積層製造成形技術與應用

 

刊登日期:2016/9/5
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積層製造(AM)技術近年來倍受矚目。此技術從早期被稱為快速原型(RP)轉變成快速製造(RM),即是一般民眾俗稱的 3D列印,於 2009年由美國材料試驗協會正名為積層製造,並成立技術委員會訂定其相關標準。

除桌上型設備大量興起擴大打樣、試組裝與翻模應用外,其中金屬積層製造技術更是備受矚目。近年來,由於積層製造技術的發展與雷射的精進,使金屬成品已接近甚至超越一般塊材之機械性質,突破過去僅原型展示之用途。本文主要介紹其製作原理及特色,希望藉實際應用案例協助讀者加強相關經驗,更深一層認識並有興趣使用其技術,創造高值化產品。

積層製造技術趨勢
2. 積層製造市場與應用趨勢
根據Wohlers Report 2016資料顯示,全球積層製造產業產值一路成長。由圖三(c)可看出近年來金屬積層製造設備安裝量明顯提高,目前全世界已有808台金屬積層製造設備,國內進口設備約18台,佔全世界不到3%。目前已有工研院、中科院及東台精機(工研院技轉)投入自主設備開發,且金屬粉末材料亦有工研院、嘉義鋼鐵(工研院技轉)、鑫科材料與欽揚科技等相繼投入,未來將有效落實國產設備與材料之自主化。


圖四、積層製造(a)應用方式與(b)應用產業

3. 金屬積層製造技術
PBF 與 DED技術均為將粉末材料熔融成型之技術,兩技術亦可直接一次成形金屬元件,其比較如表二所示。PBF 技術主要優勢為其成品尺寸精度與粗糙度較佳(均約小於±50μm),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,且其建立成型必須由平面起始。

DED技術最大優勢在於可成型大尺寸零組件,並可在3D曲面上披覆、修補甚至直接 3D成型,其缺點莫過於設備成本昂貴,及其尺寸精度與粗糙度較差(均約大於±100μm)。若以尺寸來區分使用時機,建議小於 50cm3 體積或要求細節之產品使用PBF技術來製作,反之或曲面之接續則建議使用 DED技術來製作。
圖二 積層製造技術應用演進

金屬積層製造製程關鍵
3. 速度功率參數矩陣
速度與功率為製程中最重要的參數,速度功率參數矩陣是傳統用來探討熔池型態改變的主要分析方式,藉由觀察雷射熔融後的掃描軌跡,推斷熔池的二維幾何型態,有助於提升雷射積層製造的品質。如圖十一矩陣關係圖可知,因雷射功率與掃描速度變化,對於熔池形貌有所影響,依據表面型態可以區分成不同的區域,如連續軌跡、球化軌跡、低深寬比軌跡等,並可計算區域間的理論邊界條件,用於評估適合的雷射參數,如圖十二所示,雷射功率與掃描速度實際以不同參數於粉層表面劃線整理可得,藉此可以光學顯微鏡觀察其細部熔融狀態找出較佳之製程參數。


圖六、工研院積層製造能量

積層製造應用案例
1. 模具應用
一般塑膠射出、壓出甚至鑄造模具內都含有水路,有的目標縮短冷卻時間以提高產能,有的目標穩定加熱或保溫確保產品品質。現有水路製作皆以鑽頭直進直出鑽出直孔,再藉直孔交錯方式產生內部孔洞,分別塞住進出孔道以外的多餘孔洞產生水路迴圈,除了製作程序複雜外……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:林得耀、林敬智、莊傳勝、黃偉欽、吳誌賢、劉松河 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」357期,更多資料請見下方附檔。


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