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    積+減法整合為硬軟體加值
    導(dǎo)入製造業(yè)減碳升級
    [作者 陳念舜]   2022年06月02日 星期四 瀏覽人次: [14659]

    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)硬軟體升級轉(zhuǎn)型,以提升國際競爭力。


    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,始因為碳纖維(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,而容易因為人為架設(shè)失誤而報廢;複雜曲面也容易產(chǎn)生加工刀痕交錯的表面,不僅影響品質(zhì),可能還須反覆修整,導(dǎo)致交貨時間延長。



    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;且因為採取層層堆疊工法,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)
    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;且因為採取層層堆疊工法,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)

    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;且因為採取層層堆疊工法,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、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)市場成長幅度,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;加上汽車電動化趨勢,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。


    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,以針對製造或修補(bǔ)大型複雜外型的工件加工。(source:3dadept.com)
    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,以針對製造或修補(bǔ)大型複雜外型的工件加工。(source:3dadept.com)

    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,仍須採取分割設(shè)計再組合的方式製作。


    除了已有採取傳統(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;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)、高價值工件加工。


    德國HAMUEL公司研發(fā)HSTM複合加工機(jī),還利用不同加工刀具、測頭與雷測模組,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、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)臺硬/軟體、夾治具等完整解決方案。即使近年來陸續(xù)遭受國內(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)價格飆漲和交期遭遇瓶頸,+GF+在臺灣除了會對於物料儲備上調(diào)整;在銷售機(jī)臺方面服務(wù),也已透過眾多應(yīng)用中心,可分別針對需求孔急的客戶配合加工應(yīng)用測試,或是提供展示現(xiàn)機(jī)銷售,以縮短客戶等待時間。


    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)支架係採用傳統(tǒng)CNC銑削加工,所使用的鈦合金材料、刀具成本價格不斐,移除的材料卻比留下的材料多;還須配合曲面設(shè)計,在加工中不斷翻轉(zhuǎn)夾持,對於產(chǎn)能和成本都是一大考驗。


    +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堆疊多種設(shè)計;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的不穩(wěn)定性和零件掉落的風(fēng)險,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)支架因採用傳統(tǒng)CNC銑削加工,對於產(chǎn)能和成本造成考驗(source:+GF+)
    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)支架因採用傳統(tǒng)CNC銑削加工,對於產(chǎn)能和成本造成考驗(source:+GF+)

    跟進(jìn)混合加工應(yīng)用 臺廠開發(fā)高階五軸機(jī)種

    同樣在全球工具機(jī)消費(fèi)市場占有重要地位的臺灣工具機(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,常面臨競爭對手低價搶市,導(dǎo)致業(yè)者經(jīng)營不易;以及終端加工業(yè)者針對航太、電動車等新興應(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,與積層製造相關(guān)市場趨近明朗,勢必帶動混合加工設(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、模具等多項重要產(chǎn)業(yè)的精密組件,相較過去僅能採取各種切削工法,更提供了金屬積層製造能力;而模組化的主軸設(shè)計,更讓嵩富銷售機(jī)臺在客戶選配時,可有更高階零組件選擇,並創(chuàng)造高價值的技術(shù)性產(chǎn)品。


    目前嵩富與成大機(jī)械系也趁勢整合相關(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)給耗時又磨損刀具等問題。


    嵩富藉此在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,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)臺上,完成對於雷射披覆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;同時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)檢測驗證的完整流程,提供能滿足工業(yè)4.0、淨(jìng)零碳排產(chǎn)業(yè)趨勢所需先期儲備技術(shù)。


    現(xiàn)已陸續(xù)完成驗證葉輪載具製作驗收規(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,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)隊因此對於工業(yè)級雷射源的品質(zhì)差異了解甚高,得以藉雷射系統(tǒng)整合使用者、與了解國外雷射源技術(shù)角度後,協(xié)助建議雷射源設(shè)計及測試自主開發(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)計想法,更為符合產(chǎn)業(yè)需求;藉此縮短開發(fā)時程,並可搭配五軸加工設(shè)備實際應(yīng)用驗證,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間及成本(source:嵩富)
    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間及成本(source:嵩富)

    結(jié)語

    值得一提的是,由於積減法混合加工對於工件品質(zhì)要求更為嚴(yán)苛,過程中須對於工件持續(xù)加工時進(jìn)行線上量檢測,既可減少多餘的上下料時間,加快生產(chǎn)效率;也避免了工件在不同機(jī)臺間裝卸,容易影響加工精度。


    不僅在瑞士商+GF+提供自動化所需的夾治具、倉儲和搬運(yùn)系統(tǒng),可同時整合串接+GF+本身品牌和其他加工和量測設(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溝通,以及透過手機(jī)即時追蹤監(jiān)控機(jī)臺稼動率、狀態(tài)等訊息。


    +GF+同時提供WSM系統(tǒng),可以針對工件生產(chǎn)排程進(jìn)行管理,對各站產(chǎn)線產(chǎn)能和倉儲材料進(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工件量測產(chǎn)品,能直接在機(jī)臺上量測工件的精度,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)中滿足各界對於售服維修需求。


    **刊頭圖(source:tctmagazine.com)


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