積＋減法整合為硬軟件加值 導(dǎo)入制造業(yè)減碳升級

看好現(xiàn)今積層制造逐步深入制造業(yè)應(yīng)用，尤其是在航天、汽車等先進制造領(lǐng)域不斷推陳出新，所需關(guān)鍵零組件、模具既能整合積層制造（加法）及傳統(tǒng)切削/成型（減法）工法，加快客制化開發(fā)生產(chǎn)速度；位居供應(yīng)鏈上中游的工具機制造廠商也開始引進相關(guān)硬軟件升級轉(zhuǎn)型，以提升國際競爭力。

回顧在2000年之前制造飛機結(jié)構(gòu)件與蒙皮等使用的主要材料，仍采取以鋁合金（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）等復(fù)合材料（Composites）具有輕量、高強度特性，可適應(yīng)惡劣環(huán)境；加上制造技術(shù)進展與生產(chǎn)成本下降，陸續(xù)于航天、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)計愈來愈復(fù)雜，零件曲面和復(fù)雜度不斷提升，也為廠內(nèi)加工設(shè)備帶來改變，需要經(jīng)過重復(fù)多次轉(zhuǎn)向夾持進行加工，而容易因為人為架設(shè)失誤而報廢；復(fù)雜曲面也容易產(chǎn)生加工刀痕交錯的表面，不僅影響質(zhì)量，可能還須反復(fù)修整，導(dǎo)致交貨時間延長。



 
圖1 : 業(yè)者在導(dǎo)入積層制造之后，不僅能利用其潔凈度高、機械性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢；且因為采取層層堆棧工法，不受限傳統(tǒng)CNC切削加工的特性，已被航天、汽車制造業(yè)廣為應(yīng)用（source：x-plomachinery-x-cn.img.abc188.com）

反觀業(yè)者在導(dǎo)入積層制造之后，不僅能利用其潔凈度高、機械性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢；且因為采取層層堆棧工法，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復(fù)雜曲面和負成型角，解決傳統(tǒng)模具不易處理的流道/冒口等問題。適用于快速開發(fā)模具，生產(chǎn)高單價、少量多樣，甚至大批量客制化產(chǎn)品，已被航天、汽車制造業(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市場成長幅度，但包含貨機改裝、低軌衛(wèi)星供應(yīng)鏈等航天制造業(yè)需求仍方興未艾；加上汽車電動化趨勢，都促使機（車）身外殼及機構(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，并紛紛投入研發(fā)輕量化、拓樸優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

積＋減法混合制造　歐日系大廠全都要


 
圖2 : 現(xiàn)今還有能整合金屬積層制造（加法）＋切削（減法），形成新型混合加工設(shè)備，以針對制造或修補大型復(fù)雜外型的工件加工。（source：3dadept.com）

然而，目前業(yè)界將積層制造導(dǎo)入快速開發(fā)生產(chǎn)過程中的最大困難，即是傳統(tǒng)機臺上可成型的尺寸受限，倘若用于制造及修補如鑄造陶心或模具、葉片等較大型工件時，仍須采取分割設(shè)計再組合的方式制作。

除了已有采取傳統(tǒng)刀具切削（減法）的工具機，因此發(fā)展出單機多軸化（三軸以上）與車銑復(fù)合加工機種，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)前工具機產(chǎn)業(yè)重要發(fā)展趨勢；甚至還能整合積層制造（加法）等工法，形成新型復(fù)合加工設(shè)備，以針對制造或修補飛機機體結(jié)構(gòu)件、引擎葉片、船用螺旋槳等復(fù)雜外型工件進行精密加工。

包括日本MAZAK公司推出的INTEGREX e-1250V/8 AG多任務(wù)復(fù)合加工機，便具有齒輪刮削、滾齒、齒輪銑削與Gear Check Plus量測功能，可應(yīng)用于生產(chǎn)內(nèi)/外正齒輪、斜齒輪和花鍵式齒輪，該機種也具備積層制造與摩擦攪拌焊接的功能。DMG MORI已推出多款結(jié)合積層制造，與一般多軸銑削功能的復(fù)合式加工機，也可應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高價值工件加工。

德國HAMUEL公司研發(fā)HSTM復(fù)合加工機，還利用不同加工刀具、測頭與雷測模塊，可提供專門用于修補、再制渦輪葉片與風(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)等不同制程功能的專用機種。

