1. EOSGoldAMHoptroff-Watc_opt_620  

上圖是用EOSCooksongoldPRECIOUS M 080 AM系統,為Hoptroff London製造的18K金錶殼。

談到金屬零件的製造,加式、減式及混合式技術都可以符合不同的製造需求。諺語有云"客戶真正需要的是孔,而不是鑽子",系統製造商及相關業者在持續提供讓事情得以完成的工具時,越來越倚重疊加製造(AM)技術,有時候也會結合減式(傳統)方法一起使用。

AM在工業界的接受度越來越高,Wohlers Associates的資深顧問Tim Caffrey表示,2012年到2013年,金屬AM系統的銷售增加75%,遠高於業界平均水準,他點出雖然醫療應用佔了很大部分,但航太工業也不容小覷,別忘了通用航空(GE Aviation2013年收購Morris Technologies,並取得EOS的直接金屬雷射燒結 (DMLS) 技術。

空中巴士(Airbus)AM領域有相當的能見度,勞斯萊斯(Rolls Royce)及普惠公司 (Pratt & Whitney) 亦然。Aerojet Rocketdyne則從事3D列印的火箭引擎組件。

本文將回顧金屬領域長期玩家及產業新入者的發展、標準組織的活動、技術資源及這些方法背後的市場含意。

金屬AM的新聞及微差

鈦合金、鎳合金、鈷鉻合金及多種不銹鋼是AM技術最常見的材料,多年來幕後的發展讓選擇更為多元化。以下公司僅代表少數幾個金屬AM系統,雖然它們都以粉末床工作,但用不同的技術建造零件。

2. FabrisonicCopperAlumTh_opt_620

上圖是用Fabrisonic SonicLayer 7200系統以超音波黏合銅與鋁而得的熱管理裝置。

20149月中,EOS宣佈和Cooksongold(一家製造貴金屬的英國供應商)結盟並推出PRECIOUS M 080 DMLS系統。配備100瓦纖維雷射的PRECIOUS M 080有極精細的解析度,其建造體積為直徑 80 mm及高度 95 mm(包括建造台)。目前該系統以多種金合金列印奢華手錶及珠寶,其他的材料也在規劃中。EOS稍早宣佈一種抗腐蝕級的鈦TI64ELI及高延展材料SS316L,適合用於醫療器材及錶殼。

3D Systems也沒閒著,它在2014年收購比利時的LayerWise,因此其直接金屬AM法再添雷射燒結這個生力軍。該公司表示藉由LayerWise的收購帶入新的技術、工具及服務。3D Systems3ProX金屬印表機是由收購Phenix Systems直接得到的技術,目前ProX系統支援11種以上的材料,包括青銅、鋁及Inconel 7183D Systems正在測試鉬、Inconel 625、純銅、鎢及其他不銹鋼/工具鋼。使用ProX設備的客戶,例如Metal Technology Inc. (MTI),也在開發更多的材料,包括C-103,一種廣泛使用於航空工業的鈮基合金。

鎳基合金因為具有耐熱性及耐腐蝕性而被廣泛使用。Arcam電子束熔融系統新增鎳基Inconel 718材料,成為繼EOS3D SystemsConcept LaserRenishawSLM Solutions之後,另一家提供此材料作為燒結/熔融用途的廠商。

ExOne則採取完全不同的方法,以噴射黏合劑在粉末上的技術及Inconel Alloy 625材料,來製造完全緻密的AM鎳零件,製得的零件具有99%的密度。這個成就讓該公司向其單一金屬3D列印零件的目標邁進一大步。ExOne持續致力於新材料的開發,並打算每6個月認證一種新的工業材料,它也和匹茲堡大學及Magnesium Elektron Powders合作開發鎂合金及鐵基合金,作為生物醫療用途。

目標化澱積及梯度合金

另一種金屬AM技術稱為直接金屬澱積(DMD)法,也就是先將原料注入加熱的熔漿池中,再融合至現有零件上或直接在建造台上自由成型。DM3D Technology (前身為POM)Optomec使用DMD相關系統已有至少10年的經驗;而RPM InnovationsSciaky則為此領域的新兵;NASA Jet Propulsion Laboratory有自己相關的研究計畫。

