星期一, 5月 16

    迈向以金属3D列印机和全程数位资料化方式制造金属模具的新时代

    0

    202006月刊/文章原文出自日本的型技术杂志2020 Vol.35 No.2

    宗玮工业股份有限公司 Grand Dynasty Industrial Co.,Ltd(GDI)(以下内 文简称宗玮工业),为追求更加优良的金属模具,陆续向日本引进了2台“OPM250L”、2台“LPM325”的金属3D列印成型机。不仅成功运用这些设备设计出他们的理想模具,更发展出自己的特色,成为亚洲地区金属3D列印领域的佼佼者,甚至因而受到日本的型技术杂志的采访。以下资料部分翻译自日本型技术杂志2020年第35期中的访谈内容:

    内容摘要
    台湾的塑胶产品厂商—宗玮工业,该厂商已将金属模具制造工作完全数位资料化。此外,该厂商已经运用金属3D列印成型机来提高塑胶成型的生产率。支持其先进的金属模具制造作业的就是沙迪克的金属3D列印成型机、高速铣削中心、V-LINE式射出机等高性能加工设备与成型机。

    关于宗玮工业股份有限公司(GDI)
    台湾的塑胶产品厂商宗玮工业,自1984年创立以来近10年,一直都是以家族经营的小规模射出工厂的形式存在。直到现任董事长林健祥於1993年进入公司工作后,公司的业务便得到了极大拓展。在1993年正式接手家业后的10年间,公司成长为一间中小规模的塑胶制品厂商,其业务合作伙伴主要分布在美国、英国、德国。在各国所拥有的业务合作伙伴占比情况为美国60%、英国25%、德国10%,近100%都是欧美企业。公司员工总人数为220人,2019年在台湾的第2家工厂也正式投产。

    图 1:文章原文出自日本的型技术杂志 2020 Vol.35 No.2

    图 2:经过一系列研讨后,因为操作简单方便与完善售后服务,宗玮决定引进日本制造的高阶金属 3D 打印成型机

    金属模具有30%都是使用3D列印成型机制造的
    该公司的主要产品包括工具用品、体育用品、消防专用装备品等特殊用品,业务范围涵盖从金属模具的设计、制造,到产品成型的整套流程。此外,该公司的金属模具有70%都是以机械加工制造完成,另外30%则是用金属3D列印成型机制造的。

    2017年,公司引进 2 台日本的“OPM250L”金属3D列印成型机。OPM250L是一款兼具金属积层制造与切削加工2项功能的3D列印成型机,在加工槽台上铺洒每一积层厚度为0.05mm的金属粉末(SUS),再以镭射照射粉末层,使其热融后再凝固的方式进行成型。此外,镭射每照射一次、切削工具即对模具进行1次高速切削,重复这一操作即可进行对较厚成型物的高精度加工。

    对于积层制造方式,林董事长表示「从30年前就开始关注了。」其时正值树脂成型专用3D列印成型机在美国初步商品化(1987年)不久,各种相关技术相继面世并运用在产品上。林董事长说道:「当时我人在美国,有从事金属模具制造的朋友向我询问积层制造方式的优势,那时我就对此产生了兴趣。这份兴趣一直没有减退,因此我从10年前就开始为了能用于公司业务中的金属3D列印成型机而积极进行调查研究。」

    林董事长表示:「在经过一系列的研讨后,我们发现台湾沙迪克的产品不仅使用起来简单方便,而且最重要的是能够提供完善的售后服务,因此我们最终决定引进沙迪克制造的金属3D列印成型机。」该公司使用3D列印成型机制造的金属模具,其模腔和模芯尺寸最大可达到长250mm×宽250mm×高180mm。此外,由于该模具需具备经受数十万次射出操作的耐久性,因此模具采用SUS(不锈钢)材质。虽然全世界有很多厂商生产由麻时效钢制成的金属3D列印成型机,但为符合使用SUS材质以对大尺寸的金属模具进行积层制造这一条件,公司最终选择沙迪克的金属3D列印成型机。

    接下来将为各位读者介绍3D金属列印被应用在大型模具上的案例,该案例引自型创与科盛所共同撰写的〈A Valid Design Prediction Approach of 3D Metal-Printed Mold Manufacturing〉,该篇论文在4/1正式发表於塑胶工程师协会(SPE)所主办的全球塑胶业新知与技术发表之研讨会—ANTEC® 2020,内容介绍如下。

