The Latest DevelOPMents and Applications of RP via Laser Sintering 丁大为Ta-Wei Ting 1,2、杜秉明Ping-Ming Tu 1、林怡德Yi-Der Lin 1 1 数可科技股份有限公司 Dgital-Can Technology Company, LTD 2 元培科技大学生物医学工程系Department of Biomedical Engineering, Yuan-Pei University 中文摘要 德国EOS 公司自1989 年以来一直致力于激光粉末烧结快速成型系统的研究开发与设备制造工作，其所拥有的激光烧结技术也正是未来EOS 公司所倡导e-制造的核心技术，三维数字档案可直接进行快速的、弹性的、低成本的制造。除此，EOS 公司已在材料性能上，尤其是产品精度、可靠性以及产品的可重复性方面取得突破，其EOSINT M 型及P 型系列设备所使用之激光烧结技术具有绝对之优势可进行复杂外型或结构之直接成型制作。 关键词:激光粉末烧结、e-制造、三维数字档案、快速成型技术、异型水路。 一、前言 快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)是 80年代中期发展起来的一种崭新的原型制造技术。在产品开发的初期，设计出所需图样之 CAD或STL 档，并在实际生产前制作一模型以供设计确认、产品修正、功能测试、模具开发之原始模型，此即为原型(prototype)。RP 综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短产品的研制周期。由于其具有敏捷性、适合任何形狀、高度柔韧或刚性、高度集成化等优点而广泛应用于机械、汽車、电子、通讯、航空航天等領域。快速原型技术(Rapid Prototyping)发展至今，已有诸多相关设备被开发出来以因应各类模型制作之需要，目前除在产品精度不断提升外，不同粉体材料之开发亦是另一发展重点。 德国EOS 公司自1989 年以来一直致力于雷射粉末烧结快速成型系统的研究开发与设备制造工作。目前EOS 公司已经成为全球最大的雷射粉末烧结快速成型系统的制造商，所拥有的雷射烧结技术也正是未来EOS 公司所倡导e-制造的核心技术。所谓e-制造是指从数字档案直接进行快速的、弹性的、低成本的制造。因基于激光粉末烧结快速成型技术的全新制造概念及EOS 公司于此项技术之研发成果，e-制造这种制造方式目前已能够符合从单件产品制造到大量的个性化产品生产的不同需求。 利用e-制造也使得设计与制造之间有了新的结合方式，其主要特色为：任何形狀、任何时间、任何地方，其并分别说明如下： 1、 任何形狀－设计带动制造 藉由激光烧结技术所达成之e-制造使设计者不再受传统制造技术的限制而需修改设计以符合传统制造技术所能达到的极限，造型设计师或工业设计师均可将他们无穷的创意付诸实现，异型水路设计即是最实际的例子，其是如今改善模具散热效率以降低冷却周期的最具革命性设计。 2、 任何时间－适用于产品生命周期中的任何一个阶段e-制造适用于产品生命周期中从前置开发期到产品上市后的零组件供应中的任何一个阶段，且不受专业人员更替及工作时间的限制，由CAD或各种设计软件所获得之3D 数据数据即可直接并快速地制作原型样品或实体零件。 3、 任何地方－适用于任何产业 利用激光烧结技术所达到之e-制造理念创造了极具竞争条件的优势，原本极其复杂的结构或外型造成价格高昂之模具或零组件产品，均可藉由此激光烧结技术轻松完成，不论是生医、民生用品、设计/建筑、航天、汽車、机器人等任何高科技或民生工业均有其适用性。 除此，一般的产品开发专业人员往往为了塑料模具射出成型的诸多限制，导致于产品的创新性、前瞻性、造型变化度受到很大限制。能够省时且省经费地制作模具即成为德国EOS 公司开发直接金属激光烧结技术(DMLS)之主要动机。