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雷射金屬沉積直接成型螺桿技術

刊登日期：2018/02/01

摘要(Abstract)

雷射金屬沉積(laser metal deposition, LMD)為一種基於雷射應用的積層製造方式，可廣泛應用於金屬品製造、金屬披覆、高價值金屬品重建及功能性零組件製造。而雷射金屬沉積製程包含各種複雜參數，如雷射能量、光斑直徑、披覆路徑方式、粉材供粉量、雷射移動速度及氣體流量。然而這些製程參數往往會因材料、雷射金屬沉積設備與操作環境的不同而有所差異，仍需面臨材料性質與製造精度的挑戰。因此需要透過加法與減法加工之多功能複合製程方法，並整合CAD/CAM軟體以滿足應用與製造需求。本文將針對雷射金屬沉積直接成型螺桿製程中，所使用的加值型CAD/CAM客製化系統、沉積製程研究及其應用進行介紹。

Laser Metal Deposition (LMD) is a type of laser-based additive manufacturing technology for use in diverse material processing activities, such as fabricating metallic, metallic coating, high-value component repair, and functional parts manufacturing. The LMD process consists of various process parameters, such as the laser power, laser beam diameter, hatch path, powder feed rate, motion velocity, and gas flow rate. Such process parameters are material-dependent, vary with LMD machines and operating environment. It has a lot of challenges to ensure material properties and build success. Additive processing and reduced processing of multi-functional composite manufacturing process integrated with CAD/CAM software are required to meet the application and manufacturing needs. This paper will focus on LMD technology for screw conveyor, CAD/CAM software, process parameters and its applications.

關鍵詞(Keywords)

．3D列印 3D Printing

．雷射金屬沉積 Laser Metal Deposition, LMD

．積層製造 Additive Manufacturing, AM

前言

雷射金屬沉積(laser metal deposition, LMD)為近年來極具發展潛力之積層製造技術之一，由於LMD具備獨特優點，其適用廣泛金屬材料、沉積稀釋率可控制、沉積層與底材為冶金結合、熱影響區小與易於實現自動化控制等，國內外眾多的工業與研究單位已專注進行研究開發。LMD沉積的原理是將金屬粉末直接注入金屬噴嘴，與同軸的雷射光同時聚焦於加工件表面，根據工件加工圖檔進行多層金屬沉積堆疊成型。LMD技術的導入，有利於金屬製品零件的功能加值與重建，可提升石化閥件與管路、動力機械用軸件、模具設計變更與修復、滾輪、進料螺桿等產品效能與品質的改善。甚至，此類技術可用於直接製造產品，例如用於航太、汽車新組件的製造與應用，包括螺旋槳連接部件、引擎用進氣岐管、大型渦輪葉片與優化骨架及輕量化高強度結構等。藉由LMD技術可節省材料與縮減開發時程，依據美國能源部估算，相較傳統除料製造方式，可節省超過50%之能源。工研院積雷中心LMD系統導入6 KW高功率雷射及ABB機械手臂，透過工業等級通訊界面整合高功率雷射源、送粉機以及惰性氣體流量控制模組等設備進行通訊。隨著應用的多元與複雜的結構金屬元件成型，於軟體部份導入電腦輔助設計與製造軟體(CAD/CAM)，採用市售所開發CAD/CAM軟體為基礎，開發人性化的操作介面大幅降低操作步驟，可應用於高複雜結構金屬元件的製造。而LMD的沉積過程為一複雜的物理現象結合，從金屬粉體的輸送、熔池的熔化流動與冷卻凝固成型。由於這些物理現象為各種操作參數相互影響，因此LMD的沉積製程控制對於沉積品質相當重要。本篇文章將針對LMD直接成型螺桿技術進行綜述，包含LMD加值型CAD/CAM客製化軟體的開發、LMD沉積製程的研究與未來加減複合製造趨勢進行介紹。

LMD加值型CAD/CAM客製化軟體

電腦輔助設計與製造軟體(CAD/CAM)是智慧製造重要的其中一環[1]，航太以及汽車零組件非常多元且複雜，無法以人工撰寫機械執行碼快速完成路徑規劃，必須導入CAD/CAM系統完成路徑規劃與模擬。藉著CAD/CAM模擬系統，以直觀視覺檢視加工過程中是否可能發生碰撞，模擬加工路徑是否符合製程需求。為了製造更複雜的3D構型零件，五軸數控(5-Axis CNC)機床設備是必備的[2-4]，CAD/CAM也必須完整支援5-Axis CNC，市場上已有數家CAD/CAM領導廠商，專注於數位製造整合技術，如SIEMENS、PowerMILL、SprutCAM、HyperMill以及SolidCAM。LMD複合加工機大廠也與CAD/CAM領導廠商結為合作夥伴，導入CAD/CAM系統並搭配雷射金屬沉積製程參數，完成雷射加工路徑規劃，合作開發出適應於LMD應用的CAD/CAM軟體，如工具機領導廠商DMG Mori與CAD/CAM龍頭廠商SIEMENS的合作案例。此外，國際上許多國家級研究機構也積極投入此一領域的研發，如德國Fraunhofer、台灣工研院等。

目前CAD/CAM系統多數需要透過大量的對話式選單，設定加工程序以及參數條件，以減法加工為例，這些程序需包括：(1)工法選單、(2)刀軸設定、(3)進退刀方式、(4)路徑連結方式、(5)路徑延伸方式、(6)切削參數、(7)邊界設定、(8)干涉避撞條件。整體系統操作程序複雜繁瑣，自動化程度較低，操作人員需經過長時間的訓練才能操作，如欲運用於LMD加法製造，則又需同時具備雷射金屬沉積技術的專業製造知識，因此無法輕易地被目前產業所接受使用。針對上述需求，工研院已投入研發LMD加值型CAD/CAM客製化系統(ITRI-AM)開發，如圖1所示，工研院以商用CAD/CAM系統為基礎(delcam powermill)，透過客製化函式庫介面進行開發，並以3D曲面工件作為試製目標。然而現今航太與車用零組件大多具有複雜的幾何造型曲面，傳統的3D製造路徑規劃方法，已無法滿足LMD製程需求，因此還需額外開發LMD曲面積層工法，方可符合需求，以下即介紹展示工研院所自行開發的LMD加值型CAD/CAM客製化軟體功能。