3D列印引擎 工研院從麵包找到靈感 – i創科技

3D列印引擎 工研院從麵包找到靈感


金屬3D列印,是近期製造產業革新最受到矚目的焦點,但目前市面上的設備,為了達到最佳的緻密度,一種材料往往只能擁有單一的結晶結構及機械性質。工研院南分院3D列印研究團隊從麵包皮脆心軟的口感中找到靈感,開發出「3D列印材料晶控光引擎」,可按照產品需求任意調控工件所需的機械性質 ,讓3D列印的應用增添無限的創意想像空間。

photo credit: ITRI (工研院開發的「3D列印材料晶控光引擎」,可按照產品需求任意調控工件所需的強度、硬度、韌性等機械性質。)

 

3D列印應用已可直接製作功能性的商品與零組件;其中金屬3D列印是由平均直徑約25微米(µm)的金屬粉末經雷射燒熔層層疊加而成型,成品精細度可達50微米(µm ,相當於頭髮的半徑)、緻密度達99%以上。

若以鈦合金粉末製作,拉伸強度達950MPa以上,已符合醫材等級規格需求,可用於直接製作結構繁複的汽車、航太零組件、特殊水路模具、客製化醫材及文創珠寶等民生消費產品。

目前金屬3D列印設備使用的雷射參數,僅能產生單一機械性質的成品,再經過後續製程的熱處理或表面鍍膜方式,達到需要的零件硬度或韌性。同一零件如需在不同運作點有不同材料硬度或韌性需求時則無法達成。

工研院3D列印技術團隊 ,在一次例行性技術討論會議中,有同仁做了這樣比喻「好吃的麵包,咬起來就是皮脆心軟,嚼勁十足,但明明都是同一種麵糰送進烤箱,關鍵在於師傅的手法和火候的控制!」

這句話讓團隊成員獲得了靈感 ,材料背景同仁靈機一閃:「不同雷射光學與材料作用會有不同的材料結晶結構」。

光學背景同仁則想出「如何創造一個新的光路設計,讓成品在同樣保持接近100%緻密的零缺陷前提下,也能獲得不同的火候調整」;機械背景同仁則負責軟硬體控制介面的整合,讓不同的火候能在高速的雷射製程中獲得動態調整。

於是3D列印產生了嶄新的設計概念,從金屬材料晶相成長特性著手,在製作過程藉特殊設計的雷射光學引擎,調控製程中不同雷射光學與材料作用機制來改變金屬材料結晶結構。

雷射光路的設計可依照產品需求調控工件不同部位所需的強度、硬度、韌性等機械性質,讓該硬的地方硬,該韌的地方韌;僅一年的時間,「3D列印材料晶控光引擎」便順利開發出來並申請了國內外專利 ,更獲得2015全球百大科技獎入圍殊榮。

最先引進國內第一台金屬3D列印設備的工研院,自2011年籌組「雷射積層製造產業聯盟」與國內近40家公司在3D列印的設計、應用及材料、設備的開發 ,一直緊密互動。

近來積極尋求轉型過程中,曾有業者反應,如果產品只是外型相同,強度大家相仿,3D列印做出來的產品就沒有自己的技術獨特性。要做出獨特性、高單價的高階產品才是市場的勝出關鍵。

因此,促動工研院研發可直接讓單一工件有不同機械特性的3D列印,讓產品在需耐磨損的部分具備高硬度、震動運轉的地方具備高韌性。

以渦輪葉片為例,在中央芯軸的部位容易磨損,因此需要具備高硬度,在葉片的部位則是需要克服高溫疲勞特性的難關,需要單方向結晶的結構 ,這也同時是目前市面上所有3D列印設備皆無法克服的困難結構 ,透過工研院開發的「3D列印材料晶控光引擎」 ,均可一次列印完成 ,不須再做任何的後處理。

這個技術可大幅提升產品的效能,並節省零件的製作成本和時間,未來有機會廣泛應用於汽車與航太產業中需同時兼顧強度及韌性之關鍵零組件、生醫骨科客製化醫材等,並提供產品製造商與設備開發商多一個創新產品的實踐工具與關鍵模組。

(本文於2015/12/17同步刊載於聯合新聞網)

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