｜雷射積層製造技術於塑膠射出模具產業之應用

摘要：台灣為全球模具、金屬製造、汽機車零組件、塑膠製品、石化等產業重鎮，由於新興國家的競爭，台灣產業逐漸失去低技術門檻、低價競爭的傳統製造代工市場，以及歐美國家製造中心的移轉，全球生產鏈有顯著的變化與移轉。因此台灣製造產業往高值化發展已刻不容緩，本文將說明運用雷射積層製造技術對於塑膠射出模具產業的優勢與機會，期望對國內高值化模具的技術開發與應用有所助益。

Abstract: Taiwan has advantage of mold, metallic manufacturing, automotive parts, plastic and petrochemical industry in recent decade. However, Taiwan is losing its leading position by competition from emerging countries such as low technical threshold or low price in traditional manufacturing market. Therefore, the manufacturing industry's high value influence in Taiwan has become essential. In this article, we describe the laser additive manufacturing in plastic injection mold industry application and opportunities for high value influence. Expect to be helpful in manufacturing industry's high value influence development

關鍵詞：積層製造、高值化模具、異型冷卻水路

Keywords：Additive Manufacturing (AM), Advanced Mold, Conformal Cooling Channel

前言
模具產業聚落發展與我國工業發展歷程可說是密不可分，模具為零組件製作之關鍵工具，又稱為工業產品之母，台灣模具總產值約600多億，廠商家數約3400多家，大多屬於中小企業，每付模具可創造其售價10~50倍之產品產值。在全球產業朝向高值化、綠色製造、節能省碳及縮短製造時程的趨勢下，思考台灣模具產業如何朝向高階市場邁進。近年來先進歐美國家將積層製造技術，應用於汽機車零組件、3C殼件、工具複雜本體與複雜結構體，積層製造採用加法式製造方法，不同於傳統除料式減法加工，其優勢為可製作出具複雜形貌與孔洞的結構，加工過程無刀具耗損、無須添加冷卻液及未燒結的金屬粉末可回收再利用，在製作特殊結構與落實綠色環保製程方面，是整體提升台灣模具高值化產品與效率的絕佳展現機會。

美國於2009年由ASTM（American Society for Testing and Materials：美國材料試驗協會）將過去稱為：快速原型（RP，Rapid Prototyping）/快速製造（RM，Rapid Manufacturing）/3DP（3D Printer）等說法，正名稱為積層製造（Additive Manufacturing, AM），並成立技術委員會訂定其相關標準。ASTM綜合研究學者將積層製造分成七大類型，如表1所示，包含：光聚合固化技術（Vat Photopolymerization）、材料噴塗成型技術（Material Jetting）、黏著劑噴塗成型技術（Binder Jetting）、材料擠製成型技術（Material Extrusion）、粉體熔化成型技術（Powder Bed Fusion）、疊層製造成型技術（Sheet Lamination與指向性能量沉積技術（Directed Energy Deposition）。每項技術都對應不同的材料與應用市場，目前不約而同的發展目標都鎖定，供應多元的材料、加速製造效率、提升幾何精度與表面粗糙度、強化材料機械性質，以及降低設備與材料成本等議題。

在積層製造七大類型的製造方法中，適合直接金屬成型的製作方法為Powder Bed Fusion process。在此領域裡代表性的廠商有德國EOS、美國3D Systems、瑞典Arcam、日本松浦以及德國Concept Laser等。Powder Bed Fusion的製作原理，先將3D數位檔案，透過電腦軟體將3D檔案切層為2D平面，再將2D平面轉換成掃描路徑；接著在腔體內鋪層20~30um的金屬粉末，再透過雷射（或電子束）以高速掃描振鏡的照射，將聚焦能量照射於加工區的金屬粉末以進行選擇性燒結，使其金屬粉末達到近似熔點，不斷地重複鋪粉與聚焦能量照射產生燒結動作，逐層堆疊製成所設計之工件。運用此積層製造的方法，由於聚焦能量精密因此成品精度高，3D結構藉由2D方式逐層積層製造，因此過去難以加工的複雜異形水路流道、與內部特殊結構即可以此製程實現。