涵括供應(yīng)鏈硬軟件　+GF+串連積層制造解決方案
瑞士商喬治費歇爾公司（＋GF＋）多年來也為此，提供客戶所需積層制造材料、機臺硬/軟件、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)火等變量不止，導(dǎo)致原物料、運費價格飆漲和交期遭遇瓶頸，+GF+在臺灣除了會對于物料儲備上調(diào)整；在銷售機臺方面服務(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)機銷售，以縮短客戶等待時間。

由于+GF+積層制造應(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天、醫(yī)療、半導(dǎo)體、汽車等產(chǎn)業(yè)。例如在航天產(chǎn)業(yè)方面，過去有許多機身結(jié)構(gòu)支架系采用傳統(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，對于產(chǎn)能和成本都是一大考驗。

+GF+現(xiàn)已發(fā)展出串聯(lián)積層制造與銑削加工設(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。同時配合航天大廠利用+GF+積層加工解決方案進行研發(fā)，從設(shè)計端提供3D Xpert軟件開始優(yōu)化產(chǎn)品，再進入金屬積層制造積層制造全制程整合。

+GF+進一步表示，目前該公司的金屬積層制造設(shè)備配合工業(yè)制造所需，共分為275x275x420mm、500x500x500mm兩種行程規(guī)格，可讓客戶有足夠空間同時堆棧多種設(shè)計；再經(jīng)由3D Xpert軟件導(dǎo)出積層制造完成的銑削程序，搭配+GF+自有3R夾治具系統(tǒng)，確保在制程轉(zhuǎn)換過程中，毋須重新夾持校正。

最后，針對于工件移除積層制造平板后的線切割加工，+GF+也可提供獨家CUT AM線切割加工機，得以改善傳統(tǒng)線切割加工在金屬積層制造時的不穩(wěn)定性和零件掉落的風(fēng)險，保持優(yōu)良質(zhì)量和完整性。透過+GF+獨特全流程金屬積層打印制程，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，順利達到產(chǎn)能優(yōu)化狀態(tài)。


 
圖3 : +GF+現(xiàn)已發(fā)展出串聯(lián)積層制造與銑削加工設(shè)備的解決方案，克服過去有許多機身結(jié)構(gòu)支架因采用傳統(tǒng)CNC銑削加工，對于產(chǎn)能和成本造成考驗（source：+GF+）

跟進混合加工應(yīng)用　臺廠開發(fā)高階五軸機種
同樣在全球工具機消費市場占有重要地位的臺灣工具機產(chǎn)業(yè)，則有從產(chǎn)銷五軸加工中心機起家的嵩富機械（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，于現(xiàn)有五軸銑削加工中心機上整合金屬積層制造，可用于減縮制程、以航天引擎、燃氣渦輪機葉片等大型工件的時間及成本，并在供粉過程中逐漸改變材料特性。

嵩富機械項目經(jīng)理陳錫卿坦言：「由于目前臺灣工具機產(chǎn)業(yè)仍以銷售標(biāo)準(zhǔn)機為主，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)者針對航天、電動車等新興應(yīng)用領(lǐng)域所需高溫合金零組件材料，皆屬于難切削材居多，造成刀具急遽磨耗、加工效率低，制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)高階專用機種，進而改善高溫合金加工效率及成本問題，已成為工具機產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)新局的契機之一。

「隨著雷射加工設(shè)備逐年穩(wěn)定成長，與積層制造相關(guān)市場趨近明朗，勢必帶動混合加工設(shè)備需求?！贯愿徽J為，其除了可應(yīng)用于加工航天、船舶、汽車、模具等多項重要產(chǎn)業(yè)的精密組件，相較過去僅能采取各種切削工法，更提供了金屬積層制造能力；而模塊化的主軸設(shè)計，更讓嵩富銷售機臺在客戶選配時，可有更高階零組件選擇，并創(chuàng)造高價值的技術(shù)性產(chǎn)品。

