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產研協力推進積層製造應用

圖1 : 由積層製造所使用的材料和產出工件效能,也都能符合現今半導體、航太、汽車等級品質要求,甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。(source:Autodesk)
圖1 : 由積層製造所使用的材料和產出工件效能,也都能符合現今半導體、航太、汽車等級品質要求,甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。(source:Autodesk)

[作者 陳念舜]

迎接當前國際淨零碳排浪潮,不僅各國政府和製造業大廠紛紛要求供應鏈須協力節能減排(廢)碳,讓積層製造應用可望扮演重要角色;以及後疫時代通膨隱憂和交期瓶頸,都推進航太、汽機車、模具等加工產業,希望能跟上數位轉型腳步,導入零接觸變更設計與生產流程,也催熟電腦輔助設計CAX系統軟體雲端商機。

自從2009年金融海嘯過後,由德國、美國為首,分別投入發展工業4.0、先進製造夥伴等製造業回流政策以來,後者也因此促使「積層製造(Additive Manufacturing;AM)」技術更備受關注。不僅可發揮其層層堆疊材料成為立體物件,直到一體加工成型的優勢,實現傳統工法無法完成的龐大或複雜設計形狀的工件,而毋須採取模具分件接合方式,得以有效提高精度、大幅減省開發時間與開模成本;同時提高可靠度,對於昂貴材料使用率更佳。

隨著近年來製造業對於少量多樣化與客製化產品需求,不斷縮短量產規模的日程;以及精度、品質要求日益嚴謹,導致模具加工精度、壽命和耐用度,成為產業致勝的關鍵。讓業者開始引進各項先進軟體科技和高階精密設備,來協助終端產品穩定效能與品質,讓製造工廠生產效益最大化,亦可實現模具智慧製造的本質。

因此而引進積層製造的快速模具,也確實有助於縮短產品研發時間50%,將大幅降低業者的開發成本。一旦產品設計變更時,快速模具即可隨時重新開始列印生產,讓業者取得產品開發先機,大幅降低模具費用和庫存成本;同時解決以傳統模具生產方式,常會有每批次最少訂單量(MOQ)限制,一旦數量不足時,就會造成業者沉重的庫存壓力。

且由積層製造所使用的材料和產出工件效能,也都能符合現今半導體、航太、汽車等級品質要求,甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。惟因其材質及構造非鐵金屬,具有多層異質材料和非均勻性;在零組件加工所需機械設備特性,也與單純金屬切削/成型(減法)加工機種有別。

產研合推積層製造 迎合淨零碳排趨勢

台灣工研院則在2012~2013年間,便開始結合國內外設備、材料、應用等產學研技術能量,形成雷射積層製造產業群聚,進而打造「雷射光谷」,提供產業從研發到試量產等服務;並將自主建立的超快雷射加工應用與光纖雷射源技術移轉台灣廠商,逐步落實於產業化應用。

參與其中的工具機大廠東台精機,則在2011年已率先投入開發雷射積層製造機種,並陸續開發出選擇性雷射熔融(鋪粉式Powder Bed Fusion;PBF)、整合傳統五軸金屬切削的直接能量沉積複合切削加工機(攻粉式Directed Energy Deposition;DED),後者只要在刀庫裡更換雷射、銑削主軸頭,即可整合加/減混合(Hybrid)工法與材料,或在攻粉過程中改變材料磁性。

圖2 : 參與工研院雷射光谷的工具機大廠東台精機,則在2011年已率先投入開發一系列雷射積層製造機種。(攝影:陳念舜)
圖2 : 參與工研院雷射光谷的工具機大廠東台精機,則在2011年已率先投入開發一系列雷射積層製造機種。(攝影:陳念舜)

另有東台獨有的噴膠式砂模列印(BJ)加工機系列產品,尤其適合現今遭遇供應鏈瓶頸,客戶需要更快速的模具製作方式來壓縮模具製造週期,減少應變時間,才能提高搶單的競爭能力。模具業者既可透過噴膠黏粉積層製造技術,實現異型冷卻水路設計,經過模擬分析驗證後,用來開發電動車輕量化零組件所需熱沖壓模具。

既能提高水路複雜度,幾乎可列印出任何想像得到的複雜水路設計,更為貼近產品輪廓。當設置在接近產品表面、傳統水路不易觸及的領域,也能縮減冷卻時間和熱點,實現可調控模具溫度的數位模具2.0時代,使之加工生產過程速度更快。

在日前舉行的「打造淨零時代競爭力論壇及特展(NET ZERO Day)」上,工研院也發表於積層製造所需「特用合金粉末試量產/驗證技術平台」,透過合金材料設計與製作、氣氛控制、粉末粒徑控制以及造粒控制技術,達成高流動性合金粉末製備,並提升粉末真圓度與緻密堆積度,降低燒結後合金之收縮率,維持產品的精度。

同時針對不同粉末成形及其後製程技術,提供符合該製程之粉末形態,建立各製程參數,並進行微結構、物理和機械性質分析,以建立較佳的製程參數,進行金屬材料熱加工模擬技術;加強技術差異化,提供量產前的特用合金粉末設計開發、高品質粉末製作、粉末粒徑控制、製程參數開發、粉末材料性能驗證所需的Total Solution。

