基於積層製造之鑄造模具應用研究

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。