基於積層製造之鑄造模具應用研究

作者:

吳慶財

刊登日期:2021/11/30

摘要:首先說明應用積層製造於鑄造模具之關鍵技術與應用優勢,針對積層製造應用於砂模模具與精密鑄造用陶瓷模具之生產設備、材料與流程做說明;經由渦輪增壓器外殼之成功案例顯示,積層製造砂模技術於模具上、下模,結合積層製造之陶心列印技術的整合應用兼顧模具成本與陶心流道的表面粗糙度,可以達到縮短開發流程、節省模具費用、爭取國際訂單、爭取少量多樣高值化市場、提升創新能力與建置新商模等實質效益。
Abstract:In this paper, the main benefits of using additive manufacturing in casting molds manufacturing are summarized. The additive manufacturing production equipment, materials and processes of molds used in sand casting and investment casting are introduced in details. The successful case of turbocharger housing manufacturing shows that the applications of additive manufacturing and the ceramic core of 3D printing in sand mold manufacturing takes into account both the surface roughness of flow channel and the cost of mold. This application shortened the process and saved the cost.

關鍵詞:鑄造模具、積層製造、陶瓷模具
Keywords:Casting mold, Additive manufacturing, Ceramic mold

前 言
自從美國歐巴馬政府時期推動美國在地製造優先政策以來,美國的產、學、研機構進行一系列的先進製造技術計劃風潮,引領積層製造在各大領域高度的發展;10年來,在地製造與先進製造的風潮下,全世界各國政府投入大量研發經費在積層製造的前瞻研究與產業應用相關計畫上,近年來,帶來了積層製造極佳的產業應用成效。研究機構BMI Espicom就預估,積層製造技術因具備潔淨度高、機械性質穩定等關鍵因素,可展現高階醫材產品之製造優勢,在未來相關手術及骨科植入物產品的市場上佔重要地位;德國VOJD公司也認為積層製造因具備數位成形、快速製造等優點,適用於生產高單價且少量多樣的商品,如高複雜度珠寶、項鍊垂飾等產品。航太業(波音與空中巴士)對於新世代創新的零件設計充分採用積層製造技術製作;積層製造的快速、高值、輕量化等優勢翻轉汽車產業,賓利、BMW、福特都在應用這樣的技術在創新產品開發上;積層製造應用於具近淨型異形水路模具,達到模具溫度可調的數位模具2.0時代;綜上所述,積層製造技術已然成為當代先進製造科技的主流趨勢之一。
台灣鑄造業產值達938億,從業廠商約900家,89%以上為70人以下的中小企業,面臨全球在地製造的發展趨勢,在少量多樣且高附加價值的產品市場需求趨勢下,台灣鑄造業長期面臨技術能量短少、數位服務體系缺乏與新市場突破困難等情況;尤其是新冠肺炎的疫情後時代發酵,傳統產業生產斷鏈,傳產鑄造品商業斷鏈造成營業額嚴重下降。目前導入數位化的積層製造結合鑄造核心技術來因應市場快速變化,帶動傳統中小企業集體朝鑄造產品數位化、高值化與客製化之全面能力發展,實為鑄造產業目前重要的課題。
本研究主要應用積層製造技術於渦輪增器的開發,得到的研究成果將可應用於其他工業產品的原型打樣與量產接單上,以下針對積層製造與傳統技術之差異性,改裝市場之渦輪增壓器產品的市場特性,為何以渦輪增壓器等產品為載具的研究動機進行說明:
1.積層製造應用於鑄造模具的創新性與差異性
