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產研協力推進積層製造應用
數位轉型衍生設計分析
[作者 陳念舜]   2022年06月01日 星期三 瀏覽人次: [1634]

迎接當前國際淨零碳排浪潮,不僅各國政府和製造業大廠紛紛要求供應鏈須協力節能減排(廢)碳,讓積層製造應用可望扮演重要角色;以及後疫時代通膨隱憂和交期瓶頸,都推進航太、汽機車、模具等加工產業,希望能跟上數位轉型腳步,導入零接觸變更設計與生產流程,也催熟電腦輔助設計CAX系統軟體雲端商機。


自從2009年金融海嘯過後,由德國、美國為首,分別投入發展工業4.0、先進製造夥伴等製造業回流政策以來,後者也因此促使「積層製造(Additive Manufacturing;AM)」技術更備受關注。不僅可發揮其層層堆疊材料成為立體物件,直到一體加工成型的優勢,實現傳統工法無法完成的龐大或複雜設計形狀的工件,而毋須採取模具分件接合方式,得以有效提高精度、大幅減省開發時間與開模成本;同時提高可靠度,對於昂貴材料使用率更佳。


隨著近年來製造業對於少量多樣化與客製化產品需求,不斷縮短量產規模的日程;以及精度、品質要求日益嚴謹,導致模具加工精度、壽命和耐用度,成為產業致勝的關鍵。讓業者開始引進各項先進軟體科技和高階精密設備,來協助終端產品穩定效能與品質,讓製造工廠生產效益最大化,亦可實現模具智慧製造的本質。



圖1 : 由積層製造所使用的材料和產出工件效能,也都能符合現今半導體、航太、汽車等級品質要求,甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。(source:Autodesk)
圖1 : 由積層製造所使用的材料和產出工件效能,也都能符合現今半導體、航太、汽車等級品質要求,甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。(source:Autodesk)

因此而引進積層製造的快速模具,也確實有助於縮短產品研發時間50%,將大幅降低業者的開發成本。一旦產品設計變更時,快速模具即可隨時重新開始列印生產,讓業者取得產品開發先機,大幅降低模具費用和庫存成本;同時解決以傳統模具生產方式,常會有每批次最少訂單量(MOQ)限制,一旦數量不足時,就會造成業者沉重的庫存壓力。


且由積層製造所使用的材料和產出工件效能,也都能符合現今半導體、航太、汽車等級品質要求,甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。惟因其材質及構造非鐵金屬,具有多層異質材料和非均勻性;在零組件加工所需機械設備特性,也與單純金屬切削/成型(減法)加工機種有別。


產研合推積層製造 迎合淨零碳排趨勢

台灣工研院則在2012~2013年間,便開始結合國內外設備、材料、應用等產學研技術能量,形成雷射積層製造產業群聚,進而打造「雷射光谷」,提供產業從研發到試量產等服務;並將自主建立的超快雷射加工應用與光纖雷射源技術移轉台灣廠商,逐步落實於產業化應用。


參與其中的工具機大廠東台精機,則在2011年已率先投入開發雷射積層製造機種,並陸續開發出選擇性雷射熔融(鋪粉式Powder Bed Fusion;PBF)、整合傳統五軸金屬切削的直接能量沉積複合切削加工機(攻粉式Directed Energy Deposition;DED),後者只要在刀庫裡更換雷射、銑削主軸頭,即可整合加/減混合(Hybrid)工法與材料,或在攻粉過程中改變材料磁性。



圖2 : 參與工研院雷射光谷的工具機大廠東台精機,則在2011年已率先投入開發一系列雷射積層製造機種。(攝影:陳念舜)
圖2 : 參與工研院雷射光谷的工具機大廠東台精機,則在2011年已率先投入開發一系列雷射積層製造機種。(攝影:陳念舜)

另有東台獨有的噴膠式砂模列印(BJ)加工機系列產品,尤其適合現今遭遇供應鏈瓶頸,客戶需要更快速的模具製作方式來壓縮模具製造週期,減少應變時間,才能提高搶單的競爭能力。模具業者既可透過噴膠黏粉積層製造技術,實現異型冷卻水路設計,經過模擬分析驗證後,用來開發電動車輕量化零組件所需熱沖壓模具。


