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歷史雜誌

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低耗減廢模具積層製造技術

作者 王祥賓

刊登日期:2025/11/25

摘要

傳統大型射出異形水路3D列印模具常面臨加工需多餘預留量(1–2 mm)、材料浪費、變形量大於1 mm及列印時間冗長(30–40 天)等問題。為改善此瓶頸,本研究提出三項技術方案:其一,透過熱變形優化列印參數以降低後加工預留量;其二,導入專利加熱平台以減少熱裂紋並提升良率;其三,應用可調控緻密度(孔隙率)之快速列印技術。實驗結果顯示,二次加工預留量可降至0.2–0.5 mm,材料節省7.8 %;大型模具(180 mm 以上)變形量控制於0.1–0.2 mm,製程穩定性顯著提升;列印時間則縮短至13–18 天,減幅超過56 %。綜合而言,本研究之低耗減廢積層製造技術可有效提升模具製程效率與品質,具實務應用推廣價值。

Abstract

Conventional 3D printing of large injection molding tools with conformal cooling channels often suffers from excessive machining allowance (1–2 mm), material waste, deformation exceeding 1 mm, and long printing cycles (30–40 days). To address these challenges, this study introduces three technical solutions: (1) optimization of printing parameters to reduce thermal deformation and post-processing allowance, (2) implementation of a patented heated platform to minimize thermal cracking and improve yield, and (3) application of variable porosity control for accelerated printing. Experimental results demonstrate that the secondary machining allowance can be reduced to 0.2–0.5 mm, saving 7.8 % of material volume. For large molds (over 180 mm), deformation is controlled within 0.1–0.2 mm, significantly enhancing process stability. Furthermore, printing time is shortened to 13–18 days, achieving a reduction of more than 56 %. Overall, the proposed low-waste additive manufacturing technology effectively improves both efficiency and quality of mold fabrication, showing strong potential for industrial application.

前言

在全球製造產業快速轉型的背景下,永續化與智慧化生產已成為重要發展趨勢。模具製造作為工業生產鏈的關鍵環節,其效率與資源利用率直接影響產品品質與製造成本。然而,傳統模具加工主要依賴銑削、放電加工等去除式工藝,不僅製程週期冗長,材料利用率亦偏低,並伴隨大量切削屑與冷卻液的產生,造成高能耗與環境負荷,與現今低碳循環經濟的發展方向有所衝突。

積層製造(Additive Manufacturing, AM)技術的興起,為解決上述問題提供了新契機。其逐層堆疊成形的特性,能有效提升材料使用效率,並賦予設計更高自由度,特別適合用於傳統加工難以實現的模具結構。例如,異形冷卻水路(conformal cooling channels)的設計可透過積層製造直接嵌入模具內部,顯著提升冷卻均勻性與成形效率,縮短生產週期並降低產品缺陷率。此外,金屬積層製造亦能應用於局部修補與功能強化,延長模具壽命,減少更換頻率,從而降低整體材料與能源消耗。

然而,低耗減廢模具積層製造技術在實際應用上仍面臨若干挑戰。首先,不同材料粉末在成形過程中可能出現缺陷,例如孔洞、裂紋與內部殘餘應力,影響模具的可靠度。其次,製程參數設定(如雷射功率、掃描速度、層厚與填充策略)需兼顧成形品質與能量效率,對技術優化提出更高要求。此外,積層製造的成本效益、與傳統製程的整合方式,亦是產業導入時必須考量的重要課題。

因此,本研究以「低耗減廢模具積層製造技術」為核心,旨在探討其於材料選擇、製程優化與能量分布等面向的關鍵影響,並分析其在實際應用中的可行性與潛在效益。透過系統性研究與實驗驗證,本研究期望提出具體技術方案,以協助產業在確保製程效率與產品品質的同時,實現能源節約與廢棄物減量之目標,並推動模具產業朝向綠色與永續發展邁進。

DOI:10.30256/JIM.202512_(513).0009

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