目前嵩富與成大機械系也趁勢整合相關(guān)五軸工具機、雷射披覆DED積層制造、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)、雷射熔覆送粉模塊與熔覆質(zhì)量監(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)過積層制造后將更難銑削，進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雷射為熱源的自制雷射頭及雷射熔覆送粉模塊，將產(chǎn)學(xué)研發(fā)應(yīng)用成果導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)。于同軸送粉的連續(xù)雷射披覆機臺上，完成對于雷射披覆DED金屬積層制造技術(shù)的開發(fā)與分析，通過金屬工業(yè)研究發(fā)展中心進行材料分析、產(chǎn)品拉伸試驗；同時搭配復(fù)合五軸銑削加工系統(tǒng)的CNC編程，利用達康科技支持的PowerMILL軟件，執(zhí)行五軸加工機加減法的工序，得以涵蓋從車用、航天及燃氣渦輪增壓器排氣葉片加工生產(chǎn)、局部強化，直到產(chǎn)品質(zhì)量檢測驗證的完整流程，提供能滿足工業(yè)4.0、凈零碳排產(chǎn)業(yè)趨勢所需先期儲備技術(shù)。

現(xiàn)已陸續(xù)完成驗證葉輪載具制作驗收規(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Inconel718素材硬度/抗拉強度/降伏強度數(shù)據(jù)80%以上。

針對單機加減法復(fù)合制程開發(fā)工件熔覆質(zhì)量金相組織檢測，該密度分析達8.18g/cm3，與原材密度8.19 g/cm3比較，致密度達99.8%。至于熔覆材厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差為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53.4%。

完成加減法五軸加工設(shè)備之雷射熔覆制程模塊整合，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%。

嵩富進一步表示，經(jīng)過此產(chǎn)學(xué)合作項目后發(fā)現(xiàn)，旗下團隊因此對于工業(yè)級雷射源的質(zhì)量差異了解甚高，得以藉雷射系統(tǒng)整合用戶、與了解國外雷射源技術(shù)角度后，協(xié)助建議雷射源設(shè)計及測試自主開發(fā)雷射熔覆模塊性能，進行優(yōu)劣比較并回饋信息修正。團隊也經(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塊化光路的設(shè)計想法，更為符合產(chǎn)業(yè)需求；藉此縮短開發(fā)時程，并可搭配五軸加工設(shè)備實際應(yīng)用驗證，以利達到商品化目的。



 
圖4 : 嵩富機械與成功大學(xué)、金屬工業(yè)研究發(fā)展中心合作，于現(xiàn)有五軸銑削加工中心機上整合金屬積層制造，可用于減縮制程、修補航天、燃氣渦輪機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，由于積減法混合加工對于工件質(zhì)量要求更為嚴(yán)苛，過程中須對于工件持續(xù)加工時進行在線量檢測，既可減少多余的上下料時間，加快生產(chǎn)效率；也避免了工件在不同機臺間裝卸，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)備等硬件之外；于軟件部分則分為兩部份，在設(shè)備方面可搭配由+GF+自主開發(fā)的rConnect軟件，經(jīng)過德國TUV萊茵安全認證，提供客戶與+GF+專屬的數(shù)字聯(lián)機與工程師實時溝通，以及透過手機實時追蹤監(jiān)控機臺稼動率、狀態(tài)等訊息。

+GF+同時提供WSM系統(tǒng)，可以針對工件生產(chǎn)排程進行管理，對各站產(chǎn)線產(chǎn)能和倉儲材料進行監(jiān)控，且與客戶MES、ERP共享數(shù)據(jù)，進行原物料管理。對于有客制化開發(fā)需求的客戶，+GF+也透過OPC UA通訊協(xié)議，讓客戶自由選取開發(fā)和管理所需的數(shù)據(jù)，并透過自動化整合了夾治具、搬運系統(tǒng)和軟件，協(xié)助客戶達到24/7無人化加工管理目標(biāo)。

嵩富在生產(chǎn)仿真也搭配Power Milling軟件用于加工前的模擬，使之能更精準(zhǔn)減少加工上的誤差；并搭配Renishaw工件量測產(chǎn)品，能直接在機臺上量測工件的精度，減少再拆的工序，達到完整的加工精度效益，未來也不排除結(jié)合工業(yè)機器人進行噴粉、修補。

在整體設(shè)備效率上，則除了于機臺完成一次性的工序，而提升生產(chǎn)效率及質(zhì)量效益之外；現(xiàn)也配合執(zhí)行廠內(nèi)MES系統(tǒng)，可視化呈現(xiàn)機臺生產(chǎn)履歷；讓客戶及供貨商可修正系統(tǒng)軟件，共同于系統(tǒng)中滿足各界對于售服維修需求。