曲面積層自動化量測技術

摘要：本文介紹利用光纖雷射燒結金屬粉末進行積層製造的品質控制方法，使用高速雷射輪廓儀，量測在圓棒工件上進行燒結後的輪廓高度，透過整合分度盤的光學尺編碼器數值，將座標與工件表面輪廓大量的掃瞄點資訊儲存於資料庫中，並將表面輪廓資料進行3D逆向建模，此輪廓資訊回饋給切層軟體，讓程式可以更精準控制雷射焦距完成曲面加工。本文將此雷射掃瞄進行積層品質控制的整個流程、方法及成果做一介紹。

Abstract: This article introduces a quality control method used for powder-based additive manufacturing. A high-speed laser scanner is used to measure the profile of the work piece after several layers of laser sintering. The data is then integrated with information from the encoder to form a 3D contour of the work piece. The 3D profile is fetched into the system software which recalculates the paths needed for the laser to perform precision sintering.

關鍵詞：積層製造、輪廓量測、雷射燒結

Keywords：Additive Manufacturing, Contour Measurement, Laser Sintering

前言
在金屬積層製造的領域，複合式積層製造有別於一般積層製造從零開始的特性，需積層在立體工件上，因此從電腦模型的切層到鋪粉方式都有所不同，工研院已經開發出一套利用靜電吸附技術的複合式積層製造技術[1]，旨在解決傳統積層製造金屬粉末成本高昂、加工速度緩慢的問題[2]。

整個複合式積層製造由已經部分切削完的工件開始，然後塗佈約10 μm的介電層，接著進行金屬粉末的靜電吸附和雷射燒結，因為粉末在曲面上吸附和燒結的效果不如平面粉床的效果，因此每燒結一定層數之後（約30層），會進行燒結的厚度及輪廓量測，並將結果回饋至立體切層軟體依照實際狀況進行重新切層（relayering），整個流程如圖1右半部說明，看似比一般粉床積層複雜，但由於是在切削後的工件上進行積層，整體時間上仍然比重頭開始積層較為快速，且金屬粉末的價格為同重量的金屬塊的數十倍以上（工研院實驗使用模具鋼，maraging steel），加工成本較低，同時保有粉床積層（PBF）的精細度。

本計畫使用模具鋼圓棒，並預先在上頭切削出半圓形溝槽，而積層製造的部分是在半圓形溝槽上方加上半圓形結構，使其成為圓形管路，目的是要展示複合式積層製造在製造具適型水道（conformal cooling）的模具上的優勢。其積層前後的示意如圖2。