智慧化積層不NG製造技術：材料世界網

鍾偉權、蔡宗汶、林敬智、莊傳勝、林得耀／工研院雷射中心

金屬積層製造設備投入成本高，加上製程中熱應力影響品質、製程良率與效率等問題，進一步成為技術應用推廣的絆腳石。工研院透過軟硬整合開發之智慧化積層不NG製造技術，可透過虛擬製造預測製程結果，降低製程失敗風險與改善成品變形翹曲問題，亦可透過模擬有效加速新材料製程參數開發，搭配可視化診斷與精確的製程環境變數最適控制，可縮短製造者經驗學習曲線及提升製程效率，協助產業升級與創造更多高值化產品。

【內文精選】

前言

積層製造技術(AM，又稱3D列印)近年來蓬勃發展。根據Wohlers Report 2020的資料，全球2019年積層製造產業整體市場共118.67億美元(成長21.2%)；未來成長趨勢預估從2021年的179億美金，到2025年將達到477億美元；應用層面終端應用產品(End-use Parts)因技術趨近成熟而超越了打樣測試應用占比(30.9% VS 24.6%)，可見技術成熟程度已漸漸取得產業界肯定。

以金屬粉床熔融成型技術(PBF)為例，其具備突破傳統加工限制，適合製作複雜形貌、內部流道、特殊結構及多工件整合一體成型等優勢，已應用到航太、汽車、模具與生醫等產業中。PBF製程大致流程如圖一所示，先設計產品3D圖檔，接著建立支撐材抓住本體防止熱翹曲與變形，完成建立支撐後即可傳送到設備進行製作。新產品或新材料製程總讓製造者在製程完成出爐時忐忑不安，因為漫長等待換來的很可能是成品斷裂、支撐斷裂導致嚴重變形等缺陷結果，而產品的製程需重新探討優化方法。可想而知，若依賴實驗試誤法將大幅增加產品開發成本。除投入的設備成本高外，製造者仍需透過昂貴的經驗學習與累積，才能提高製程良率的痛點，也是讓廠商認為投資報酬率過低而不投入的原因之一。工研院積極研發PBF技術，除設備、材料製程等硬實力開發，也投入模擬虛擬製造等軟實力，「智慧化積層不NG製造技術」正是透過軟硬技術整合以解決產業痛點，協助產業提高製造價值。

圖一、金屬粉床熔融成型技術(PBF)成功製造的關鍵要素

智慧化積層不NG製造技術

智慧化積層不NG製造技術透過一系列智慧化軟硬技術開發與整合，能有效地提升設備製造品質與穩定性，旨在為製造者縮短經驗學習曲線，為投資者提升報酬率，更為協助產業邁向工業4.0，提升台灣製造業國際競爭力。要達到一次成功的製造，需有適合製作的材料之製程參數組合、適化的產品設計、夠用的支撐建立與穩定的製程監控與控制，不NG製造需解決的不僅僅是製造者面臨的問題，還需對製造流程中不同對象遭遇的瓶頸與困難提供相應對策。以下將就製程參數預測收斂、應力形變模擬、支撐材最佳化、可視分析診斷及變數最適控制，分述如下。

1. 製程參數預測收斂

PBF製作工作原理是以雷射局部燒熔平台上之粉床，粉體受熱後將形成融池再凝固，鋪成一層新的粉末再進行燒熔，重複此步驟層層堆疊成型。積層製造品質會受到相關製程參數與材料性質之影響，如雷射功率、掃描速度、掃描策略、金屬粉粒大小等皆有關。當有新材料或替代材料開發時，一般會以實際進行繁雜的試誤法，從點、線、面燒熔結果，慢慢地進行製程參數收斂。這樣的開發流程要取得完整參數操作空間(Process Window)最少需半年時間，以圖三速度功率矩陣為例，從製造、斷面研磨到顯微鏡觀察分析，至少需時2至3個月，而從圖中可發現有超過一半以上的參數是無法提供有效燒熔成型，亦即浪費了超過一半以上的時間在無效的參數測試中。

2. 應力形變模擬

PBF的物理機制與焊接相近，工件在成型過程中需透過上萬次急速加熱冷卻的微焊接加工，劇烈的溫度梯度與熱漲冷縮下累積大量的熱應力。隨著熱應力累積，伴隨的變形除了會影響工件成品尺寸外，製程中還會因過大的熱應力翹曲影響鋪粉流程，造成工件半成品與鋪粉機構碰撞而停機，除可能損失當下失敗的昂貴製程外，更可能傷及機台設備。

圖四左下角範例為工研院協助晉陞太空科技製造之火箭混合噴嘴(17公分高，製造時間約4天)，模擬預測可發現在製程中高風險（需強壯支撐設計）的位置，以協助支撐設計者預先強化相關位置支撐，而不需從可能多達數次實際製作中摸索進行設計補償。雖然知道發生問題的時機只能提供當下失誤的資訊而無法提供製程風險全貌，模擬可快速（約40分鐘）且有效地提供完整製程風險資訊，透過虛擬製造縮短製造者學習經驗曲線，降低製程失敗風險。工研院已將此虛擬製造的模擬技術開發成一套軟體，如圖五所示，以…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。