近年來,少量多樣與客製化產品的盛行,多項先進製造技術有突破性發展,技術的突破與市場需求促動傳統模具開發流程的改變。傳統模具開發方法(鋼模材料+減法製造)較難因應少量多樣產品的需求(例如,改裝車用的各式各樣渦輪增壓器零件)市場。鑄造為汽車關鍵零組件最主要的生產製造方法之一,砂模鑄造約占鑄件生產總量的60%,具有可製作大型物件且低成本等優勢,因此,舉凡汽車引擎關鍵零件皆採用砂模鑄造來生產。中板模具為生產砂模的典型模具,在傳統製程上為先開立木板模型,再利用木模去翻砂製成鋁合金中板模具,然而,具有中空的部分的鑄件則須開立金屬模具,以此模具生產砂心,對於複雜的砂心則需要將砂心拆成數塊分別生產,然後再組合成砂心。上述製程適合大量生產但不利於少量多樣之改裝車渦輪增壓器市場。
本研究主題為應用積層製造技術於鑄造快速模具製造,積層製造技術來列印砂心,一體成形提高產品的精度,大大節省了開發時間與開模成本。積層製造鑄造模具的特色在於時效快、成本具優勢,對於產品設計變更,快速模具可以隨時變更隨時重新列印,對於少量多樣產品之生產製造非常適合。綜合所述,製程優勢,可讓業者取得產品開發先機、大幅降低模具費用及庫存成本。
2. 改裝車渦輪增壓器之市場前景
全球改裝車市場需求主要來自於美國、德國、日本以及急追直起的中國大陸。美國是改裝車比例最高的國家,美國汽車改裝用品協會董事會主席吉米科茲曾說明,人們常把曾經是賽車專屬用品的剎車系統、渦輪增壓器以及一些特殊材料製品等,加裝到自己日常使用的汽車上,帶動汽車關鍵零組件創新材料與製程的開發市場。
全球汽車用的渦輪增壓器OEM廠集中在4大供應商,包括歐系的Honeywell、BorgWarner、及日系IHI、MHI。其中,Honeywell是現階段全球最大渦輪供應商,全球市占率超過40%。身為歐洲渦輪領導廠商,Honeywell近年來積極擴大在中國大陸、印度、東歐地區的營運發展。此外為因應逐年增加的市場需求,已投資超過1億歐元擴增產能。美國BorgWarner,除供應汽車渦輪外,亦為自動變速箱大廠。目前已拿下歐洲數家車廠渦輪供應訂單,包括VW、Audi、Peugeot、Fiat等。至於日系大廠則有IHI及MHI兩家,合計全球市占率將近2成。
受到油價上升及節能減排相關法規的影響,燃油稅已成為西歐市場有效驅動引擎體積小型化的因素之一。一般而言,當引擎體積縮小25%時,約可降低15%的廢氣排放。在環保法規的壓力下,各大車廠致力於引擎輕量化,主要原因在於小引擎雖可達到燃油經濟效益的目的,但消費者仍希望能同時維持汽車的馬力性能。舉例來說,一副裝載在引擎容量1.8 L的渦輪增壓機,可以提供等同於3.0 L引擎容量的最大輸出功率( Maximum output power),且減少15%的燃油耗用,而這樣的優點自然有助於市場裝載率的提高。
事實上,渦輪增壓器利用內燃機運作產生的廢氣驅動之空氣壓縮機,增加進入內燃機的空氣流量,令機器效率提升,常見用於汽車引擎中。渦輪增壓器不論裝載在轎車或商用車上,除了增強馬力外,亦可有效改善油耗及降低廢氣排放。因應全球改裝車市場大幅成長下,改裝車用渦輪增壓器市場約成長35%以上。值得鑄造廠關注應用創新積層製造技術於渦輪增壓器產品高值化的開發議題。
3. 我國改裝車渦輪增壓器鑄件生產技術缺口
市場上車款眾多,有改裝需求之車款僅佔少數比例,加上個別使用者需求不一,因此存在著少量多樣的市場型態。此態勢下會造成高昂的模具成本。再者,以傳統模具方式生產時會有每批次最少訂單量(MOQ)的問題,往往每次訂單數量小於MOQ,業者需負擔沉重的庫存壓力。如何快速(5-7天)製造這些小量多樣(100件左右)的鑄件產品,實為渦輪增壓器的解決關鍵因素。本研究以汽車渦輪增壓器壓縮器殼體之鑄件為載具,應用積層製造技術於快速模具與少量多樣複雜件之渦輪增壓器本體之快速開發,砂模與陶心快速模具列印、組合與澆鑄即時提供少量多樣複雜件渦輪增壓器鑄件,建立改裝車渦輪增壓器本體之快速供應體系,解決目前改裝車少量多樣複雜鑄件供應之產業缺口。

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