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粉末冶金技术大跃进
金属积层当道

【作者: 陳念舜】2016年07月12日 星期二

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过去3D列印技术多指塑胶材质,但在此则特别意指用雷射烧结金属粉末,再层层堆叠成型。


虽然近年来属于3D列印工法之一的金属积层制造(Additive manufacture, AM),因为相较于塑胶材质,更接近工具机及终端加工业者习惯;且同样可提供一个快速实现复杂成型的途径,达成较佳设计自由度和零件的复杂性,而备受外界期待。惟因其最终精度还是不及于传统CNC工法,恐导致工件、产品表面品质易受影响;加上企业导入成本与生产效率仍无法克服,在过去一段时间以来发展缓慢。


有别于现今投入金属积层制造的各方产官学研单位,多年来在自动化、工业量测、机械运动控制与精密加工等领域,均占有业界领先地位的英国雷尼绍公司(Renishaw)也在今年5月初落幕的「台北国际数控暨制造技术展(MT duo)」正式发表最新快速堆叠成型制造系统(AM250),将有机会解决过往金属积层制造最为人垢病的品质与效率问题。


Renishaw推出快速堆叠成型系统

Renishaw推出的快速堆叠成型制造系统系采用SLM技术,先将所得到的3D CAD档案转换为STL档案后输入设备后,在严格控制的大气压力下,直接经高功率光纤雷射熔融多种金属细粉末,烧结产生出厚约20~100μm层层堆叠的致密金属工件。该技术现已广为用于制造特定的医疗植入体、轻量化航太与赛车零组件、高效率热交换器,以及含有异型冷却水路的射出成型模具嵌件,提供设计师更多自由度,创造出不受传统制程或大量生产模具需求限制的复杂结构和形状、嵌入式特征。


雷射熔化(加法)还能与传统机械加工(减法)技术相辅相成,形成制造系统的一环,包括热处理、表面后处理等,有助于客户减省前置开发时间、模具及材料成本浪费,仅制造所需产品而率先上市。使用者还能受惠于Renishaw对制程排放量及粉末处理技术,减少不必要的材料浪费,在改进粉末调节系统内精炼后,超过98%以上粉末材料,都可循环再利用。



图1 : 随着金属积层制造发展,将主要先用于满足轻量化需求,近年来Renishaw更一举跨足金属积层制造领域,成为新进设备制造商。 (摄影:陈念舜)
图1 : 随着金属积层制造发展,将主要先用于满足轻量化需求,近年来Renishaw更一举跨足金属积层制造领域,成为新进设备制造商。 (摄影:陈念舜)

Renishaw在今年MT duo虽仅展示2014年与知名自行车厂商Empire Cycles合作成果,强调以积层制造出世界首件单车钛合金骨架,符合登山越野型车种对轻量及耐冲击、碰撞要求;Empire Cycles也得利于该工法具备汽机车冲压钢板「单体」构造拥有的各项优点,却不必大量投资添购设备。


但由于该系统具有防辐射和粉末处理的安全设计,足以安全处理钛、铝等活性材料为其基本功能之一,在导入高阶医疗、航太、电子及高科技应用领域后,相信将能带来更庞大商机。包括从病患专用的骨科植入体,到大量生产采用混合式结构与质地的医疗器材,雷射熔化技术具有解放制造能力,结合自由形状和精细晶格结构的潜能,大幅改善病患复原情况。


除了MT duo外,甫于去(2015)年落幕的欧洲工具机展(EMO)则揭示了另一种可能,其不仅以「Let's build the future(打造未来机具)」为主题,由CECIMO(欧洲工具机业合作委员会)官网及发行的相关资讯则可见,未来制造面临的挑战之一,将是金属积层制造(加法)与传统切削、移除素材工法(减法)之混合,期待仍借此实现更高水准的加工一致性和准确性,生产要求精确的零件与产品;诸多参展的欧日工具机及零组/配件大厂,也首度将积层制造列入摊位主题,预料​​将成为未来数届国际工具机大展主流。


财团法人精密机械研究发展中心(PMC)工程师吴仲伟认为,过去3D列印技术多指塑胶材质,但在此则特别意指用雷射烧结金属粉末,再层层堆叠成型;且在CNC工具机上,直接改将雷射源整合于刀库,只要同一部工具机的Z轴摆头就能分别进行积层制造与五轴车/铣削加工,先堆叠再逐步移除材料,毋须搬运至其他机台生产,影响加工精度与效率。


聚焦积减混合制造 欧日大厂军备展示

目前在应用领域上,积层制造虽仍以原型打样、客制化产品、复杂型工件为主。

估计该突破以往思考的制造方式,将会改变现有加工程序及机器结构,去年EMO实机展示或是以书面资料展示的欧、日系工具机及零组/配件业者,便有MAZAK、DMG MORI、 IBARMIA、HERMLE等大厂。


其中,IBARMIA新发表积层、车铣复合混合加工机,便将功率3kW雷射源整合于刀把系统,机器设计时须考量雷射使用,与金属粉末能否妥善分布于工件表面。 MAZAK以车铣复合机为主体架构,再纳入积层制造制程,而成为混合(Hybrid)多工序工具机,具体呈现了混合制造的程序及概念。HAMUE公司推出的HSTM混合工具机,则是专门用来进行涡轮叶片与风扇修补、再制的专用设备,透过不同加工刀具、测头与雷射模组,可提供高速铣削、3D扫瞄/检测、雷射熔覆、去毛边/抛光、标签等不同制程功能。


现场还可见到展示的专用模组产品,显示供应链逐渐成型。如AMBIT多功能系统,即包括一个具备标准刀把的雷射头,可以安装于任合工具机主轴上,只要透过调整雷射功率与供粉,就可提供3D沉积、熔覆、标签、切割、钻孔、预热、退火/应力消除、表面再熔化及清洁等制程功能。且在美国国家积层制造创新研究院America Makes支助下,Optomec公司开发出LENS列印引擎(LPE)的积层制造模组,可以搭载在传统CNC工具机或机器人、客制化门型衍架、桌上型设备上,成为具备积层制造能力的系统。



图2 : Optomec公司开发出LENS列印引擎(LPE)的积层制造模组,可以搭载在传统机台上,成为具备积层制造能力的系统。 (Source:http://www.industryweek.com)
图2 : Optomec公司开发出LENS列印引擎(LPE)的积层制造模组,可以搭载在传统机台上,成为具备积层制造能力的系统。 (Source:http://www.industryweek.com)

目前在应用领域上,积层制造虽仍以原型打样、客制化产品、复杂型工件为主。工业应用市场,则以航太、生医、能源等领域居多,现已有工业零件厂商投入设计冷却流道,如MAPAL刀具厂便发表以积层制造生产的刀把;HERMLE也在宣传文件上,提供模具冷却流道的混合制程。期待未来工具机,或许可以发展出类似半导体的微机电制程,将复杂的机构于机器上直接完成。


值得一提的是,相关技术除了雷射烧结元件外,还有与制程相关的控制器,Siemens公司在去年EMO现场,便特别借其840D sl机种展示相关功能,可用于轻量、复杂结构或整合型元件的原型制作与小批量生产、损坏或磨损元件修复、对工件表面进行部份或全面镀层;且后续搭配的CAD/CAM软体发展,也值得观察。


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