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技術趨勢
決勝先進製造時代 台灣金屬積層製造產業應用
2020.05.13∣瀏覽數:112

積層製造(AM,Additive Manufacturing),可實現快速原型製造、高度客製化設計、材料多 元使用等特性,可將產品開發及工序由現有時程大幅壓縮至一半以下,讓製造商在「產品設計 →製造工序→功能測試→產品出貨」流程中,達到省工序、省時間、省成本等「三省」之高效 率製造紅利。已在模具、半導體、汽機車零組件、航太及醫療等產業均具有大量的實績運用。
文 ◆ 工研院雷射與積層製造科技中心 凃冠旭、鄧凱元、林得耀、林敬智、莊傳勝

全球知名AM廠商與研發單位,皆如火如荼地勾勒積層製造在工業4.0未來工廠之情境, 搭配物聯網、智慧機器人及巨量資料分析, 朝開放架構、模組化可擴充、與前後段多站式連結,實現跨場域之智能化整線彈性製造之新里程碑。

傳統加工多樣少量高值需求與加工極限之挑戰逐漸浮現,如對於深槽、深孔、高曲率與高深寬比的特殊需求以及複雜形貌加工, 甚至內部複雜水路或特殊結構均非常難以製 作或實現。積層製造技術,以逐層堆積製造 之加法式製造方法加工,解決傳統加工之瓶 頸與限制,減少廢料產生,更可縮短複雜工 件之工期,免除多道製程以及轉換加工機所需的時間,大幅提升製造效率。

顛覆造物原則 帶動製造升級
積層製造技術,由塑膠桌上型製造系統 的普及化,帶動許多文創業者的實踐與商品化,技術上更由塑膠打樣進展到金屬直接成 型(如圖1所示)。功能性零組件的實踐,帶動 新一波積層製造工業材料與應用的發展,未 來除了成為金屬加工不可或缺重要一環,更 將引領產業邁入下世代製造。

積層製造技術分成七大種類[1][2],其詳細 的定義以及技術說明如圖2所示。其中,粉 床熔融成型技術(PBF, Powder Bed Fusion )與雷射金屬沉積技術(LMD, Laser Metal Deposition)所製作的成型品質接近傳統塊材緻密度,甚至成品機械強度已超過傳統鑄造 元件,對於工業上直接應用的價值性更高, 本文主要針對粉床熔融成型技術之創新應用作介紹。

根據Wohlers Report 2019[3]報告,2018年 全球積層製造市場產值(包括設備與服務)年成 長率33.5%達到美金97.95億美金(圖3左)。同 時預估積層製造產業將持續性地快速成長(圖 3右上),在2020年產值將達158億美元,到 2024年攀升至356億美元。圖3右下可看出近 年來金屬設備安裝量急劇增加,目前全世界 已有2297台金屬設備。國內設備也成長到60 多台,包含由工研院、中科院及東台精機(工 研院技轉)投入自主設備20多台。圖4顯示積 層製造應用方式之比例,功能性產品及終端 產品應用比例達56.3%,可看出應用轉變為功 能性產品實際應用為最大比例。

金屬積層製造技術與特色
粉床熔融成型(PBF)與雷射金屬沉積(LMD) 技術,加工方式均是使用雷射能量將金屬粉 末熔融後固化成型,兩者間的技術差異為, PBF其成品尺寸擁有較佳的精度與粗糙度,且 其製程因有粉床支撐可成型較複雜形貌,其 缺點為其成型尺寸必須遷就腔體尺寸,其建 立成型必須由工作平面起始;LMD可直接進 行大尺寸零組件成型,並可在三維空間曲面 上批覆或進行修補,其缺點為設備成本較為 昂貴,成品尺寸精度與粗糙度較差;若以尺 寸區分使用時機,建議小於50cm3 體積或要求 細節之產品使用粉床熔融成型,反之或曲面 之接續製作則建議使用雷射金屬沉積。

金屬積層製造(AM)特色,實踐複雜形貌、 複雜流道及內部結構,與傳統加工相比,AM可複雜少量及客製化批量製造,傳統加工量 產會優先選擇開發模具鑄造生產方式,量產 的總量多寡會直接影響到開發模具的成本效 益,如複雜金屬零組件快速打樣、3C模具 快速製作、牙冠客製化量產以及手術器械製 造等,即為本技術切入應用的機會。此外, 製造複雜零組件若以傳統加工形貌越複雜製 作成本相對越高,如異形水路模具、具散熱 內流道葉片、輕量化零組件、高散熱面積元 件,甚至特殊結構之功能性醫材等,傳統加工方法可能需要透過特定的機密加工設備, 如五軸數值控制加工機,生產過程中設備機 台間的轉換同時也會造成時間成本增加,積 層製造技術在複雜成型上具有相當大的優勢。

積層製造創新應用 突破低成本代工瓶頸
工研院投入金屬積層製造專用材料與製程設備之研發,擁有完整的設計、分析、模 擬、設備開發、製造、後處理經驗。工研院 具備完整研發能量,且在試量產工場可協助 產業新創產品,透過提供完整試量產及研發服務,以期促進台灣更前瞻、更全面的創新 應用,引領台灣突破低成本代工之瓶頸。
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