既能提高水路複雜度,幾乎可列印出任何想像得到的複雜水路設計,更為貼近產品輪廓。當設置在接近產品表面、傳統水路不易觸及的領域,也能縮減冷卻時間和熱點,實現可調控模具溫度的數位模具2.0時代,使之加工生產過程速度更快。


在日前舉行的「打造淨零時代競爭力論壇及特展(NET ZERO Day)」上,工研院也發表於積層製造所需「特用合金粉末試量產/驗證技術平台」,透過合金材料設計與製作、氣氛控制、粉末粒徑控制以及造粒控制技術,達成高流動性合金粉末製備,並提升粉末真圓度與緻密堆積度,降低燒結後合金之收縮率,維持產品的精度。


同時針對不同粉末成形及其後製程技術,提供符合該製程之粉末形態,建立各製程參數,並進行微結構、物理和機械性質分析,以建立較佳的製程參數,進行金屬材料熱加工模擬技術;加強技術差異化,提供量產前的特用合金粉末設計開發、高品質粉末製作、粉末粒徑控制、製程參數開發、粉末材料性能驗證所需的Total Solution。



圖3 : 工研院引進Gleeble 3500熱加工模擬系統,模擬金屬材料之高溫性質測試或製程(source:research.unsw.edu.au))
圖3 : 工研院引進Gleeble 3500熱加工模擬系統,模擬金屬材料之高溫性質測試或製程(source:research.unsw.edu.au))

其中,在金屬材料熱加工模擬技術方面,工研院使用Gleeble 3500熱加工模擬系統模擬金屬材料之高溫性質測試或製程,由於採取電阻式加熱的速率高,可同時快速改變溫度與變形速率,進行單道次或多道次、單一或變化溫度的熱加工(拉伸、壓縮)或熱處理製程模擬;測試效率高,可降低測試材料消耗,縮短製程研發時間。


奧奔麥引進積層製造CAM模組 形塑完整流程鏈

此外,現由奧奔麥科技公司(Openmind)所引進的3~5軸高階CAD/CAM系統軟體hyperMILL ADDITIVE Manufacturing,也因為可直接獲得德國總部支援先進製造技術、資源共享,強調不只賣軟體,還可透過後處理器與客戶端任何等級的工具機CNC控制器進行安全連線。


既有別於其他金屬積層製造採取雷射逐層燒結或熔合粉末材料的PBF製程,僅適用於平面。而是專注於輔助經過噴嘴送入粉末或線材,並利用雷射或電弧熔化的DED製程,可應用於任何平面或自由曲面;或是於合適機台上添加材料,依照相同設置完成DED Hybrid machining混合加工。


分別針對航太、汽車、模具、能源、生醫等產業需求,在2D/3D空間中控制不同材料應用的種類組合;透過hyperMILL同一軟體介面編輯、模擬和產出程式,以輔助五軸工具機加工如倒鉤區域、異型冷卻管路等,特別複雜的零件幾何形狀,減少因大量刨除工法而浪費的材料,且具有主動防撞功能;進而靈活更新或修改、優化零組件設計版本,甚至在原有材料上增加不同特徵、材質,以修復損壞的零組件。


同時管理雷射控制指令和技術參數,形成各種格子/網格策略,可以單獨微幅控制進給方向和角度、餘量重疊、應用厚度,自動計算應用區域的刀具路徑,防止在同向重覆堆疊過程中,造成材料遭受過多剪力而易脆;以及選擇連續或間斷供料,避免因過度集中起始點過熱。



圖4 : 奧奔麥科技公司目前專注於雷射積層製造DED製程,並透過單一軟體hyperMILL ADDITIVE Manufacturing完美整合設計、分析、製造流程鏈(source:source--designworldonline.com)
圖4 : 奧奔麥科技公司目前專注於雷射積層製造DED製程,並透過單一軟體hyperMILL ADDITIVE Manufacturing完美整合設計、分析、製造流程鏈(source:source--designworldonline.com)

