產研協力推進積層制造應用 數字轉型衍生設計分析

 迎接當前國際凈零碳排浪潮，不僅各國政府和制造業大廠紛紛要求供應鏈須協力節能減排（廢）碳，讓積層制造應用可望扮演重要角色；以及后疫時代通膨隱憂和交期瓶頸，都推進航天、汽機車、模具等加工產業，希望能跟上數字轉型腳步，導入零接觸變更設計與生產流程，也催熟計算機輔助設計CAX系統軟件云端商機。

自從2009年金融海嘯過后，由德國、美國為首，分別投入發展工業4.0、先進制造伙伴等制造業回流政策以來，后者也因此促使「積層制造（Additive Manufacturing；AM）」技術更備受關注。不僅可發揮其層層堆棧材料成為立體對象，直到一體加工成型的優勢，實現傳統工法無法完成的龐大或復雜設計形狀的工件，而毋須采取模具分件接合方式，得以有效提高精度、大幅減省開發時間與開模成本；同時提高可靠度，對于昂貴材料使用率更佳。

隨著近年來制造業對于少量多樣化與客制化產品需求，不斷縮短量產規模的日程；以及精度、質量要求日益嚴謹，導致模具加工精度、壽命和耐用度，成為產業致勝的關鍵。讓業者開始引進各項先進軟件科技和高階精密設備，來協助終端產品穩定效能與質量，讓制造工廠生產效益最大化，亦可實現模具智能制造的本質。


 
圖1 : 由積層制造所使用的材料和產出工件效能，也都能符合現今半導體、航天、汽車等級質量要求，甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。（source：Autodesk）

因此而引進積層制造的快速模具，也確實有助于縮短產品研發時間50%，將大幅降低業者的開發成本。一旦產品設計變更時，快速模具即可隨時重新開始打印生產，讓業者取得產品開發先機，大幅降低模具費用和庫存成本；同時解決以傳統模具生產方式，常會有每批次最少訂單量（MOQ）限制，一旦數量不足時，就會造成業者沉重的庫存壓力。

且由積層制造所使用的材料和產出工件效能，也都能符合現今半導體、航天、汽車等級質量要求，甚至用來披覆或協助修補、或翻新昂貴產品。惟因其材質及構造非鐵金屬，具有多層異質材料和非均勻性；在零組件加工所需機械設備特性，也與單純金屬切削/成型（減法）加工機種有別。

產研合推積層制造　迎合凈零碳排趨勢
臺灣工研院則在2012~2013年間，便開始結合國內外設備、材料、應用等產學研技術能量，形成雷射積層制造產業群聚，進而打造「雷射光谷」，提供產業從研發到試量產等服務；并將自主建立的超快雷射加工應用與光纖雷射源技術移轉臺灣廠商，逐步落實于產業化應用。

參與其中的工具機大廠東臺精機，則在2011年已率先投入開發雷射積層制造機種，并陸續開發出選擇性雷射熔融（鋪粉式Powder Bed Fusion；PBF）、整合傳統五軸金屬切削的直接能量沉積復合切削加工機（攻粉式Directed Energy Deposition；DED），后者只要在刀庫里更換雷射、銑削主軸頭，即可整合加/減混合（Hybrid）工法與材料，或在攻粉過程中改變材料磁性。



 
圖2 : 參與工研院雷射光谷的工具機大廠東臺精機，則在2011年已率先投入開發一系列雷射積層制造機種。（攝影：陳念舜）

另有東臺獨有的噴膠式砂模打印（BJ）加工機系列產品，尤其適合現今遭遇供應鏈瓶頸，客戶需要更快速的模具制作方式來壓縮模具制造周期，減少應變時間，才能提高搶單的競爭能力。模具業者既可透過噴膠黏粉積層制造技術，實現異型冷卻水路設計，經過模擬分析驗證后，用來開發電動車輕量化零組件所需熱沖壓模具。

既能提高水路復雜度，幾乎可打印出任何想象得到的復雜水路設計，更為貼近產品輪廓。當設置在接近產品表面、傳統水路不易觸及的領域，也能縮減冷卻時間和熱點，實現可調控模具溫度的數字模具2.0時代，使之加工生產過程速度更快。

在日前舉行的「打造凈零時代競爭力論壇及特展（NET ZERO Day）」上，工研院也發表于積層制造所需「特用合金粉末試量產/驗證技術平臺」，透過合金材料設計與制作、氣氛控制、粉末粒徑控制以及造粒控制技術，達成高流動性合金粉末制備，并提升粉末真圓度與致密堆積度，降低燒結后合金之收縮率，維持產品的精度。

同時針對不同粉末成形及其后制程技術，提供符合該制程之粉末形態，建立各制程參數，并進行微結構、物理和機械性質分析，以建立較佳的制程參數，進行金屬材料熱加工模擬技術；加強技術差異化，提供量產前的特用合金粉末設計開發、高質量粉末制作、粉末粒徑控制、制程參數開發、粉末材料性能驗證所需的Total Solution。



