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積+減法整合為硬軟體加值

圖1 : 業者在導入積層製造之後,不僅能利用其潔淨度高、機械性質穩定等優勢;且因為採取層層堆疊工法,不受限傳統CNC切削加工的特性,已被航太、汽車製造業廣為應用(source:x-plomachinery-x-cn.img.abc188.com)
圖1 : 業者在導入積層製造之後,不僅能利用其潔淨度高、機械性質穩定等優勢;且因為採取層層堆疊工法,不受限傳統CNC切削加工的特性,已被航太、汽車製造業廣為應用(source:x-plomachinery-x-cn.img.abc188.com)

[作者 陳念舜]

回顧在2000年之前製造飛機結構件與蒙皮等使用的主要材料,仍採取以鋁合金(Aluminum)、鈦合金(Titanium Alloy)和其他輕質(非鐵)金屬材料為主。直到近20年來,始因為碳纖維(CFRP)等複合材料(Composites)具有輕量、高強度特性,可適應惡劣環境;加上製造技術進展與生產成本下降,陸續於航太、電動車用零件加工領域應用比例大幅增加。

且隨著新品設計愈來愈複雜,零件曲面和複雜度不斷提升,也為廠內加工設備帶來改變,需要經過重複多次轉向夾持進行加工,而容易因為人為架設失誤而報廢;複雜曲面也容易產生加工刀痕交錯的表面,不僅影響品質,可能還須反覆修整,導致交貨時間延長。

反觀業者在導入積層製造之後,不僅能利用其潔淨度高、機械性質穩定等優勢;且因為採取層層堆疊工法,不受傳統CNC加工拔模角或倒勾幾何無法成型等束縛的特性,得以用來成型加工極度複雜曲面和負成型角,解決傳統模具不易處理的流道/冒口等問題。適用於快速開發模具,生產高單價、少量多樣,甚至大批量客製化產品,已被航太、汽車製造業廣為應用,將可大幅縮減產品研發時間和開發成本,提高量產良率。

即使近年來受到疫情影響民航機市場成長幅度,但包含貨機改裝、低軌衛星供應鏈等航太製造業需求仍方興未艾;加上汽車電動化趨勢,都促使機(車)身外殼及機構件、引擎等關鍵零組件及模具等加工生產領域發展創新,並紛紛投入研發輕量化、拓樸最佳化結構設計。

積+減法混合製造 歐日系大廠全都要

圖2 : 現今還有能整合金屬積層製造(加法)+切削(減法),形成新型混合加工設備,以針對製造或修補大型複雜外型的工件加工。(source:3dadept.com)
圖2 : 現今還有能整合金屬積層製造(加法)+切削(減法),形成新型混合加工設備,以針對製造或修補大型複雜外型的工件加工。(source:3dadept.com)

然而,目前業界將積層製造導入快速開發生產過程中的最大困難,即是傳統機台上可成型的尺寸受限,倘若用於製造及修補如鑄造陶心或模具、葉片等較大型工件時,仍須採取分割設計再組合的方式製作。

除了已有採取傳統刀具切削(減法)的工具機,因此發展出單機多軸化(三軸以上)與車銑複合加工機種,或搭配放電/線切割、雷射、超音波等輔助成型加工技術,已成為當前工具機產業重要發展趨勢;甚至還能整合積層製造(加法)等工法,形成新型複合加工設備,以針對製造或修補飛機機體結構件、引擎葉片、船用螺旋槳等複雜外型工件進行精密加工。

包括日本MAZAK公司推出的INTEGREX e-1250V/8 AG多工複合加工機,便具有齒輪刮削、滾齒、齒輪銑削與Gear Check Plus量測功能,可應用於生產內/外正齒輪、斜齒輪和花鍵式齒輪,該機種也具備積層製造與摩擦攪拌焊接的功能。DMG MORI已推出多款結合積層製造,與一般多軸銑削功能的複合式加工機,也可應用於複雜結構、高價值工件加工。

德國HAMUEL公司研發HSTM複合加工機,還利用不同加工刀具、測頭與雷測模組,可提供專門用於修補、再製渦輪葉片與風扇的高速銑削、雷射熔覆、去毛邊/拋光,以及3D掃描/檢測、雷射打標等不同製程功能的專用機種。

涵括供應鏈硬軟體 +GF+串連積層製造解決方案

瑞士商喬治費歇爾公司(+GF+)多年來也為此,提供客戶所需積層製造材料、機台硬/軟體、夾治具等完整解決方案。即使近年來陸續遭受國內外疫情復發、俄烏戰火等變數不止,導致原物料、運費價格飆漲和交期遭遇瓶頸,+GF+在台灣除了會對於物料儲備上調整;在銷售機台方面服務,也已透過眾多應用中心,可分別針對需求孔急的客戶配合加工應用測試,或是提供展示現機銷售,以縮短客戶等待時間。

由於+GF+積層製造應用領域廣泛,目前除了可在模具業導入異型水路應用外,零件加工部份則是涵蓋了航太、醫療、半導體、汽車等產業。例如在航太產業方面,過去有許多機身結構支架係採用傳統CNC銑削加工,所使用的鈦合金材料、刀具成本價格不斐,移除的材料卻比留下的材料多;還須配合曲面設計,在加工中不斷翻轉夾持,對於產能和成本都是一大考驗。

+GF+現已發展出串聯積層製造與銑削加工設備的解決方案,便分別針對五軸銑削和車銑(Mill +Turn)加工應用發表新品,今年高階Mill X更導入Grinding高精度研磨功能。同時配合航太大廠利用+GF+積層加工解決方案進行研發,從設計端提供3D Xpert軟體開始優化產品,再進入金屬積層製造積層製造全製程整合。

+GF+進一步表示,目前該公司的金屬積層製造設備配合工業製造所需,共分為275x275x420mm、500x500x500mm兩種行程規格,可讓客戶有足夠空間同時堆疊多種設計;再經由3D Xpert軟體匯出積層製造完成的銑削程式,搭配+GF+自有3R夾治具系統,確保在製程轉換過程中,毋須重新夾持校正。

最後,針對於工件移除積層製造平板後的線切割加工,+GF+也可提供獨家CUT AM線切割加工機,得以改善傳統線切割加工在金屬積層製造時的不穩定性和零件掉落的風險,保持優良品質和完整性。透過+GF+獨特全流程金屬積層列印製程,將能讓終端加工業客戶的產品提高近20%產能,且有效節省銑削刀具和材料成本,順利達到產能最佳化狀態。

圖3 : +GF+現已發展出串聯積層製造與銑削加工設備的解決方案,克服過去有許多機身結構支架因採用傳統CNC銑削加工,對於產能和成本造成考驗(source:+GF+)
圖3 : +GF+現已發展出串聯積層製造與銑削加工設備的解決方案,克服過去有許多機身結構支架因採用傳統CNC銑削加工,對於產能和成本造成考驗(source:+GF+)

跟進混合加工應用 台廠開發高階五軸機種

同樣在全球工具機消費市場占有重要地位的台灣工具機產業,則有從產銷五軸加工中心機起家的嵩富機械(Pinnacle),在2019~2020年間與成功大學、金屬工業研究發展中心合作,於現有五軸銑削加工中心機上整合金屬積層製造,可用於減縮製程、以航太引擎、燃氣渦輪機葉片等大型工件的時間及成本,並在供粉過程中逐漸改變材料特性。

【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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