藉此可在原本基板或零組件素材上,透過焊接組(混)合材質、特性的材料而創建零件;逐步添加各種複雜功能,例如再經過銑削,強化剛性、硬度抗磨損。進而添加其他幾何特徵到現有零件上並重新加工,以靈活應對設計變更;通過額外添加的材料層,來強化某些區域的零件,或者是針對性改變其表面特性或屬性。還可結合工業機器人、機上量測修復和返工損壞區域,例如沖壓模具磨損的切削刃,或是再次翻新整修渦輪葉片、模具等零組件等,不必拆卸送修而影響精度。


奧奔麥科技公司AE經理李瑞勝進一步指出,現今積層製造零組件面臨的挑戰,包括:對於外觀須精準加工特徵和曲面,以提高表面光潔度;待完成加工複雜工件或內部空洞結構後,還須規劃移除支撐結構,或不必要的刀具路徑。


若能將之完美整合到hyperMILL設計→分析→製造流程鏈中,在設計階段就會有各種接口介面(interfaces),用於導入模型和積層製造素材數據,並加入CAD模型與真實夾持狀況的最佳擬合(Best Fit)解決方案,在單機或多站積層製造時,經過夾緊/固定、對齊和檢查複雜工件、定義實際的NC原點,與CAD數據確保一致性。


進而在製造階段生成最佳NC程式、調校CNC數控系統,針對難以到達的區域執行2,5D、3D和五軸綜合加工策略,以及模型和積層製造素材的主動模擬、防干涉或碰撞、空(過)切等檢查功能,優化積層製造與五軸切削加工路徑,實現精確加工,控制殘料位置,減少不必要浪費。最終在機上量測階段處理CAD數據(printed stock),反饋到hyperMILL軟體檢查加工特徵的尺寸和方向,並使用3D點量測對於積層製造零組件的各區域進行表面品質檢查。


奧奔麥甚至還提供了Teamviewer軟體,以便協助設計部門工程師進行居家作業,隨時更新軟體版本、延伸應用模組,與現場操作人員連線變更設計;只要得知刀具參數、工件擺放位置及座標原點,就能更精準模擬實機上線狀態,自動計算出最佳刀具路徑,預估加工時間,提升品質和效率。


歐特克結合衍生式設計 提供積層製造平台應用服務

然而,由於現今所有的市售軟體,幾乎沒有任何一套可100%涵蓋所有功能,即使有也是天價。惟若能在關鍵環節選用正確的方法或是工具,才是真正完善的製造解決方案!美商歐特克公司(Autodesk)旗下的雲端完善生態系Fusion360,便相當符合此當今趨勢。


隨著近年來疫情反覆爆發,迫使企業居家工作、遠距開會等零接觸形式已成為常態,導致各部門的協同作業模式也出現改變。「當工程師不再待在辦公室或產線上時,產品從分析、設計、製造等各階段資料共享也會比過往更加嚴峻。」


目前已有許多企業開始導入數位轉型,改善並加快設計流程,同時須導入合宜的工具或平台,才能真正收「工欲善其事,必先利其器」之效。Autodesk的Fusion 360雲端平台多年來發展至今,向來都是基於雲端去開發各種功能,進而整合了CAD/CAM/CAE系統軟體。


一旦有必要整併各種工作流程,即可選用Fusion 360線上CAD軟體,包含AutoCAD、Inventor;CAE軟體領域,則有Nastran in CAD、MoldFlow;以及屬於CAM軟體的PowerMill、Inventor Cam,可讓每個生產環節都有相對應軟體可提供客戶,並帶來衍生式設計及Fusion Team等全新功能。


例如在設計部門中,工程師就可以透過完善的建模功能,或是衍生式設計預先設定限制條件,再透過Autodesk的雲端伺服器運算分析上傳的資料,朝著特定方向來為客戶找出成千上百萬種方案,使用者只需要利用篩選器,從中找到自己想要的「最佳設計解」,就能往下延伸工作,不像傳統地端設備占用CPU運算、記憶體資源且耗能,省去大量時間及成本。