 
圖3 : 工研院引進Gleeble 3500熱加工仿真系統，仿真金屬材料之高溫性質測試或制程（source：research.unsw.edu.au)）

其中，在金屬材料熱加工模擬技術方面，工研院使用Gleeble 3500熱加工仿真系統仿真金屬材料之高溫性質測試或制程，由于采取電阻式加熱的速率高，可同時快速改變溫度與變形速率，進行單道次或多道次、單一或變化溫度的熱加工（拉伸、壓縮）或熱處理制程模擬；測試效率高，可降低測試材料消耗，縮短制程研發時間。

奧奔麥引進積層制造CAM模塊　形塑完整流程鏈
此外，現由奧奔麥科技公司（Openmind）所引進的3~5軸高階CAD/CAM系統軟件hyperMILL ADDITIVE Manufacturing，也因為可直接獲得德國總部支持先進制造技術、資源共享，強調不只賣軟件，還可透過后處理器與客戶端任何等級的工具機CNC控制器進行安全聯機。

既有別于其他金屬積層制造采取雷射逐層燒結或熔合粉末材料的PBF制程，僅適用于平面。而是專注于輔助經過噴嘴送入粉末或線材，并利用雷射或電弧熔化的DED制程，可應用于任何平面或自由曲面；或是于合適機臺上添加材料，依照相同設置完成DED Hybrid machining混合加工。

分別針對航天、汽車、模具、能源、生醫等產業需求，在2D/3D空間中控制不同材料應用的種類組合；透過hyperMILL同一軟件接口編輯、仿真和產出程序，以輔助五軸工具機加工如倒鉤區域、異型冷卻管路等，特別復雜的零件幾何形狀，減少因大量刨除工法而浪費的材料，且具有主動防撞功能；進而靈活更新或修改、優化零組件設計版本，甚至在原有材料上增加不同特征、材質，以修復損壞的零組件。

同時管理雷射控制指令和技術參數，形成各種格子/網格策略，可以單獨微幅控制進給方向和角度、余量重迭、應用厚度，自動計算應用區域的刀具路徑，防止在同向重復堆棧過程中，造成材料遭受過多剪力而易脆；以及選擇連續或間斷供料，避免因過度集中起始點過熱。



 
圖4 : 奧奔麥科技公司目前專注于雷射積層制造DED制程，并透過單一軟件hyperMILL ADDITIVE Manufacturing完美整合設計、分析、制造流程鏈（source：source--designworldonline.com）

藉此可在原本基板或零組件素材上，透過焊接組（混）合材質、特性的材料而創建零件；逐步添加各種復雜功能，例如再經過銑削，強化剛性、硬度抗磨損。進而添加其他幾何特征到現有零件上并重新加工，以靈活應對設計變更；通過額外添加的材料層，來強化某些區域的零件，或者是針對性改變其表面特性或屬性。還可結合工業機器人、機上量測修復和返工損壞區域，例如沖壓模具磨損的切削刃，或是再次翻新整修渦輪葉片、模具等零組件等，不必拆卸送修而影響精度。

奧奔麥科技公司AE經理李瑞勝進一步指出，現今積層制造零組件面臨的挑戰，包括：對于外觀須精準加工特征和曲面，以提高表面光潔度；待完成加工復雜工件或內部空洞結構后，還須規劃移除支撐結構，或不必要的刀具路徑。

若能將之完美整合到hyperMILL設計→分析→制造流程鏈中，在設計時間就會有各種接口接口（interfaces），用于導入模型和積層制造素材數據，并加入CAD模型與真實夾持狀況的最佳擬合（Best Fit）解決方案，在單機或多站積層制造時，經過夾緊/固定、對齊和檢查復雜工件、定義實際的NC原點，與CAD數據確保一致性。

進而在制造階段生成最佳NC程序、調校CNC數控系統，針對難以到達的區域執行2,5D、3D和五軸綜合加工策略，以及模型和積層制造素材的主動仿真、防干涉或碰撞、空（過）切等檢查功能，優化積層制造與五軸切削加工路徑，實現精確加工，控制殘料位置，減少不必要浪費。最終在機上量測階段處理CAD數據（printed stock），反饋到hyperMILL軟件檢查加工特征的尺寸和方向，并使用3D點量測對于積層制造零組件的各區域進行表面質量檢查。

奧奔麥甚至還提供了Teamviewer軟件，以便協助設計部門工程師進行居家作業，隨時更新軟件版本、延伸應用模塊，與現場操作人員聯機變更設計；只要得知刀具參數、工件擺放位置及坐標原點，就能更精準模擬實機上線狀態，自動計算出最佳刀具路徑，預估加工時間，提升質量和效率。

歐特克結合衍生式設計　提供積層制造平臺應用服務
然而，由于現今所有的市售軟件，幾乎沒有任何一套可100%涵蓋所有功能，即使有也是天價。惟若能在關鍵環節選用正確的方法或是工具，才是真正完善的制造解決方案！美商歐特克公司（Autodesk）旗下的云端完善生態系Fusion360，便相當符合此當今趨勢。

