看好現(xiàn)今積層製造逐步深入製造業(yè)應(yīng)用，尤其是在航太、汽車等先進(jìn)製造領(lǐng)域不斷推陳出新，所需關(guān)鍵零組件、模具既能整合積層製造（加法）及傳統(tǒng)切削/成型（減法）工法，加快客製化開發(fā)生產(chǎn)速度；位居供應(yīng)鏈上中游的工具機(jī)製造廠商也開始引進(jìn)相關(guān)硬軟體升級(jí)轉(zhuǎn)型，以提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
回顧在2000年之前製造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件與蒙皮等使用的主要材料，仍採(cǎi)取以鋁合金（Aluminum）、鈦合金（Titanium Alloy）和其他輕質(zhì)（非鐵）金屬材料為主。直到近20年來，始因?yàn)樘祭w維（CFRP）等複合材料（Composites）具有輕量、高強(qiáng)度特性，可適應(yīng)惡劣環(huán)境；加上製造技術(shù)進(jìn)展與生產(chǎn)成本下降，陸續(xù)於航太、電動(dòng)車用零件加工領(lǐng)域應(yīng)用比例大幅增加。
且隨著新品設(shè)計(jì)愈來愈複雜，零件曲面和複雜度不斷提升，也為廠內(nèi)加工設(shè)備帶來改變，需要經(jīng)過重複多次轉(zhuǎn)向夾持進(jìn)行加工，而容易因?yàn)槿藶榧茉O(shè)失誤而報(bào)廢；複雜曲面也容易產(chǎn)生加工刀痕交錯(cuò)的表面，不僅影響品質(zhì)，可能還須反覆修整，導(dǎo)致交貨時(shí)間延長(zhǎng)。
| 圖1 : 業(yè)者在導(dǎo)入積層製造之後，不僅能利用其潔淨(jìng)度高、機(jī)械性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)；且因?yàn)閽?cǎi)取層層堆疊工法，不受限傳統(tǒng)CNC切削加工的特性，已被航太、汽車製造業(yè)廣為應(yīng)用（source：x-plomachinery-x-cn.img.abc188.com） |
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反觀業(yè)者在導(dǎo)入積層製造之後，不僅能利用其潔淨(jìng)度高、機(jī)械性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)；且因?yàn)閽?cǎi)取層層堆疊工法，不受傳統(tǒng)CNC加工拔模角或倒勾幾何無法成型等束縛的特性，得以用來成型加工極度複雜曲面和負(fù)成型角，解決傳統(tǒng)模具不易處理的流道/冒口等問題。適用於快速開發(fā)模具，生產(chǎn)高單價(jià)、少量多樣，甚至大批量客製化產(chǎn)品，已被航太、汽車製造業(yè)廣為應(yīng)用，將可大幅縮減產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本，提高量產(chǎn)良率。
即使近年來受到疫情影響民航機(jī)市場(chǎng)成長(zhǎng)幅度，但包含貨機(jī)改裝、低軌衛(wèi)星供應(yīng)鏈等航太製造業(yè)需求仍方興未艾；加上汽車電動(dòng)化趨勢(shì)，都促使機(jī)（車）身外殼及機(jī)構(gòu)件、引擎等關(guān)鍵零組件及模具等加工生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展創(chuàng)新，並紛紛投入研發(fā)輕量化、拓樸最佳化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
積＋減法混合製造 歐日系大廠全都要
| 圖2 : 現(xiàn)今還有能整合金屬積層製造（加法）＋切削（減法），形成新型混合加工設(shè)備，以針對(duì)製造或修補(bǔ)大型複雜外型的工件加工。（source：3dadept.com） |
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然而，目前業(yè)界將積層製造導(dǎo)入快速開發(fā)生產(chǎn)過程中的最大困難，即是傳統(tǒng)機(jī)臺(tái)上可成型的尺寸受限，倘若用於製造及修補(bǔ)如鑄造陶心或模具、葉片等較大型工件時(shí)，仍須採(cǎi)取分割設(shè)計(jì)再組合的方式製作。
