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技术趋势
决胜先进制造时代 台湾金属积层制造产业应用
2020.05.14∣浏览数:401

积层制造(AM,Additive Manufacturing),可实现快速原型制造丶高度客制化设计丶材料多 元使用等特性,可将产品开发及工序由现有时程大幅压缩至一半以下,让制造商在「产品设计 →制造工序→功能测试→产品出货」流程中,达到省工序丶省时间丶省成本等「三省」之高效 率制造红利。已在模具丶半导体丶汽机车零组件丶航太及医疗等产业均具有大量的实绩运用。
文 ◆ 工研院雷射与积层制造科技中心 凃冠旭丶邓凯元丶林得耀丶林敬智丶庄传胜

全球知名AM厂商与研发单位,皆如火如荼地勾勒积层制造在工业4.0未来工厂之情境, 搭配物联网丶智慧机器人及巨量资料分析, 朝开放架构丶模组化可扩充丶与前後段多站式连结,实现跨场域之智能化整线弹性制造之新里程碑。

传统加工多样少量高值需求与加工极限之挑战逐渐浮现,如对於深槽丶深孔丶高曲率与高深宽比的特殊需求以及复杂形貌加工, 甚至内部复杂水路或特殊结构均非常难以制 作或实现。积层制造技术,以逐层堆积制造 之加法式制造方法加工,解决传统加工之瓶 颈与限制,减少废料产生,更可缩短复杂工 件之工期,免除多道制程以及转换加工机所需的时间,大幅提升制造效率。

颠覆造物原则 带动制造升级
积层制造技术,由塑胶桌上型制造系统 的普及化,带动许多文创业者的实践与商品化,技术上更由塑胶打样进展到金属直接成 型(如图1所示)。功能性零组件的实践,带动 新一波积层制造工业材料与应用的发展,未 来除了成为金属加工不可或缺重要一环,更 将引领产业迈入下世代制造。

积层制造技术分成七大种类[1][2],其详细 的定义以及技术说明如图2所示。其中,粉 床熔融成型技术(PBF, Powder Bed Fusion )与雷射金属沉积技术(LMD, Laser Metal Deposition)所制作的成型品质接近传统块材致密度,甚至成品机械强度已超过传统铸造 元件,对於工业上直接应用的价值性更高, 本文主要针对粉床熔融成型技术之创新应用作介绍。

根据Wohlers Report 2019[3]报告,2018年 全球积层制造市场产值(包括设备与服务)年成 长率33.5%达到美金97.95亿美金(图3左)。同 时预估积层制造产业将持续性地快速成长(图 3右上),在2020年产值将达158亿美元,到 2024年攀升至356亿美元。图3右下可看出近 年来金属设备安装量急剧增加,目前全世界 已有2297台金属设备。国内设备也成长到60 多台,包含由工研院丶中科院及东台精机(工 研院技转)投入自主设备20多台。图4显示积 层制造应用方式之比例,功能性产品及终端 产品应用比例达56.3%,可看出应用转变为功 能性产品实际应用为最大比例。

金属积层制造技术与特色
粉床熔融成型(PBF)与雷射金属沉积(LMD) 技术,加工方式均是使用雷射能量将金属粉 末熔融後固化成型,两者间的技术差异为, PBF其成品尺寸拥有较佳的精度与粗糙度,且 其制程因有粉床支撑可成型较复杂形貌,其 缺点为其成型尺寸必须迁就腔体尺寸,其建 立成型必须由工作平面起始;LMD可直接进 行大尺寸零组件成型,并可在三维空间曲面 上批覆或进行修补,其缺点为设备成本较为 昂贵,成品尺寸精度与粗糙度较差;若以尺 寸区分使用时机,建议小於50cm3 体积或要求 细节之产品使用粉床熔融成型,反之或曲面 之接续制作则建议使用雷射金属沉积。

金属积层制造(AM)特色,实践复杂形貌丶 复杂流道及内部结构,与传统加工相比,AM可复杂少量及客制化批量制造,传统加工量 产会优先选择开发模具铸造生产方式,量产 的总量多寡会直接影响到开发模具的成本效 益,如复杂金属零组件快速打样丶3C模具 快速制作丶牙冠客制化量产以及手术器械制 造等,即为本技术切入应用的机会。此外, 制造复杂零组件若以传统加工形貌越复杂制 作成本相对越高,如异形水路模具丶具散热 内流道叶片丶轻量化零组件丶高散热面积元 件,甚至特殊结构之功能性医材等,传统加工方法可能需要透过特定的机密加工设备, 如五轴数值控制加工机,生产过程中设备机 台间的转换同时也会造成时间成本增加,积 层制造技术在复杂成型上具有相当大的优势。

积层制造创新应用 突破低成本代工瓶颈
工研院投入金属积层制造专用材料与制程设备之研发,拥有完整的设计丶分析丶模 拟丶设备开发丶制造丶後处理经验。工研院 具备完整研发能量,且在试量产工场可协助 产业新创产品,透过提供完整试量产及研发服务,以期促进台湾更前瞻丶更全面的创新 应用,引领台湾突破低成本代工之瓶颈。
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