圖3 : 工研院引進Gleeble 3500熱加工模擬系統,模擬金屬材料之高溫性質測試或製程(source:research.unsw.edu.au))
圖3 : 工研院引進Gleeble 3500熱加工模擬系統,模擬金屬材料之高溫性質測試或製程(source:research.unsw.edu.au))

其中,在金屬材料熱加工模擬技術方面,工研院使用Gleeble 3500熱加工模擬系統模擬金屬材料之高溫性質測試或製程,由於採取電阻式加熱的速率高,可同時快速改變溫度與變形速率,進行單道次或多道次、單一或變化溫度的熱加工(拉伸、壓縮)或熱處理製程模擬;測試效率高,可降低測試材料消耗,縮短製程研發時間。

奧奔麥引進積層製造CAM模組 形塑完整流程鏈

此外,現由奧奔麥科技公司(Openmind)所引進的3~5軸高階CAD/CAM系統軟體hyperMILL ADDITIVE Manufacturing,也因為可直接獲得德國總部支援先進製造技術、資源共享,強調不只賣軟體,還可透過後處理器與客戶端任何等級的工具機CNC控制器進行安全連線。

既有別於其他金屬積層製造採取雷射逐層燒結或熔合粉末材料的PBF製程,僅適用於平面。而是專注於輔助經過噴嘴送入粉末或線材,並利用雷射或電弧熔化的DED製程,可應用於任何平面或自由曲面;或是於合適機台上添加材料,依照相同設置完成DED Hybrid machining混合加工。

分別針對航太、汽車、模具、能源、生醫等產業需求,在2D/3D空間中控制不同材料應用的種類組合;透過hyperMILL同一軟體介面編輯、模擬和產出程式,以輔助五軸工具機加工如倒鉤區域、異型冷卻管路等,特別複雜的零件幾何形狀,減少因大量刨除工法而浪費的材料,且具有主動防撞功能;進而靈活更新或修改、優化零組件設計版本,甚至在原有材料上增加不同特徵、材質,以修復損壞的零組件。

同時管理雷射控制指令和技術參數,形成各種格子/網格策略,可以單獨微幅控制進給方向和角度、餘量重疊、應用厚度,自動計算應用區域的刀具路徑,防止在同向重覆堆疊過程中,造成材料遭受過多剪力而易脆;以及選擇連續或間斷供料,避免因過度集中起始點過熱。

圖4 : 奧奔麥科技公司目前專注於雷射積層製造DED製程,並透過單一軟體hyperMILL ADDITIVE Manufacturing完美整合設計、分析、製造流程鏈(source:source--designworldonline.com)
圖4 : 奧奔麥科技公司目前專注於雷射積層製造DED製程,並透過單一軟體hyperMILL ADDITIVE Manufacturing完美整合設計、分析、製造流程鏈(source:source--designworldonline.com)

藉此可在原本基板或零組件素材上,透過焊接組(混)合材質、特性的材料而創建零件;逐步添加各種複雜功能,例如再經過銑削,強化剛性、硬度抗磨損。進而添加其他幾何特徵到現有零件上並重新加工,以靈活應對設計變更;通過額外添加的材料層,來強化某些區域的零件,或者是針對性改變其表面特性或屬性。還可結合工業機器人、機上量測修復和返工損壞區域,例如沖壓模具磨損的切削刃,或是再次翻新整修渦輪葉片、模具等零組件等,不必拆卸送修而影響精度。

奧奔麥科技公司AE經理李瑞勝進一步指出,現今積層製造零組件面臨的挑戰,包括:對於外觀須精準加工特徵和曲面,以提高表面光潔度;待完成加工複雜工件或內部空洞結構後,還須規劃移除支撐結構,或不必要的刀具路徑。

若能將之完美整合到hyperMILL設計→分析→製造流程鏈中,在設計階段就會有各種接口介面(interfaces),用於導入模型和積層製造素材數據,並加入CAD模型與真實夾持狀況的最佳擬合(Best Fit)解決方案,在單機或多站積層製造時,經過夾緊/固定、對齊和檢查複雜工件、定義實際的NC原點,與CAD數據確保一致性。

進而在製造階段生成最佳NC程式、調校CNC數控系統,針對難以到達的區域執行2,5D、3D和五軸綜合加工策略,以及模型和積層製造素材的主動模擬、防干涉或碰撞、空(過)切等檢查功能,優化積層製造與五軸切削加工路徑,實現精確加工,控制殘料位置,減少不必要浪費。最終在機上量測階段處理CAD數據(printed stock),反饋到hyperMILL軟體檢查加工特徵的尺寸和方向,並使用3D點量測對於積層製造零組件的各區域進行表面品質檢查。

奧奔麥甚至還提供了Teamviewer軟體,以便協助設計部門工程師進行居家作業,隨時更新軟體版本、延伸應用模組,與現場操作人員連線變更設計;只要得知刀具參數、工件擺放位置及座標原點,就能更精準模擬實機上線狀態,自動計算出最佳刀具路徑,預估加工時間,提升品質和效率。

【欲閱讀更豐富的完整的內容,請參閱智動化SmartAuto雜誌 2022 年第 81期6 月號】

2022.6月(第81期)迎向燈塔工廠 廠房的綠色製造競爭力
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積+減法整合為硬軟體加值

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