金屬積層製造創新工業應用案例

摘要(Abstract)

積層製造技術是屬於一種加法製造的製程方式，可快速製造出產品原型，以提供設計者概念傳達與產品評估，近來金屬積層製造技術已日趨成熟，產品強度與緻密度已超過傳統鑄造元件，除可快速製造出具功能性測試之原型外，甚至可直接作為功能性之零組件。台灣在模具、半導體、汽機車零組件、石化等產業均具有相當程度的發展規模。近年來國內工業發展受到低價競爭，以及國際上製造重心的技術轉移，全球製造業產生大規模的版圖變化，因此台灣製造產業往高值化發展已刻不容緩。本文將說明目前金屬積層製造於工業應用案例，期望對國內工業發展的技術開發與新創應用有所助益。

Additive manufacturing technology is a type of laser-based manufacturing method. It can rapidly produce prototype for design evaluation and even for full functional product. Taiwan in the mold, semiconductor, automotive components, and petrochemical has a large scale development. In recent decade, domestic industry face the competition in low price and the international manufacturing technology is transfer. Industrial manufacturing changes in large-scale territory. Therefore, the manufacturing industry's high value influence in Taiwan has become essential. In this article, we will explain the metal additive manufacturing in industrial applications. Expect to be helpful in industrial influence development and applications.

關鍵詞(Keywords) 

積層製造、選擇性雷射熔融、3D列印

Additive Manufacturing, Selective Laser Melting, 3D Printing

前言

近年來，歐美各國陸續將金屬積層製造(additive manufacturing, AM)技術引進應用於各種產業，如工業、航太、以及醫材領域等。這些產業對於產品在設計上的特殊需求日益增加，如對於深槽、深孔、方角與高深寬比的特殊需求以及複雜型貌加工，甚至模具內部複雜水路或輕量化結構，而醫材方面也應用於植入物的表面粗化、孔洞結構、中空及輕量化結構的需求等，解決傳統加工方法無法將這些特殊的設計需求加以製作或實現的困境。積層製造技術擺脫傳統減法式(或稱除料式)加工技術限制，以逐層堆積製造之加法式製造方法加工，除可解決上述傳統加工所遭遇之瓶頸與限制，更可縮短複雜工件之設計製作工期，免除多道製程以及轉換加工機所需的時間，大幅提升製造效率。本文主要說明目前金屬積層製造在工業上的創新應用案例，以實際案例輔助加深對於金屬積層製造技術的瞭解，有效落實本技術並有助於高附加價值之產品研發製造，展現提升台灣製造技術在各種產業技術效率的能力。

積層製造技術

金屬積層製造技術，這幾年廣泛在世界各國引領一股風氣，此技術的前身塑膠快速原型(rapid prototyping, RP)已運用超過20年以上，其應用範疇從產品的試製打樣、試組裝到翻模鑄造、脫蠟鑄造等皆可見其身影。2009年後，塑膠桌上型製造系統的普及化，帶動許多文創業者的實踐與商品化，將積層製造技術帶進人們的日常生活之中，技術上更由塑膠打樣進展到金屬直接成型，如圖1所示。金屬積層製造技術可直接成型功能性零組件，且具有複雜幾何形貌、內部流道與特殊結構成型的能力，突破傳統金屬加工方式的限制，預期將帶動新一波製造程序、工業材料與產品設計上的革命，除了在未來金屬加工層面上扮演不可或缺的角色，更將引領產業衝擊下個世代的高值產品製造。

圖1  積層製造技術應用演進(工研院彙整)

• 七大積層製造技術

積層製造技術依照所使用的材料以及成型技術，整合全部的積層製造技術，2009年ASTM(American Society for Testing and Materials)(請寫中文名稱)將現有的積層製造技術定義成七大種類[1,2]，其詳細的定義以及技術說明，如圖2所示。目前在產業上的應用，依照其所用的材料及特性，可選擇適當的技術加以應用。目前金屬元件的製造可利用各種塑膠積層製造技術成型後再翻鑄轉製或脫模鑄造，又或如黏著劑噴塗成型技術(binder jetting, BJ)利用黏著劑將耐火砂粉末沾黏成型，可提供傳統砂模鑄造產生金屬元件使用，這些均可間接製造金屬功能性元件。以上所述間接成型的方法，受到燒結過程致中會產生收縮變形，且在脫模條件限制下不易成型複雜元件，因此皆會增加產品無法應用的可能性。其中，粉床熔融成型技術(powder bed fusion, PBF)與雷射金屬沉積技術(laser metal deposition, LMD)皆為可一次金屬成型技術，所製作的成型品質接近傳統塊材緻密度，甚至成品機械強度已超過傳統鑄造元件，對於工業上直接應用的價值性更高，本文主要針對金屬一次成型的粉床熔融成型技術之創新應用作介紹。