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金屬3D列印技術:與時間競賽的複合積層製造
積層製造在加法堆疊產品外形的過程中,能適時切換成減法刀具或探頭進行表面加工或量測,以符合業界快速生產的要求。
 
 
 
加法製造、數位製造是3D列印技術的核心要素。為了加速積層製造(additive manufacturing, AM)的生產效率,日本、德國等先進國家紛紛投入生產具備加減法混合的積層製造複合加工機,擁有雷射積層製造、銑削、拋光、量測的功能。隨著單機多功能積層製造複合加工機的問世,複合製造技術將成為全球供應少量多樣、快速生產客製化元件的重要技術。

複合加工技術

選擇性雷射熔融技術 日本一家公司於2014年7月16日宣布開發出使用選擇性雷射熔融技術的金屬材料3D列印機台,這機台採用複合式加工方法,利用雷射熔融金屬粉末堆疊成形,然後由高速銑削刀具進行高精度外形加工。

這複合加工機台是一種全自動加工設備,它在主要的控制軸上採用了高性能線性馬達,能穩定地保持無間隙及準確的軸移動,兼具高速性和高精度。這機台的基本配置是:最大成形尺寸是250 mm(長)× 250 mm(寬)× 250 mm(高)、最大載重100 kg;具備功率500 W的光纖雷射器,雷射光直徑200 μm;在切削加工方面,主軸最大旋轉速率是每分鐘45,000轉,自動換刀系統可以放置16個刀具。

這家公司提出「一站式解決方案」新製造技術,從產品設計分析到製作塑膠成形模具,以及利用這模具射出成形生產產品,這方案能夠完成全部工序。在塑料射出成形過程中,所使用的模具結構決定了成形性能,由於模具溫度會影響整個射出成形周期以及產品收縮率,因此模具溫度的控制是成形的重點。傳統塑膠模具冷卻水路受限於加工方式無法製作3D水路,但利用雷射熔融金屬粉末可以製作模具內部3D冷卻水路。

加減法混合的金屬3D列印工序如下:每層雷射加工厚度是0.05 mm,反覆進行金屬粉的覆蓋和雷射燒結(加法),完成10次雷射熔融燒結後進行切削加工(減法)。重複以上過程就可對金屬工件進行3D列印。

雷射直接熔融層積 直接熔融層積成形是七大類製程中的一項,主要藉由供給粉末或線材到要堆積的位置點,並瞬間提供熱源使粉末或線材熔融固化。而熱源如果是雷射,就稱作雷射直接熔融層積製造,它能在特定位置上反覆堆積形成所要的形狀。聯想一下大家玩過的樂高積木,不也是一塊一塊、一層一層堆積起所要的任何形狀,這樣的製造方法是不是很有趣呢?

雷射直接熔融層積法最早由美國技術聯合研究中心(United Technologies Research Center, UTRC)於1979年提出製造零件的新概念,並認為雷射熔覆的快速凝固過程將為零件帶來較好的性能。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)、桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)和密西根大學為代表性研究機構。

1994年,洛斯阿拉莫斯國家實驗室發表directed light fabrication(DLiF)製程,所製造的金屬零件具高精度及優異的機械性能。1996年,桑迪亞國家實驗室與美國技術聯合研究中心旗下的公司合作開發了laser engineering net shaping(LENS)製程,這製程製造的金屬零件經少量精加工後,可直接做為塑膠射出成形用的模具,後來又與一家公司技術合作於1998年推出了商品化的雷射快速製造系統。

1999年密西根大學馬尚德(Mazumder)教授等介紹了由密西根大學開發的直接熔融層積製程,並成立公司開發直接熔融層積系列設備。通過對製造過程中的各製程參數進行即時回饋控制,這製程的尺寸誤差能控制在0.25 mm內,可用於金屬模具的製造和零件的快速修復。目前藉由3D圖面的轉換可以快速地製作成品,大大地降低製作成本與時間。

市場應用

積層製造複合加工技術在航太、汽車、石油、化工、冶金、電力、機械、工模具、輕工業等都能應用。典型的應用有:

航太元件 採用雷射直接熔融層積製造法覆銲鈷基合金,能使合金用量減少50%,變形小,節省了後加工工時,工藝品質高,重複性好。美國一家公司使用這技術修復長1.2 m的蒸氣機葉片前端的水蝕。另一家公司使用2個送粉器,雙攝像視頻電腦和定位精度是0.013 mm、重複精度是0.0076 mm的數控系統熔覆飛機發動機葉片和壓縮機葉片。另有公司用6 kW雷射器在鎳基合金汽輪機葉片上熔覆鈷基合金,處理一片只需15秒的時間。目前這項技術可應用於航太、能源設備的葉片製造等。