隨著近年來疫情反復爆發，迫使企業居家工作、遠距開會等零接觸形式已成為常態，導致各部門的協同作業模式也出現改變。「當工程師不再待在辦公室或產在線時，產品從分析、設計、制造等各階段數據共享也會比過往更加嚴峻。」

目前已有許多企業開始導入數字轉型，改善并加快設計流程，同時須導入合宜的工具或平臺，才能真正收「工欲善其事，必先利其器」之效。Autodesk的Fusion 360云端平臺多年來發展至今，向來都是基于云端去開發各種功能，進而整合了CAD/CAM/CAE系統軟件。

一旦有必要整并各種工作流程，即可選用Fusion 360在線CAD軟件，包含AutoCAD、Inventor；CAE軟件領域，則有Nastran in CAD、MoldFlow；以及屬于CAM軟件的PowerMill、Inventor Cam，可讓每個生產環節都有相對應軟件可提供客戶，并帶來衍生式設計及Fusion Team等全新功能。

例如在設計部門中，工程師就可以透過完善的建模功能，或是衍生式設計預先設定限制條件，再透過Autodesk的云端服務器運算分析上傳的數據，朝著特定方向來為客戶找出成千上百萬種方案，使用者只需要利用篩選器，從中找到自己想要的「最佳設計解」，就能往下延伸工作，不像傳統地端設備占用CPU運算、內存資源且耗能，省去大量時間及成本。

接著經由Fusion 360保存檔案，利用CAE功能來分析、驗證；待延伸到了CAM制造接口，無論是增材或減材制造，Fusion 360的CAM軟件都能勝任仿真機臺動作和加工路徑。且因為后者具備完善的車削、3~5軸銑削和積層制造功能，即使需要再行產品設計變更，也毋須切換軟件。現場操作人員只要透過Fusion Team來傳遞訊息和共享最新版本CAD/CAM/CAE數據，在家上班的設計人員就可以馬上修正、變更，提高整體生產效率與質量，讓公司能藉轉型數字制造得到最大好處！

未來Autodesk也不排除導入人工智能（AI）技術，利用累積數據建立模型、云端計算力，讓使用者、廠商加速找出最佳解；進而將之相關參數定型化，產生自動化流程并通過驗證，方便其他人不必再重新搜尋或輸入參數，將有助于提高模擬分析驗證的效率和精度。


 
圖5 : Forge平臺可以接受任意一家廠商或是友商的MES、AR/VR等數據，符合近幾年來相當推崇的AnyCAD概念，得以讓Autodesk用戶藉此開發的各種平臺及軟件功能，享有非常高的自由度，（source：Autodesk）

Autodesk在近年來持續推廣積層（增材）制造解決方案過程中也發現，經常有客戶選擇與性價比極高的Fusion360衍生式設計串聯整合，從減少材料用量與找到產品最佳結構的方向考慮，提供更多樣化設計優勢。

例如歐洲航天制造龍頭AIRBUS，便透過Fusion360的衍生式設計來優化無人機結構，確保在減重50%的情況下，仍然保有相同結構強度，更能提高生產效率。也有通用汽車（GM）工程師在設計汽車座椅支架的階段，導入Fusion360的衍伸式設計與增材制造，使之產品減重40%、提高結構強度20%。

面對當前遠距離、居家工作等上班模式，Fusion 360還可以透過賬號授權模式，取代過往一機一用戶的License授權模式，讓用戶得以隨時隨機，跨裝置登入使用；以及透過Fusion Team共享數據，比起過往透過USB傳遞或e-mail發送數據來得更安全、有效率，不必擔心公司運作可能隨時中止，用戶也可以透過Fusion Team來讀取團隊數據。

值得一提的是，Autodesk還有另一個開源平臺Forge，可以接受任意一家廠商或是友商的MES、AR/VR等數據，這也是Autodesk近幾年推崇的AnyCAD概念，得以讓Autodesk眾多用戶，都能藉此在Forge平臺上開發各種平臺及軟件功能，整合不同軟件間的工作流、營運價值鏈，促使平臺間的串連性與客制化程序可以有非常高的自由度，更為符合使用者開發需求！

原因即在于Forge平臺能做到完整的可視化，將Inventor建立的工具機設備模型與Revit建立的工廠實景，一起匯整至Forge進行整體產線的可視化開發及評估，能讓企業在購買工具機設備前，可以很快速了解設備與自家工廠是否吻合，也能清楚掌握整體的產線狀態，省下高額成本與避開風險。

近期Autodesk也宣布參與工研院VMX公有機械云平臺商轉，不僅利用Autodesk也有類似于App Store或是Play商店的程序集，而稱之為Autodesk App Store，可以接受由各國用戶或是程序開發商、法人單位所發行的各類插件，其中Forge創建完成的工具也都是針對程序而執行客制化開發，以提高CAD/CAM/CAE整合能力及效率；進而導入國外先進制造場域累積的應用經驗、工法，刺激產業數字轉型成長。