將金屬成型是人類故有之技術基礎.doc

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1、將金屬成型是人類故有之技術基礎，而使用材料及成型方法亦隨科技迅速發展，使金屬成型技術結構發生不同之變化。而金屬成型可基本分為以下不同之種類。 將金屬原料溫度提昇高於其溶點，再將液態金屬澆鑄入耐熱的模腔，冷卻成型，而基於模腔所用物料不同而分為：砂型鑄造 殼型鑄造 金屬型鑄造 熔模鑄造 壓力鑄造 離心鑄造 連續鑄造 金屬材料 加熱溶鍊 澆注 基本鍛造過程的动画图：Casting利用壓力將金屬材料衝壓，打壓或擠壓成型。一般鍛造是將金屬材料加溫至其變形溫度再用壓力成型，但亦有鍛造是於室溫進行，分成三大類：模鍛 自由鍛 冷鍛 基本鍛造過程：Forging香港理工大学关于注射成型的一个教案西元前3000年

2、埃及人已利用粉末冶金方法製作鐵工具.古代印加印第安人使用稀有金屬以粉末冶金方式製作珠寶.第一 件現代粉末冶金產品是遠在1900的碳化鎢絲的燈泡，1930年代發展出碳化鎢刀具，1960及70年代汽車零件也漸採用粉末冶金製程，1980飛機渦輪引擎，1990年發 展新製程，射出成型Metal Injection Moulding (MIM)與溫壓(WARM COMPACTING)製造飛機零件.金屬粉末射出成形則是一種將金屬粉末與高分子黏結劑混合，使其在加熱後具有類似塑膠材料的流動性，而可藉由一般射出成形機製造出高精度尺寸及複雜形狀的零件，射出成形後的生胚再經過脫脂過程以去除高分子黏結劑與燒結後可得到

3、高密度且具有優異機械與物理性質的燒結零件，目前已廣泛地應用於製造各種複雜形狀的零件如電腦用散熱片、手工具零件、針車零件、工具機零件、汽機車零件、OA事務機器零件、鐘錶眼鏡用零件、醫療器材零件等。而直接金屬成型的機礎亦是源於這種技術. 圖1.5a 金屬粉末射出成形流程圖燒結為一熱活化擴散之過程，因此必需超過某一溫度後，燒結才會發生。以金屬材料而言，要有明顯的燒結產生，其燒結溫度低於溶點而一般會高於材料熔點之一半。燒結牽涉到粉粒間的鍵結生成、成長，其過程可分為三個階段。 第一階段(初期階段)，粉粒間經由表面擴散機制生成頸部，此階段之晶粒小於粉末粒徑，且祇有少量緻密化產生。第二階段(中間階段)，頸部

4、連續成長至失去頸部形狀，空孔開始圓化。到此階段後期，空孔不再連續而逐漸分離獨立，晶粒成長將伴隨緻密化一同進行。此階段為燒結中最主要之部份，它決定了粉末冶金零件的物理性質。第三階段(最後階段)，由第二階段分離獨立出來之空孔，藉由體擴散機制逐漸收縮。圖2.1a 將粉末加熱低於其溶點之溫度，粉末與粉末之間的接觸點產生擴散效應而形成粉末柱頸成為整體的連接、介面。直接金屬成形的前處理過程: 1.進行激光直接燒結過程, 第一步是先要取得設計的立體CAD圖檔。圖檔可由ProEngineer 、UG 、 Solidwork 或其他可輸出STL檔案的CAD軟件繪製。 2.根據激光直接燒結的設計指引，對設計進行修

5、改。例如盡可能刪減不必要的體積。 3.把CAD圖檔轉換為STL檔案。 4.檢查並修復STL檔案內的隙縫或有問題的輪廓線。 5.使用Magic RP軟件造出支撐。 6.改良支撐，避免產生內應力。 7.使用RP-Tools軟件把STL檔案檔案轉換成SLI檔案。 8.透過電腦網絡把SLI檔案傳送到激光直接燒結機。 9.把激光直接燒結機的工作空間預熱至攝氏80度並把氧氣含量調低至2%以下。 10.以層加工方法造出工件，工件的層厚可以是0.1mm、0.05mm 或 0.025mm取決於粉末的大小。現時可用於激光直接燒結的金屬粉未有銅鎳合金粉末及鋼粉。 直接金屬成形過程: 1.激光掃描出加工原形切面的輪廓

6、，在X-Y平面上的金屬粉末會固化.由於金屬的表面張力很高，所以被激光照射後金屬表面粗糙及不規則. 2.金屬面的凸出部份可能會撞上掃平裝置，所以工作平台先下調一級以避免掃平裝置直接撞上金屬工件，導致掃平裝置沾上未完全冷卻的金屬或撞壞工件.同時粉末昇降平台亦會微微下降，以免在掃平裝置掃過時沾上粉末. 3.掃平裝置掃過工作台及粉末昇降平台，把的金屬表面稍為壓平. 4.粉末昇降平台昇起，掃平裝置把一層份量的金屬粉末掃到工作平台上. 5.過多的金屬粉末會被掃到收粉末集箱內，並在日後循環再用. 6.新一層的金屬粉末準備好被激光掃描.以上各步驟不斷重覆直至工件完成為止. 直接金屬成形的後處理過程: 1.燒結