除了已有採(cǎi)取傳統(tǒng)刀具切削（減法）的工具機(jī)，因此發(fā)展出單機(jī)多軸化（三軸以上）與車銑複合加工機(jī)種，或搭配放電/線切割、雷射、超音波等輔助成型加工技術(shù)，已成為當(dāng)前工具機(jī)產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展趨勢(shì)；甚至還能整合積層製造（加法）等工法，形成新型複合加工設(shè)備，以針對(duì)製造或修補(bǔ)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件、引擎葉片、船用螺旋槳等複雜外型工件進(jìn)行精密加工。
包括日本MAZAK公司推出的INTEGREX e-1250V/8 AG多工複合加工機(jī)，便具有齒輪刮削、滾齒、齒輪銑削與Gear Check Plus量測(cè)功能，可應(yīng)用於生產(chǎn)內(nèi)/外正齒輪、斜齒輪和花鍵式齒輪，該機(jī)種也具備積層製造與摩擦攪拌焊接的功能。DMG MORI已推出多款結(jié)合積層製造，與一般多軸銑削功能的複合式加工機(jī)，也可應(yīng)用於複雜結(jié)構(gòu)、高價(jià)值工件加工。
德國(guó)HAMUEL公司研發(fā)HSTM複合加工機(jī)，還利用不同加工刀具、測(cè)頭與雷測(cè)模組，可提供專門用於修補(bǔ)、再製渦輪葉片與風(fēng)扇的高速銑削、雷射熔覆、去毛邊/拋光，以及3D掃描/檢測(cè)、雷射打標(biāo)等不同製程功能的專用機(jī)種。
涵括供應(yīng)鏈硬軟體 +GF+串連積層製造解決方案
瑞士商喬治費(fèi)歇爾公司（＋GF＋）多年來也為此，提供客戶所需積層製造材料、機(jī)臺(tái)硬/軟體、夾治具等完整解決方案。即使近年來陸續(xù)遭受國(guó)內(nèi)外疫情復(fù)發(fā)、俄烏戰(zhàn)火等變數(shù)不止，導(dǎo)致原物料、運(yùn)費(fèi)價(jià)格飆漲和交期遭遇瓶頸，+GF+在臺(tái)灣除了會(huì)對(duì)於物料儲(chǔ)備上調(diào)整；在銷售機(jī)臺(tái)方面服務(wù)，也已透過眾多應(yīng)用中心，可分別針對(duì)需求孔急的客戶配合加工應(yīng)用測(cè)試，或是提供展示現(xiàn)機(jī)銷售，以縮短客戶等待時(shí)間。
由於+GF+積層製造應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，目前除了可在模具業(yè)導(dǎo)入異型水路應(yīng)用外，零件加工部份則是涵蓋了航太、醫(yī)療、半導(dǎo)體、汽車等產(chǎn)業(yè)。例如在航太產(chǎn)業(yè)方面，過去有許多機(jī)身結(jié)構(gòu)支架係採(cǎi)用傳統(tǒng)CNC銑削加工，所使用的鈦合金材料、刀具成本價(jià)格不斐，移除的材料卻比留下的材料多；還須配合曲面設(shè)計(jì)，在加工中不斷翻轉(zhuǎn)夾持，對(duì)於產(chǎn)能和成本都是一大考驗(yàn)。
+GF+現(xiàn)已發(fā)展出串聯(lián)積層製造與銑削加工設(shè)備的解決方案，便分別針對(duì)五軸銑削和車銑（Mill +Turn）加工應(yīng)用發(fā)表新品，今年高階Mill X更導(dǎo)入Grinding高精度研磨功能。同時(shí)配合航太大廠利用+GF+積層加工解決方案進(jìn)行研發(fā)，從設(shè)計(jì)端提供3D Xpert軟體開始優(yōu)化產(chǎn)品，再進(jìn)入金屬積層製造積層製造全製程整合。
+GF+進(jìn)一步表示，目前該公司的金屬積層製造設(shè)備配合工業(yè)製造所需，共分為275x275x420mm、500x500x500mm兩種行程規(guī)格，可讓客戶有足夠空間同時(shí)堆疊多種設(shè)計(jì)；再經(jīng)由3D Xpert軟體匯出積層製造完成的銑削程式，搭配+GF+自有3R夾治具系統(tǒng)，確保在製程轉(zhuǎn)換過程中，毋須重新夾持校正。
最後，針對(duì)於工件移除積層製造平板後的線切割加工，+GF+也可提供獨(dú)家CUT AM線切割加工機(jī)，得以改善傳統(tǒng)線切割加工在金屬積層製造時(shí)的不穩(wěn)定性和零件掉落的風(fēng)險(xiǎn)，保持優(yōu)良品質(zhì)和完整性。透過+GF+獨(dú)特全流程金屬積層列印製程，將能讓終端加工業(yè)客戶的產(chǎn)品提高近20%產(chǎn)能，且有效節(jié)省銑削刀具和材料成本，順利達(dá)到產(chǎn)能最佳化狀態(tài)。
| 圖3 : +GF+現(xiàn)已發(fā)展出串聯(lián)積層製造與銑削加工設(shè)備的解決方案，克服過去有許多機(jī)身結(jié)構(gòu)支架因採(cǎi)用傳統(tǒng)CNC銑削加工，對(duì)於產(chǎn)能和成本造成考驗(yàn)（source：+GF+） |
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跟進(jìn)混合加工應(yīng)用 臺(tái)廠開發(fā)高階五軸機(jī)種
