積層製造汽車底盤副車架之試作

摘要：副車架為連接汽車前懸吊系統與動力系統之重要次系統，容易受引擎轉速、路面顛簸等外部激振影響造成應力與疲勞破壞，本研究以一體式的鑄造鋁件代替原來的鋼製鈑件，並進行結構的形貌優化分析，獲得鋁合金副車架之完整設計並由積層製造技術快速獲得一體化之鋁合金副車架試作件。

研究結果顯示：由17件冷軋鋼鈑沖壓成型的鈑件焊接而成鋼製副車架整體重量為23.3 kg，一體化之鋁合金副車架創新模型重量18.5 kg，相較於原始鋼製副車架，減重20.6 %，且結構剛性與原始設計相同，運用積層製造直接列印副車架鑄造用模穴，鑄造模穴表面平整度佳（1 mm以內）、砂模鎖點尺寸精度良好（±2 mm），CAD圖檔到砂模產出只需1~2天，單件砂模（尺寸800 mmx600 mmx200 mm）約7.5萬元。對於初期產品開發試作可節省量產模具費用、縮短模具修改時間與模具製作時間並加速產品之研發速度，促進產品創新高值化。

Abstract: The engine sub-frame connected by a front suspending system to the engine system is easily damaged from undertaking stresses and fatigues loading by various turbulences from the engine and road conditions. A one-piece aluminum casting part was designed by optimum construction software compared to the original sub-frame manufacturing of 17 sheet formed parts combined with welding. A near shape casting part of the sub-frame was fabricated by 3D printing technology process with results of 20.6 % weight reduction and no change of original design properties. The flatness deviation of sand mold was under 1 mm, and the sand mold has good dimensional accuracy (± 2 mm). It only took 2 days from CAD file to real sand mold and it cost 750,000 NTD for one completed sand mold. All testing results show that this process saves the cost of mold, shortens the modification time and molding time, and accelerates product development speed in the product development stage with good results of promoting product innovations of high-value.

關鍵詞：鑄造模具、積層製造、快速模具、黏著劑噴塗成型技術

Keywords：Casting Tooling, Additive Manufacturing, Rapid Tooling, Binder Jetting

前言
過去十年來，積層製造系統在成型精度、材料種類與製造速度推陳出新並有突破性的進展，舉凡建築模型與直接燒結的金屬精品、汽機車內裝、底盤與引擎關鍵零組件製造、客製化人體植入物與醫療器械工具開發、航太複雜結構與高效能零件的數位化產出、具有高效率冷卻系統的高值化模具…等國內外應用案例，顯示積層製造系統帶給產業的創新實現與快速開發的高效益，亦帶動了產業結構朝高附加價值產品發展的高度影響力。國內企業由單純代工製造業逐步轉型升級為製造與服務行銷業，自創品牌與產銷合一爭取大陸等國際市場之經營方式已經是當今台灣企業進入藍海市場的關鍵策略。隨著台灣產業自創品牌與ODM的需求，積層製造系統的加法製造成型方式在客製化、複雜化與高創意產品輸出的絕對優勢，滿足當今產業尋求轉型並建立核心技術的需求，實在是值得產、官、學、研各界關注的課題。

金屬中心自民國88年起執行快速模具相關科專計畫採購了日本CMET 600GH光固化樹脂積層製造系統，隔年自澳洲昆士蘭製造研究所（QMI）技術引進RP直接燒失精密鑄造技術，該技術流程可以將各種積層製造樹脂模型轉換成鋁、鎂、鈦合金、不鏽鋼、鑄鐵、超合金鋼產品，該雷射光固化樹脂直接燒失精密鑄造技術的金屬雛形件快速製造技術在國內產業已累積百件工業服務案例，對於金屬件快速原型具有快速且節省金屬模具成本之優勢，然而，殼模（脫蠟鑄造）製作術需要約10~14天且光固化樹脂材料非常昂貴，燒失過程失敗需要重新製作，造成製程延長與成本提高之缺失；近年來，金屬直接積層製造系統日漸成熟，以德國EOS公司M400雷射金屬燒結而言，可以直接製造出400 mm等級的金屬零件或模具，列印材料包括不鏽鋼、超合金與鈦合金…等，然而，金屬積層製造材料種類限制、成型尺寸限制、製造成本提高與製程連結性低等因素，造成推動產業化之阻力。

近年來，德國Voxeljet公司[1]與美國ExOne公司[2]所生產的立體印刷砂模系統，因系統成型尺寸大（目前Voxeljet已開發出無尺寸限制的立體印刷砂模系統），成型速度提高，砂模積層精度可達傳統砂模鑄造鑄件之表面粗糙度，一般而言，應用該技術數小時可以完成鑄造用模具並直接進行澆鑄，彌補目前大型鑄造件快速開發之產業缺口並將為台灣鑄造產業帶來革面性的改變與無限商機。