金屬粉末積層製造技術在航太領域之發展與機會(下)

刊登日期:2016/10/5
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航太用積層製造粉末
積層製造的核心是它對傳統製造模式的顛覆,積層製造的優勢包含結構輕量化、零件一體化、多功能組合與適型化內流道等。根據 Lux 與 SmarTech 研究,航太與國防產業積層製造總產值持續穩定成長。Visongain最新研究報告指出,2015年現況產值比預期提升一倍,顯見航太與國防產業積層製造發展有加速趨勢。ICF 研究指出,積層製造為未來航太產業供應鏈中一要項,有利次世代引擎開發。國內有待建立自主之設計、粉末材料、積層製程及設備、後製加工、產品驗證及航太認證等完整技術體系,以進入新興航太製造產業。

從某種意義來說,積層製造最關鍵的不只是機械製造,而是材料研發,高強度粉體材料開發對零組件輕量化程度扮演相當關鍵的角色。表九顯示積層製造金屬與合金材料市場仍集中於北美與歐洲地區,亞洲金屬與合金材料市場產值相對較低,但預估2020年金屬與合金材料產值將達 4,000萬美元,年複合成長率是領先其他地區的 45.5%。

積層製造對原材料的要求比較苛刻,滿足雷射技術的適用性要求所選的材料需要以粉末狀形態提供。材料的快速融化和凝固等物態變化,對適用的材料性能要求極高,由於整個過程涉及材料之特殊規格,因而材料成本居高不下。基於此,未來積層製造產業追求的目標仍將是「研發出更適合積層製造的材料」、「更價廉的原材料成本」,以及「將積層製造的直接製造技術應用到更多更廣的領域」。



表九、全球積層製造用金屬與合金材料市場產值(2013~2020年)

 

積層製造合金粉末技術
一般金屬粉末製作的方式如表十一所示,包含霧化法、機械粉碎法、還原法與電解法等。由於積層製造使用之金屬粉末必須控制在粒徑介於 10~65μm之間的球形粉末,在眾多方法中,只有霧化法中的惰性氣體霧化法與離心霧化法可以達到此項要求。表十二顯示惰性氣體霧化法與離心霧化法的優缺點,若以工業生產為考量,高產能、低成本的惰性氣體霧化法是大多數公司採用的金屬粉末生產方式。

惰性氣體霧化法還可以區分成:①真空感應熔煉惰性氣體霧化法;②電極感應熔煉氣體霧化法及③電漿加熱氣體霧化法等三種方式,如表十三所示。電極感應熔煉氣體霧化法及電漿加熱氣體霧化法因為是無坩堝設計,避免了坩堝汙染的問題,可以生產高熔點、高活性與高純度的合金粉末,但由於此兩種方式使用棒材與線材作為原料,其生產之金屬粉末成分完全複製原料成分,當棒材或線材有成分偏析時,生產之金屬粉末易產生成分不均現象。

此外,因棒材與線材成本高,導致整體生產成本偏高。真空感應熔煉惰性氣體霧化法的優勢在於不需先製作成合金原料,且單一批次可生產上噸合金粉末,產量大、成本低,具有工業化大量生產之優勢,缺點在於合金粉末可能受坩堝汙染,且受限於坩堝的工作溫度,僅能生產熔點低於 1,700˚C 的合金粉末。

工研院材化所已建置真空感應熔煉惰性氣體霧化設備(圖十二),並完成試量產技術開發。同時,針對金屬積層製造產品須符合高緻密度、高尺寸精度與低表面粗糙度的要求,積層製造對使用之粉末要求甚高,包括必須符合高粉末真圓度與低粉末平均粒徑(圖十三)。為此,工研院材化所建立金屬粉末製作之核心技術,包含……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖十四、工研院材化所開發之合金粉末

★相關閱讀:金屬粉末積層製造技術在航太領域之發展與機會(上)
 
作者: 陳溪山、周育賢、侯彥羽、楊智超 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」358期,更多資料請見下方附檔。


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