(Latch)为研究标的物,图4为卡榫之3D CAD模型与几何尺寸,卡榫设有D1、D2、D3、L1以及L2等五个关键尺寸,尺寸分别为43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm。



图4 : 卡榫的3D CAD模型与几何尺寸[5]
图4 : 卡榫的3D CAD模型与几何尺寸[5]

研究成果

图5为第一次研究运用矽胶模具所翻制的卡榫腊型平均值,与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形,两者於五个关键尺寸的误差量。



图5 : 第一次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸的误差量[5]
图5 : 第一次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸的误差量[5]

关於卡榫的五个关键设计尺寸分别约为43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm,运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形五个关键尺寸分别约为42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm,PLA 3D列印件五个关键尺寸分别约为42.84 mm、24.9 mm、19.78 mm、29.69 mm以及11.7 mm,翻制卡榫腊型平均42.33 mm、24.20 mm、18.88 mm、28.83 mm以及10.98 mm,如与运用Projet MJP 3D列印机所列印卡榫腊形的D1、D2、D3、L1以及L2等五个关键尺寸进行比较,D1、D2、D3、L1以及L2的误差量,分别为-0.35 mm、-0.48 mm、-0.83 mm、1.03 mm以及-0.89 mm。


图6为第二次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸的误差量。卡榫五个关键设计尺寸分别约为43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm,运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形五个关键尺寸则分别约为42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm。


运用第一次设计变更卡榫尺寸以PLA材料所列印3D列印件五个关键尺寸,分别约为42.92 mm、25.01 mm、19.92 mm、29.95 mm以及11.99 mm,翻制卡榫腊型平均 42.36 mm、24.21 mm、18.99 mm、29.01 mm以及11.11 mm。


如与运用Projet MJP 3D列印机所列印卡榫腊形的D1、D2、D3、L1以及L2等五个关键尺寸进行比较,D1、D2、D3、L1以及L2之误差量分别为 -0.32 mm、-0.47 mm、-0.72 mm、-0.85 mm以及 -0.76 mm。



图6 : 第二次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸的误差量[5]
图6 : 第二次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸的误差量[5]

图7为第三次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸之误差量。卡榫五个关键设计尺寸分别约为43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm,运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形五个关键尺寸分别约为42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm。



图7 : 第三次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值,与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸的误差量。[5]
图7 : 第三次研究运用矽胶模具所翻制卡榫腊型平均值,与运用Projet MJP 3D列印卡榫腊形於五个关键尺寸的误差量。[5]

运用第二次设计变更卡榫尺寸,以PLA材料所列印3D列印件五个关键尺寸分别约为43.38 mm、25.44 mm、20.41 mm、31.17 mm以及13.22 mm,翻制卡榫腊型平均 42.78 mm、24.78 mm、19.68 mm、30.15 mm以及12.45 mm。


如与运用Projet MJP 3D列印机所列印卡榫腊形之D1、D2、D3、L1以及L2等五个关键尺寸进行比较,D1、D2、D3、L1以及L2之误差量分别为0.1 mm、0.1 mm、-0.03 mm、0.29 mm以及0.58 mm。


此结果显示,运用第二次设计变更卡榫尺寸所翻制卡榫腊型五个关键尺寸。与运用Projet MJP 3D列印机台直接列印腊型的关键尺寸非常接近,这一些误差均在工业界可以接受0.5 mm误差范围内。而当精密腊型尺寸於10 mm至45 mm之内利用,腊型设计图於横轴与纵轴分别增加0.75 mm以及1 mm,即可以在低成本与快速方式批量生产精密腊型。


为了验证本研究方法的经济效益,运用传统方法与提出的研究方法制作二十件精密腊型,比较总制作成本的结果,如图8所示。运用Projet MJP 3D 列印机列印精密腊型为台币750元(以下计算币值为台币),批量列印20件精密腊型的总制作成本约为15,000元,而运用本研究方法翻制精密腊型的总制作成本仅需2,174元,总制作成本涵盖205 g PLA线材为137元、350 g矽胶为257元、8小时人工成本为1280元以及3,600 g K512腊材500元。



图8 : 运用本研究方法与传统方法制作二十件精密腊型的总制作成本比较图[5]
图8 : 运用本研究方法与传统方法制作二十件精密腊型的总制作成本比较图[5]

从比较结果显示,本研究整合ATOS 3D光学量测技术、快速模具技术以及低压射出成型技术,开发出精密腊型的批量生产技术具备经济效益,制作二十件精密腊型总制作成本约可以大幅节省86%。


结论

本研究结合ATOS 3D光学量测技术、快速模具技术以及低压射出成型技术,开发具备经济效益精密腊型的批量生产技术,具备工业实用价值与产业利用性,本研究成果可以提供精密铸造产业於研发阶段所需批量精密腊形的试作。如与传统方法制作20件精密腊型总成本进行比较,运用本研究所提出之方法,其总制作成本可以节省约86%。


当精密腊型尺寸於10 mm至45 mm之内利用,腊型设计图於横轴与纵轴分别增加0.75 mm以及1 mm,再运用上述的研究方法,即可以在低制作成本条件下进行精密腊型的批量生产。当中补正的主要方向为补偿PLA材料缩水率、机台误差、矽胶缩水率以及腊材缩水率。其中,X方向与Y方向之总制程缩水率分别约为1.75%与3.34%。


(本文作者郭启全1、蔡昀??2、陈名扬2、颜证育21明志科技大学机械工程系暨智慧医疗研究中心教授、2机械工程系专题生)


叁考文献

[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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