同樣在全球工具機(jī)消費(fèi)市場(chǎng)占有重要地位的臺(tái)灣工具機(jī)產(chǎn)業(yè)，則有從產(chǎn)銷五軸加工中心機(jī)起家的嵩富機(jī)械（Pinnacle），在2019~2020年間與成功大學(xué)、金屬工業(yè)研究發(fā)展中心合作，於現(xiàn)有五軸銑削加工中心機(jī)上整合金屬積層製造，可用於減縮製程、以航太引擎、燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片等大型工件的時(shí)間及成本，並在供粉過程中逐漸改變材料特性。
嵩富機(jī)械專案經(jīng)理陳錫卿坦言：「由於目前臺(tái)灣工具機(jī)產(chǎn)業(yè)仍以銷售標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為主，常面臨競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手低價(jià)搶市，導(dǎo)致業(yè)者經(jīng)營(yíng)不易；以及終端加工業(yè)者針對(duì)航太、電動(dòng)車等新興應(yīng)用領(lǐng)域所需高溫合金零組件材料，皆屬於難切削材居多，造成刀具急遽磨耗、加工效率低，製程成本居高不下等難題。」因此，業(yè)者未來勢(shì)必應(yīng)轉(zhuǎn)型朝向開發(fā)高階專用機(jī)種，進(jìn)而改善高溫合金加工效率及成本問題，已成為工具機(jī)產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)新局的契機(jī)之一。
「隨著雷射加工設(shè)備逐年穩(wěn)定成長(zhǎng)，與積層製造相關(guān)市場(chǎng)趨近明朗，勢(shì)必帶動(dòng)混合加工設(shè)備需求。」嵩富認(rèn)為，其除了可應(yīng)用於加工航太、船舶、汽車、模具等多項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)的精密組件，相較過去僅能採(cǎi)取各種切削工法，更提供了金屬積層製造能力；而模組化的主軸設(shè)計(jì)，更讓嵩富銷售機(jī)臺(tái)在客戶選配時(shí)，可有更高階零組件選擇，並創(chuàng)造高價(jià)值的技術(shù)性產(chǎn)品。
目前嵩富與成大機(jī)械系也趁勢(shì)整合相關(guān)五軸工具機(jī)、雷射披覆DED積層製造、4/6系列不銹鋼搭配鎳基合金（Inconel 718）粉末、加減法虛擬加工系統(tǒng)、雷射熔覆送粉模組與熔覆品質(zhì)監(jiān)診等技術(shù)，形成產(chǎn)學(xué)研互利的協(xié)同合作模式，克服鎳基合金經(jīng)過積層製造後將更難銑削，進(jìn)給耗時(shí)又磨損刀具等問題。
嵩富藉此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由成大協(xié)助開發(fā)以中低功率1000W雷射為熱源的自製雷射頭及雷射熔覆送粉模組，將產(chǎn)學(xué)研發(fā)應(yīng)用成果導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)。於同軸送粉的連續(xù)雷射披覆機(jī)臺(tái)上，完成對(duì)於雷射披覆DED金屬積層製造技術(shù)的開發(fā)與分析，通過金屬工業(yè)研究發(fā)展中心進(jìn)行材料分析、產(chǎn)品拉伸試驗(yàn)；同時(shí)搭配複合五軸銑削加工系統(tǒng)的CNC編程，利用達(dá)康科技支援的PowerMILL軟體，執(zhí)行五軸加工機(jī)加減法的工序，得以涵蓋從車用、航太及燃?xì)鉁u輪增壓器排氣葉片加工生產(chǎn)、局部強(qiáng)化，直到產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)驗(yàn)證的完整流程，提供能滿足工業(yè)4.0、淨(jìng)零碳排產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)所需先期儲(chǔ)備技術(shù)。
現(xiàn)已陸續(xù)完成驗(yàn)證葉輪載具製作驗(yàn)收規(guī)格，包括：葉片尺寸精度≦±0.01mm、表面粗糙度0.316μm；融覆高度>3mm、融覆寬度1.5mm；5片硬度HV222，達(dá)Inconel718素材硬度/抗拉強(qiáng)度/降伏強(qiáng)度數(shù)據(jù)80%以上。