德国EOS 公司EOSINT M系列设备于1995 年推出初期，仅有较软的金属粉末使用以供塑料射出业者开设模具之用，但经过多年持续研发，近年来除提供更优质的塑料射出模具可制作数百万个塑料产品之外，新开发的粉末更可制作高强度之模具以供铸造金属产品数万次之用。如今更因层层堆栈式的激光烧结技术可生产兼具外型及结构复杂性之独特模具产品，使得开模不仅只有‘快速’之外，模具内结合异型水路设计之「高阶开模(Advanced Tooling)」技术将使射出成型产品价格更低廉、产品质量更提升。目前德国EOS公司发展出的直接金属雷射烧结(DMLS)技术所呈现e-制造的优势，可直接烧结铜合金粉末、铝硅美镁粉末、不锈钢粉末、模具钢粉末、钛合金粉末，使模具开发自所谓「快速开模(RapidTooling)」进展到具有异型水路结构或复杂几何外型之高阶模具制作。以下介绍德国EOS 公司各系列设备制作产品之案例及其所达到的效果。 二、金属粉末激光烧结之案例 许多钛应用的传统制造方法是烧铸、锻造和机械加工，这些方法非常费力且成本较高。如今，使用EOSINT M 系列设备的激光烧结生产方法在许多钛应用中被采用。钛经常用于产量相对较小但价值重要的原件。激光烧结方法能够轻易制造出空心等轻型结构，尤其对重量极为苛求的应用中，使用激光烧结方法能够极大地提升钛组件的性能和价值。另钛合金有极佳的机械特性和抗腐蚀性，比重小，生物兼容性好。迄今为止激光钛烧结主要应用于医学和牙科设备、航天和汽車及时尚行业等。最常使用的材料是EOS 钛Ti64 (细粉末Ti6Al4V 合金)。一些医学案例中使用低间隙元素含量的粉末，或者工业纯钛粉末。 Leader Italia 公司(www.leaderitalia.it)是一家使用激光烧结生产医学设备的領先企业，该公司已研发出一系列称作TiXos 的新型植牙螺钉(如图一)。TiXos 拥有特殊的设计，从而能够在EOSINT M 270 设备中使用钛原料进行生产。通常这样的螺钉是由固体金属机械加工而成。在激光烧结中，这些螺钉是通过将金属粉末熔在一起而形成的，因而不会浪费原料。通过控制激光曝光来生成一种包含完全致密体和多孔表面形态的混合结构，这样就无需涂层，还能提高生物活性。 由于不使用工具，可以根据需要在每一次作业中生产不同种类和尺寸的螺钉。从而高效灵活地大量生产高性能产品。激光烧结使得公司能够使用计算机进行设计、能够在制造植牙体和相关表面时颇具特色地模仿骨骼结构在内部连接孔洞，传统的表面处理工艺不可能做到这一点。Kerrie Luft 女士（www.kerrieluft.com）是一位英国鞋类设计师，她将激光烧结技术用于制造别致鞋类。在其最新的系列Nouveau 中，通过钛快速成型来制作复杂几何形狀的鞋跟，以体现新艺术的特征。她在鞋面及鞋跟上创造了革新性的外形。高跟的花丝结构需要高强度材料，选择钛最合适。她在伦敦展示了MA 系列的鞋，这种鞋拥有革命性的鞋跟设计，使用激光钛烧结制作(如图二)。 另一个使用直接金属激光烧结技术制作模具的动机即为改善模具效能以使生产过程获致最大的成效，除之前所提及之时间及经费之节省之外，目前为人所重视的即是在模具中加设冷却水路或温控管路，其除可以使模具局部温度降低或达到均温之外，并可对模具进行更快速之冷却或加温处理，如此将可减少脱模速率及模次周期，且不会因时间缩短而有残余应力及翘曲等问题发生。而传统制作水路均是以钻孔方式完成，其直线圆管狀造型另须避开结构或组装原件，故此水路设计极其受限。而藉由直接金属激光烧结技术制作模具，冷却水路或其他管道设计可具有位置及造型的无穷想象空间，异型水路即为此依模具外型所设计之水路。于图示三中乃是具异型水路之模具，此模具是为生产高尔夫球纪念品之用，其需以非常低廉的单价制作200 万颗。最后利用直接金属激光烧结技术制作此模具只花了50 小时，而结果显示此具异型水路之模具提高产能近百分之二十。
图一 Leader Italia 公司利用EOSINT M 270 设备及钛原料生产TiXos 的新型植牙螺钉
图二 英国鞋类设计师Kerrie Luft 利用钛快速成型制作复杂几何形狀的鞋跟，以体现新艺术的特征。 |
