精密工業當中，需要的不是普通的零組件，而是高精密度的零組件。高精密零組件的加工，經常要使用到電腦數值控制 (Computer Numerical Control) 工具機，也就是CNC工具機。這種工具機可以精準地對材料進行切削，把不要的部份切除，只留下想要的部份，這是所謂的減法製程。利用這種減法製程進行零組件加工時，有以下缺點：(1) 切削材料時會產生廢料，造成材料的浪費。(2) 切削時刀具可能受到零組件本身的阻擋，使得某些位置刀具無法進入。

我們在此要介紹一套我國自行開發的金屬3D列印設備，他們所使用的技術稱為「選擇性雷射熔融」(Selective Laser Melting)，是屬於加法製程 (積層製程)。這種技術可以減少材料的浪費，並突破減法製程的侷限，實現性能更好的設計。以下我們分步驟來說明選擇性雷射熔融技術。

圖片來源：Pixabay

1. 在加工平板上鋪上金屬粉末

選擇性雷射熔融技術是透過雷射光將金屬粉末熔化來進行零組件的製造。首先我們要先在設備的加工平板上鋪上一層金屬粉末，如圖一所示。當然這個過程是用自動化機械來進行的。

圖一

2. 以雷射光熔化金屬粉末

接下來我們用雷射光燒熔想要成形的區域的金屬粉末。舉例來說，假如我們想要製作一個中空的圓形金屬柱，雷射光會在這個金屬柱要成形的區域掃描，雷射光接觸到的位置的金屬粉末會融化，當雷射光離開後金屬會冷卻固化，並與周圍的金屬黏在一起。其他沒有被雷射光掃過的區域，則仍然是分散的金屬粉末，如圖二所示。

圖二

3. 鋪上第二層金屬粉末

完成第一層金屬粉末燒熔後，要再鋪上第二層金屬粉末，如圖三所示。

圖三

接下來要回到步驟2再次進行雷射燒熔。整個工件加工過程，會反覆進行步驟2與步驟3，一層一層的堆疊起來，直到完成整個工件的加工。

4. 將未熔化的粉末抽出

加工完成以後，會成為圖四。圖四的左邊顯示尚未將金屬粉末抽出的結果，右邊則是將金屬粉末抽出以後的結果。採用這種加法製程的其中一個好處，就是剩下的金屬粉末可以回收再利用，可以節省加工成本。

圖四

5. 消除殘餘應力

在雷射將粉末燒熔和固化的過程中，粉末會以超過每秒10,000度的速度快速的加熱及冷卻，會在金屬內部留下非常大的殘餘應力。當工件還固定在加工平板上時，由於加工平板固定的力量，工件還能維持原來的形狀與尺寸，但是將工件取下加工平板以後，由於外在固定的力量消失了，金屬內部的殘餘應力可能會讓工件變形，或是尺寸產生誤差。因此在將工件取下以前，必須透過熱處理來消除金屬內的殘餘應力。

以上簡要說明選擇性雷射熔融技術，但實際上在製造這套設備時，有很多實務面的問題必須克服。舉例來說，在雷射光燒熔第二層金屬粉末時，假如雷射光強度太強，可能會過度融化金屬粉末造成小孔。反之，若雷射光強度太弱，可能第二層金屬粉末無法完全熔化與固化。

除了雷射光強度以外，雷射光掃描速度、雷射光掃描間距、金屬粉末厚度，都必須互相搭配才行。為了找到最恰當的加工參數，工程師整合了許多不同的軟體，使得軟體能夠對加工過程的熱歷程 (thermal history) 進行模擬。

此外，在加工過程中也需即時監控環境的氣壓、溫度、濕度、氧氣濃度、雷射光強度、金屬粉末平整度等，因此需要在設備內放置各式各樣的感測器。

為了確保鋪每一層金屬粉末時都能夠非常平整，工程師採用了「結構光」技術來測量粉末的平整度，透過偵測光線在金屬粉末表面的反射光，運用數學運算，能夠計算出粉末表面的平整度。

如我們一開始所介紹的，利用這種加法製程進行零組件加工時，不會受限於刀具角度與阻擋的問題，因此可以製造出更靈活的零組件設計。

舉例來說，在零組件設計時，可以透過力學模擬軟體，瞭解一個零件在結構上哪些部份是重要的，有些部份承受了比較大的力量，對於整個零件的承重與結構穩固而言是非常重要的。但有些部份並不那麼重要，在加工時就可以省略。透過這種技術，除了可以節省材料、降低成本以外，還可以將零組件減重。圖五顯示了以我國的金屬3D列印設備所製造的雲台零件，它比傳統加工方法生產的零件減少了40%的重量。許多原本分散的零件，可以做到一體成形，也讓組裝更簡單，結構上更加穩固。

圖五

以上所說的技術，皆已在我國自行實驗與開發的設備中實現。這套設備已經應用於國防產業及航太產業的零組件生產中，例如：火箭噴注器、結構零件、微渦輪引擎零件、熱交換器等，也應用於自行車車架的生產。

我國的工程師默默的努力，提高我們的工業水準，是非常值得我們高興的一件事。

※ 本文獲《為台灣加油打氣專欄》授權轉載

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報立場。】

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