台灣鑄造及醫材產業新商機,創新開發快速打樣省 50% 試作成本

金屬製程研發處王俊傑處長

還在用傳統 CNC 木模翻製砂模製作模具來打樣試作爭取訂單嗎?金屬工業研究發展中心推出 3D 列印鑄造砂模服務,較傳統製程節省原型件(prototype)開發時間 35%以上並降低一半以上製作成本,大幅增加鑄造廠接單商機。

製作植入式骨科醫材只能用雷射積層製造的 3D 列印方法嗎?金屬中心引進目前全台唯一的電子束積層製造設備,比起雷射積層製造所產出的產品有更高的潔淨度、機械性質及確效性等好處。結合金屬中心電子束積層製造技術,以及國內脊椎醫材公司寶楠生技的產品研發實力,合作開發出易於骨生長的 3D 列印多孔脊椎植入物,成為台灣 TFDA 首例、同時也是亞洲唯一取得美國 FDA 上市許可的 3D 列印脊椎長期植入物。

快速打樣爭取訂單,製作週期縮短 35~60%

智慧製造時代來臨,少量多樣的訂單將是趨勢。透過 3D 列印砂模可快速製作出樣品,提樣給客戶以爭取訂單,例如從過去傳統壓鑄模具試作提樣需 2.5 個月的製作週期縮短至 1 個月,製作成本也降低 50%以上。此外,許多自有品牌廠在開發零組件時,原型件於驗證確認前總會來回設計變更,故十分適合用 3D 列印砂模先進行首件試作,待確認設計後再回到傳統鑄造以節省開發成本。不僅如此,3D 列印砂模無須考慮脫模拔模角,可直接列印砂模與砂心,提高鑄件精度及實現零件一體成形化之創新設計效益,適合生產高單價且少量多樣的精品。另一應用類型則是當產品或設備之部分零件損壞時,可快速製作少量零件以維修置換。

王處長介紹利用電子束積層製造技術所產出之產品優點

金屬中心金屬製程研發處處長王俊傑指出,依據美國材料試驗協會定義積層製造(即 3D 列印)有 7 大類型,金屬中心引進德國 3D 列印砂模系統採用黏著劑噴覆成形(即噴膠式)製程為基礎,砂模列印機將砂材鋪層在平台上,接著噴頭依照切層圖形將黏著劑噴在砂材上,反覆噴印黏粉堆疊成型,積層厚度為每層 0.25~0.4mm。金屬中心提供合金設計、模擬分析、快速造模與熔煉鑄造等一站式服務,應用範圍包括汽機車汽缸頭等引擎零件、渦輪增壓器殼體、輕量化鈑金沖壓模具、航太用儀錶板骨架零件、油箱/齒輪箱外殼、工業泵葉輪等。

金屬中心曾協助國內鑄造廠取得法國 Bombardier 越野車零件大單,滿足其在 30 天內完成 24 組樣品提樣的需求,成功鑄造 2~3mm 壁厚的齒輪箱外殼,縮短開發時程與節省成本超過 50%,並打入國際供應鏈。同時,與東台精機技術合作完成國產 3D 列印砂模設備開發並整合金晶(3D 列印用國產砂材)與金隆化工(3D 列印用呋喃樹脂),促成 3D 列印鑄造砂模產業生態系成形,以擴大技術推廣與普及產業應用。

電子束積層製造——比雷射積層製造更潔淨、少變形、更有韌性

透過 3D 列印技術製作植入式醫材產品已成為趨勢,尤其在牙科、骨科方面,連通多孔性的植入物能提供骨細胞較好的骨整合條件,孔洞的設計也可使植入物與人體骨骼硬度相仿,而傳統鑄造、鍛造等工法不僅難以作出孔洞結構的零件,更無法達到零件各部位以不同孔洞率梯度分佈的創新設計需求 (如零件某一部位為 70%的孔洞率,另一部位則為 50%的孔洞率),而積層製造便是實現此一應用的最佳技術,尤其是粉體熔融成形(即鋪粉式)積層製造。

金屬中心引進德國 3D 列印砂模系統

王俊傑指出,現行鋪粉式金屬積層製造,主要有雷射及電子束兩種方式作為熱源,把金屬粉熔融、凝固、再堆疊,目前許多醫材業者選擇成本較低的雷射積層製造方式,然而電子束擁有雷射做不到的三大優點:第一、電子束於真空下行走,所製造出的產品不易氧化、汙染,因而潔淨度、純度較高。第二、可高速掃描層層預熱,產品較不易變形,產品穩定性、可靠度好。第三、擁有較佳的機械性質,產品可具備更好的延展性與韌性。因此電子束積層製造特別適合人體植入式醫材、航太、車輛、綠能等對品質高度要求的產業應用。

金屬中心與國內脊椎醫材公司寶楠生技合作開發出 3D 列印多孔脊椎骨融合器,並已取得台灣 TFDA 與美國 FDA 長期植入物認證。該廠商當初評估選擇雷射或電子束 3D 列印技術時,考量長期植入物產品為高風險醫材,需兼顧品質穩定性與力學耐受性,因此選擇金屬中心的鈦合金電子術 3D 列印技術投入開發。未來 3D 多孔醫材將是趨勢,金屬中心擁有設備與研發試作能量,期望能結合上游粉體廠、醫材後處理等業者串連成產業供應鏈,並協助更多醫材廠商開發 3D 多孔醫材,以提升國際競爭力。

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(本文提供合作夥伴轉載)

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