7、過程完成後，便可從工作空間中取出工件並以木屑噴射法清理工件上殘留的粉末。 2.以鋼珠噴射工件表面，使工件表面更加堅固，亦可作為表面處理使工件表面更有光澤。 3.如需改善工件的機械性能，可進行其他後處理程序。如熱處理、PVD離子鍍膜或樹脂滲透法。圖2.4a 設計立體CAD圖檔圖2.4b 直接金屬成形模具成品Eos13.swf直接金屬成形工藝流程直接金屬激光燒結的設備包括有EOSINT M250系統和噴射硬化機(SHOTPEENINGMACHINE)。 EOSINTM250系統包括:二氧化碳激光產生器(200瓦特) 高速激光掃描器 工 作 平 台 (最大工作範圍250mm x 250mm x 18

8、0mm) 掃平粉末裝置圖2.5a EOSINTM250圖2.5b 噴射硬化機圖2.5c 噴射硬化機看似打沙機，但噴出來的是金屬粉，有助硬化燒結工件圖2.5d EOSINTM250的結構圖圖2.5d EOSINT的光學部份直接金屬激光燒結的優點是成品尺寸比較穩定，受到光線、溼度或其他環境因素影響的程度較小，而且製造過程中不必使用支撐，使用上比較簡單。可用來組裝，可應用於塑膠射出成形之暫用模，不同於SLA只能看而不能拿來用的模型。且斷裂時可用瞬間補銲，其強度與原來的強度差不多。 但其缺點便是機器本身的價格高、成品表面粗糙度差容易產生粉末顆粒，表面較為粗糙且易產生紋路，工件精度也沒有SLA好。完成的

9、每一個工件均需要以鐵丸噴射的方法將工件表面打實，環境上因粉塵造成的污染是不能忽略的。縮水率較大，一方面是粉末與粉末間所產生的內應力大，不像液態樹脂是化學鍵的結合所產生的內應力較小；而另一方面則是熱漲冷縮的問題，因為雷射掃描前必須要先預熱到熔點溫度下，最後再由雷射這樣的高能量打在所要的區域，使粉末超過熔點熔融在一起，所以在高能量的還環境下工作溫度非常高。直接金屬激光燒結可依照電腦輔助設計的實體模型利用激光一層一層的20薄片的堆疊成為立體三維金屬原型。 DMLS可用生產塑膠注射模腔，甚致金屬壓鑄模腔作為小批量生產塑膠或金屬成品。這些成品是完全與大量生產物料同檥性能，可以令新產品可於大量在市場流通前

10、作為性能及市場需求的測試工具。 DMLS亦作直接生產金屬作為實際應用的金屬元件。圖3.1a 直接金屬激光燒結的試辨，用來校正機器 圖3.1b 用直接金屬激光燒結造出模腔直接金屬成形以層加工方法直接製作出金屬成品，它的一大特點是能造出傳統加工方法所不能造出的獨特形狀。以下是直接金屬成形於哥爾夫球模具的應用實例： 模具要求 以避免產品變形及增長模具壽命為前題，生產出最有效的冷卻系統。解決方案 適形冷卻管道以“Mold Flow” 軟件分析熱能分佈。把冷却管道包含在STL檔案內並於製模時直接把冷却管道生產出來。 效果 在無損產品質素的情況下，生產速度由每分鐘5個提升至每分鐘6個（上升20%）。圖3.

11、2a 哥爾夫球模具的內部結構激光引起的危險激光無論是直射，反射或聚焦投射一件物件。物件會吸收激光局部能量而產生溫昇有機會引致改變或變型。 激光是可引致人體受到傷害特別是眼睛及皮膚。眼睛比起皮膚更容易受到激光傷害。激光光譜由遠紫外線到遠紅外線而可見光譜的激光對眼睛retina視覺膜便為危險。而人體皮膚是由一層厚厚的表皮保護能降低低效能激光。非激光引起的危險 除了激光所產生的直接的危險亦有以下因激光而引致的危險。 激光所產生的空氣污染 激光可能引起之火警 激光可能引起之爆炸 激光產生器之高壓電力裝置 激光產生器之化學品安全 激光之安全守則激光控制手段包括在設計，警告標貼，危險管理，急救設施，僱員培訓，環境管理，行政記錄都成為重要的手段。個人保護設備各類不同激光應用系統都有相關的個人保護設備以確工作人員安全地應用個設備包括有激光專用眼鏡，呼吸罩，衣物等等。圖3.3a 激光安全指示牌