針對(duì)單機(jī)加減法複合製程開發(fā)工件熔覆品質(zhì)金相組織檢測(cè)，該密度分析達(dá)8.18g/cm3，與原材密度8.19 g/cm3比較，緻密度達(dá)99.8%。至於熔覆材厚度標(biāo)準(zhǔn)差為5.9μm，該平均值為452.3 μm；而材料利用率則在單光束可提升40.4%，在多光束雷射下，材料利用率可提升達(dá)53.4%。
完成加減法五軸加工設(shè)備之雷射熔覆製程模組整合，技術(shù)規(guī)格包含：熔覆加工速度400mm/min、積層厚度每層160μm、積層寬度 0.71~2.3mm、尺寸精度<±8%，單光束粉體利用率提升為40.4%。
嵩富進(jìn)一步表示，經(jīng)過此產(chǎn)學(xué)合作專案後發(fā)現(xiàn)，旗下團(tuán)隊(duì)因此對(duì)於工業(yè)級(jí)雷射源的品質(zhì)差異了解甚高，得以藉雷射系統(tǒng)整合使用者、與了解國(guó)外雷射源技術(shù)角度後，協(xié)助建議雷射源設(shè)計(jì)及測(cè)試自主開發(fā)雷射熔覆模組性能，進(jìn)行優(yōu)劣比較並回饋資訊修正。團(tuán)隊(duì)也經(jīng)過接觸多元雷射應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，可由終端用戶的角度提供模組化光路的設(shè)計(jì)想法，更為符合產(chǎn)業(yè)需求；藉此縮短開發(fā)時(shí)程，並可搭配五軸加工設(shè)備實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，以利達(dá)到商品化目的。
| 圖4 : 嵩富機(jī)械與成功大學(xué)、金屬工業(yè)研究發(fā)展中心合作，於現(xiàn)有五軸銑削加工中心機(jī)上整合金屬積層製造，可用於減縮製程、修補(bǔ)航太、燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片等大型工件的時(shí)間及成本（source：嵩富） |
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結(jié)語
值得一提的是，由於積減法混合加工對(duì)於工件品質(zhì)要求更為嚴(yán)苛，過程中須對(duì)於工件持續(xù)加工時(shí)進(jìn)行線上量檢測(cè)，既可減少多餘的上下料時(shí)間，加快生產(chǎn)效率；也避免了工件在不同機(jī)臺(tái)間裝卸，容易影響加工精度。
不僅在瑞士商+GF+提供自動(dòng)化所需的夾治具、倉(cāng)儲(chǔ)和搬運(yùn)系統(tǒng)，可同時(shí)整合串接+GF+本身品牌和其他加工和量測(cè)設(shè)備等硬體之外；於軟體部分則分為兩部份，在設(shè)備方面可搭配由+GF+自主開發(fā)的rConnect軟體，經(jīng)過德國(guó)TUV萊茵安全認(rèn)證，提供客戶與+GF+專屬的數(shù)位連線與工程師即時(shí)溝通，以及透過手機(jī)即時(shí)追蹤監(jiān)控機(jī)臺(tái)稼動(dòng)率、狀態(tài)等訊息。
+GF+同時(shí)提供WSM系統(tǒng)，可以針對(duì)工件生產(chǎn)排程進(jìn)行管理，對(duì)各站產(chǎn)線產(chǎn)能和倉(cāng)儲(chǔ)材料進(jìn)行監(jiān)控，且與客戶MES、ERP共享資料，進(jìn)行原物料管理。對(duì)於有客製化開發(fā)需求的客戶，+GF+也透過OPC UA通訊協(xié)定，讓客戶自由選取開發(fā)和管理所需的資料，並透過自動(dòng)化整合了夾治具、搬運(yùn)系統(tǒng)和軟體，協(xié)助客戶達(dá)到24/7無人化加工管理目標(biāo)。
嵩富在生產(chǎn)模擬也搭配Power Milling軟體用於加工前的模擬，使之能更精準(zhǔn)減少加工上的誤差；並搭配Renishaw工件量測(cè)產(chǎn)品，能直接在機(jī)臺(tái)上量測(cè)工件的精度，減少再拆的工序，達(dá)到完整的加工精度效益，未來也不排除結(jié)合工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行噴粉、修補(bǔ)。
在整體設(shè)備效率上，則除了於機(jī)臺(tái)完成一次性的工序，而提升生產(chǎn)效率及品質(zhì)效益之外；現(xiàn)也配合執(zhí)行廠內(nèi)MES系統(tǒng)，可視化呈現(xiàn)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)履歷；讓客戶及供應(yīng)商可修正系統(tǒng)軟體，共同於系統(tǒng)中滿足各界對(duì)於售服維修需求。
**刊頭圖（source：tctmagazine.com）
