產研協力推進積層製造應用

[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。

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。

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。

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】