美國軍方對雷射直接熔融層積製造技術的發展給予相當高的關注和支持,美國已率先把這一先進技術實用化。目前,美國F22F/A及F18E/F飛機上的幾個關鍵零件已經採用TC4鈦合金成形件,其成形效率遠比傳統製造方法高。

為了提高零件的製造效率,美國一家公司採用了功率更大的CO2雷射(14 kW和18 kW),並且成形室的尺寸達到了能夠製造實用零件的程度(3 m × 3 m × 1.2 m)。通過這些改進,製造效率明顯比桑迪亞國家實驗室高,單層沉積厚度達4 mm,單道沉積寬度達13 mm。

由於堆積速率提高,使較大體積零件的製造成為可能,產品的材料成分和機械性能已經達到美國材料和試驗協會(ASTM)的標準。這家公司又安裝了一套工作空間12 m × l2 m × 4 m,雷射功率達30 kW的成形系統,目前已經能夠整體製造5~6 m的鈦合金複雜薄壁件。

此外,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室製造了Incone1690高溫鎳基合金零件,高度達356 mm,平均表面粗糙度Ra=12 μm,

製造的高緻密零件接近最終形狀,其機械性能接近,甚至在某種情況下超過傳統鍛造零件的性能。法國Pascal Aubry等人又製造了較高精度和性能的Inconel718及Ti6Al4V成形零件。

汽車零件 義大利一家汽車公司的發動機排氣閥座的環形表面利用這項技術進行Stellite F合金熔覆。起初用AVCO 6.5 kW雷射,8秒處理一件。R. T. M研究所研製了一種稱為能量回收腔的裝置,大大提高了能量利用率,使所需能量減少一半以上。它改用美國937型1.5 kW雷射,13秒處理一件,比傳統TIG堆銲Setllite F合金的用量減少70%,後加工量顯著減少。其他如美國的汽車排氣閥座也用熔覆Stellite合金。目前這技術在汽車產業的潛在應用有引擎、齒輪箱、渦輪增壓器、熱交換器等。

模具產業 積層製造複合加工技術在模具產業應用最有效益的就是模仁3D冷卻水路製作。雷射直接金屬積層技術可以減少模具的開發周期和生產成本,減少設計中的錯誤,提高製造效率,已經成為模具技術研究的重要課題。

國內外許多研究機構在這方面已取得一些成果。如密西根大學馬尚德教授等人的鋼材模具直接成形研究,發現在模具製造上對環境的影響很小,並且能量消耗遠比傳統模具製造低。史丹佛大學採取逐層累加與五座標數控加工結合的方法,用雷射使金屬直接熔凝成形,所製模具可獲得與數控加工相近的精度。

在異形水路設計方面,為了確保冷卻水暢通無阻地流動,成形產品表面周圍的冷卻水管須保持均勻的截面積,入水口與出水口的面積基本上要相同。採用3D冷卻水路的模仁,冷卻時間縮短約40%,並且提高了生產效率。結合選擇性雷射熔融技術及高速銑削的複合加工的異形水路模仁,水路緊貼產品表面,可讓模內射出成形的高溫塑膠液體急速且均勻地冷卻,能縮短成形周期時間30%,並可避免薄殼件在成形過程中翹曲,而能提升產品品質。

案例

手機殼蓋的異形水路設計 以智慧手機背蓋成形為例,透過3D列印設備,一體成形列印出手機背蓋的模具,同時藉由複合加工功能,可直接在同一設備上進行後處理加工,達到模具所需要的規格與品質。接著再把完成的模具放入塑膠射出機內,透過高溫高壓的方式把塑膠材料注入模具內,塑料冷卻後脫模就可得到成品—手機背蓋。傳統冷卻水路跟3D冷卻水路比較的結果,兩者平均溫度相差攝氏20度,冷卻時間縮短60%以上,從原本的13秒降至5秒,成形周期從30秒降至22秒,可大幅提升量產效能。

電子產品USB殼件的模具異形水路設計從USB殼件塑膠射出件的冷卻效益來看,原本成形周期從30秒降至20秒,1小時省下20分鐘,大約省了新台幣40元。如以投資新台幣10萬元計算,只需104天就可回本。

金屬3D列印複合加工技術結合了加法加工和減法加工,既保留了柔性加工的優點,又發揮了高速切削加工精度好的特長。這技術可一次性、一體化、高效率地加工完成具有內部異形水路和局部排氣功能,但表面形狀複雜且難以後續加工的精密模具零件,為塑膠成形行業的廣大客戶提供一種新型的模具零件加工技術。
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