接著經由Fusion 360保存檔案,利用CAE功能來分析、驗證;待延伸到了CAM製造介面,無論是增材或減材製造,Fusion 360的CAM軟體都能勝任模擬機台動作和加工路徑。且因為後者具備完善的車削、3~5軸銑削和積層製造功能,即使需要再行產品設計變更,也毋須切換軟體。現場操作人員只要透過Fusion Team來傳遞訊息和共享最新版本CAD/CAM/CAE資料,在家上班的設計人員就可以馬上修正、變更,提高整體生產效率與品質,讓公司能藉轉型數位製造得到最大好處!


未來Autodesk也不排除導入人工智慧(AI)技術,利用累積資料建立模型、雲端計算力,讓使用者、廠商加速找出最佳解;進而將之相關參數定型化,產生自動化流程並通過驗證,方便其他人不必再重新搜尋或輸入參數,將有助於提高模擬分析驗證的效率和精度。



圖5 : Forge平台可以接受任意一家廠商或是友商的MES、AR/VR等資料,符合近幾年來相當推崇的AnyCAD概念,得以讓Autodesk用戶藉此開發的各種平台及軟體功能,享有非常高的自由度,(source:Autodesk)
圖5 : Forge平台可以接受任意一家廠商或是友商的MES、AR/VR等資料,符合近幾年來相當推崇的AnyCAD概念,得以讓Autodesk用戶藉此開發的各種平台及軟體功能,享有非常高的自由度,(source:Autodesk)

Autodesk在近年來持續推廣積層(增材)製造解決方案過程中也發現,經常有客戶選擇與性價比極高的Fusion360衍生式設計串聯整合,從減少材料用量與找到產品最佳結構的方向考量,提供更多樣化設計優勢。


例如歐洲航太製造龍頭AIRBUS,便透過Fusion360的衍生式設計來優化無人機結構,確保在減重50%的情況下,仍然保有相同結構強度,更能提高生產效率。也有通用汽車(GM)工程師在設計汽車座椅支架的階段,導入Fusion360的衍伸式設計與增材製造,使之產品減重40%、提高結構強度20%。


面對當前遠距離、居家工作等上班模式,Fusion 360還可以透過帳號授權模式,取代過往一機一用戶的License授權模式,讓用戶得以隨時隨機,跨裝置登入使用;以及透過Fusion Team共享資料,比起過往透過USB傳遞或e-mail發送資料來得更安全、有效率,不必擔心公司運作可能隨時中止,用戶也可以透過Fusion Team來讀取團隊資料。


值得一提的是,Autodesk還有另一個開源平台Forge,可以接受任意一家廠商或是友商的MES、AR/VR等資料,這也是Autodesk近幾年推崇的AnyCAD概念,得以讓Autodesk眾多用戶,都能藉此在Forge平台上開發各種平台及軟體功能,整合不同軟體間的工作流、營運價值鏈,促使平台間的串連性與客製化程式可以有非常高的自由度,更為符合使用者開發需求!


原因即在於Forge平台能做到完整的可視化,將Inventor建立的工具機設備模型與Revit建立的工廠實景,一起彙整至Forge進行整體產線的可視化開發及評估,能讓企業在購買工具機設備前,可以很快速了解設備與自家工廠是否吻合,也能清楚掌握整體的產線狀態,省下高額成本與避開風險。


近期Autodesk也宣佈參與工研院VMX公有機械雲平台商轉,不僅利用Autodesk也有類似於App Store或是Play商店的程式集,而稱之為Autodesk App Store,可以接受由各國用戶或是程式開發商、法人單位所發行的各類外掛程式,其中Forge創建完成的工具也都是針對程式而執行客製化開發,以提高CAD/CAM/CAE整合能力及效率;進而導入國外先進製造場域累積的應用經驗、工法,刺激產業數位轉型成長。


**刊頭圖(source:Autodesk)


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