3. Fabrisonic7200System_opt_620

上圖是SonicLayer 7200超音波疊加製造(UAM)系統,超音波熔接法可以在類似或不類似的金屬之間建立固態結合。

金屬AM應用至零件修復這個議題,經由美國製造(America Makes)及國家疊加製造創新機構計畫(National Additive Manufacturing Innovation Institute Program)的相關活動,得到更多人的關注,其一是Optomec將領導美國再起("Re-Born in the USA計畫,為美國空軍修復航太金屬組件。Optomec的粉末進料DMD 技術(基於Sandia National Laboratories授權的LENS法)可以將金屬加至幾乎任何3D形狀的現有基材上,展現疊加製造較傳統熔接技術勝出的地方,另外在面對高價值航太組件的關鍵零件維護時,可以用修復的方式來代替更換

受客戶要求維修及製造大型零件的鼓舞,RPM Innovations(因RPM & Associates的資產分拆而成立)在2009年開發出自家的工業級雷射金屬澱積設備 (LMD) ,建造室尺寸達5x5x7 呎,並有多個粉末進料斗。該公司認為自己寫傳動控制軟體是讓設備運轉24小時/7天的關鍵,其目前有3套系統在運轉,可連續工作1500小時。

另一家在DMD世界綻露頭角的公司是成立於1939年的熔接系統製造商Sciaky。該公司在2009年導入電子束疊加製造(EBAM) 系統,經由線狀原料將金屬澱積至熔漿池,Sciaky VX-110系統可以每小時7-20磅的速率成層,視零件的幾何形狀與所用的材料而定。該公司已接獲美國國防部 (DoD) 美國製造的多項合約,並和洛克希德馬丁航空(Lockheed Martin Aeronautics )及賓州大學應用研究實驗室合作。

自成一格的公司

FabrisonicAM系統原來稱為超音波固結(ultrasonic consolidation),現在更名為超音波疊加製造 (UAM) ,該公司在2008年以EWI(一家俄亥俄州非營利組織)Solidica(現在已停業,其是低溫聲基法的開發者)的合資企業成立。UAM製造物件的方式是先利用超音波結合金屬箔的薄層,再對固態物件進行精準的電腦數值控制 (CNC) 車工。該方法可以形成100%緻密的零件及支援非類似金屬的熔接,並且不會產生易碎的介金屬。該公司自2012年起每年有70%的成長,業務範圍包括零件製造及機器銷售,其最大的系統主要用來修復現有零件,可以在曲面上超音波結合材料,且已募得資金添購旋轉軸,可以進一步熔接圓柱形零件。UAM法最特殊的功能是可以在層間插入連續纖維或不銹鋼網格,建立金屬基質複合材料,此材料質輕但具有高強度,極適合航太應用。
Matsuura IndustriesLUMEX Avance-25是結合選擇性雷射燒結 (SLS) 與切削系統的混合機,操作時先以雷射燒結連續100.05mm厚的粉末金屬,並視需要實施研磨,最後製得的加工零件具有極佳的尺寸準確度與表面平滑度,特別適合用來降低複雜模具的製造時間。

DMG Mori是德國製造商,最近也推出混合AM系統,其Lasertec 65結合雷射DMD5軸研磨機,建造尺寸達23.6 x 15.7 吋,壁厚度為0.1mm5mm

Hybrid Manufacturing Technologies推出AMBIT多工系統,它是一種機器人控制工具的對接系統,支援的功能包括雷射包覆、五軸切削、接觸探針精密量測、拋光、退火甚至清理,所有的動作一次設定。

Optomec也推出名為LENS Print Engine的混合機,將雷射澱積功能加至CNC機。LENS Print Engine包括專利粉末進料斗、澱積頭、LENS製程控制、纖維雷射支援、整合工具路徑生成軟體及安全包裝。

副廠材料

當越來越多的AM系統使用非專利粉末,獨立供應商的材料開發就進展的越快。英國的Metalysis公司和Sheffield University’s Mercury Centre合作開發出製造鈦粉的新方法,比目前經常使用的多步驟且耗能的Kroll法來得便宜,它以單一電解步驟自金紅石沙(海灘沙子中存在的天然鈦礦)萃取鈦,並可將鈦粉的價格大幅降低75%。另外,該公司也在開發鉭粉。

由專業用途到個人用途

討論金屬AM新聞,如果不提到顛覆桌上型金屬印表機的新興公司,那就未盡全功。Vader SystemsmatterFabNewton3D是個人AM系統最有競爭力的業者,值得持續關注。

在大咖玩家的領域裡,AM幾乎每天都有新的發展。GEAvio Aero部門最近為Arcam equipment開發出一種新的高能電子槍,使其可以用輕質鈦礬土來製造渦輪葉。

JPL正從事在旋轉棒上澱積金屬層的工作,並建立具有梯度金屬合金的零件。

另一件值得關注的是Stratasys是否會直接進入金屬市場,而非倚賴第三方的設備。

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