    图 3:2017 年,公司自日本引进兼具金属增材制造与切削加工功能的“OPM250L”金属 3D 打印成型机

    3D金属列印在大尺寸模具的应用
    传统模具制作的水路,大多采钻孔方式,较深处则以隔板式/喷泉式或螺旋式进行设计制作,但往往会因产品结构复杂度而有所影响,产品在射出过程中容易有热能残留,而这也导致冷却时间的改变。范围较多,冷却时间也会相对加长,而过大的公母模温差便是造成产品翘曲的主要原因之一。

    图 4:由 3 个塑胶成品组合而成的电源检验座

    本次案例主角是电源检验座,由3个塑胶件组合成(图4)。BC组装时因干涉而导致组装不易(图5);而BA组合时则容易松脱,这些问题导致最终成品品质不良无法顺利量产。透过Moldex3D解析问题,我们发现在B的射出成型过程中,因公母模温差过大,且散热与吸热不均匀导致翘曲变形。因此若要解决问题可从B的水路设计下手,透过异型水路加以改善。

    图 5:B 和 C 组装时会产生干涉(红色框框处)造成组装不

    为达成异型水路设计,本次以OPM250加工,母模仁尺寸为240mm*240mm*150mm,但要进行3D金属列印会碰到两个问题,首先因尺寸较大,若水路设计效果不佳,没达到预期效益,将耗费巨大成本与时间。其次,因尺寸较大,3D金属列印失败龟裂的风险极高。

    图6:异型水路和传统水路的设计比较,传统水路采隔板式三进三出,异型水路则是两进两出

    对于上述的两个问题,首先需使用Moldex3D得知水路设计的功效和导致产品翘曲的主因,以提高实际产品开发效益。在水路设计部分,公模仁以传统水路的方式进行,母模仁则采异型水路设计(图6)。异型水路设计可以解决传统水路到达不了的区块,也可更大范围的包覆产品面,更快速的将热能带走。此外,成品的翘曲和冷却的结果也往更好的方向改善(图7、8)。在良好的设计验证之下,以此设计方案进行3D金属打印制作。

     

    图 7:此为 A 方向的翘曲变形,左图是传统水路设计,A 位置翘曲值为 0.34mm;

    右图是异型水路设计 A 位置翘曲值为 0.1mm

     

    图 8:此为冷却时间分析,左图为传统水路设计,冷却时间 19.6 秒;右图为异型水路设计,冷却时间 14.3 秒

    本次应用OPM250设备进行3D金属模仁的制作,使用金属材质为SODICK提供的SODICK-SUPERSTAR原厂粉末,加工时间需花费52天。此时会碰到第二个问题,因此在正式加工前,必须掌握足够的加工经验,理解金属龟裂的原因和条件,以避免加工失败。本次成功加工出带有异型水路设计的母模仁。透过红外线热显像仪器的应用,我们了解到母模仁的两条异型水路之进出口水温差不超过正负3℃,由此验证异型水路设计合理,可有效将模具内温度带走。而透过2.5D投影量测方式,可以发现所有尺寸都得到改善(图9),让BC的组装不再有干涉,也让BA的组装不易松脱,实际生产的冷却时间也从原本35秒降到30秒,改善幅度达14%,由上述成果能清楚理解异型水路可有效缩短成型周期和改善翘曲变形问题。

    图 9:透过投影量测取得案例的 6 点位置尺寸比较

    在此案例中成功应用3D金属列印加工母模尺寸240mm*240mm*150mm,改善翘曲变形49%,并提升生产效率14%。在掌握异型水路设计所带来的效益之后,宗玮工业在金属模具制造中积极活用金属3D列印成型机,到现在为止制造的60款金属模具中有58款都没有任何开裂,且冷却效果也达到预期目标。

    分別使用2种不同的金属 3D列印成型机
    该公司继引进OPM250L后,又在2019年引进2台沙迪克的“LPM325”金属3D列印成型机。林董事长说道:「对必须进行切削的金属模具采用OPM250L进行成型,不需要进行切削的金属模具则采用LPM325进行成型。」由于LPM325的功能仅限对3D成型和成型物的(2次加工用)标準面进行加工,因此是一种能大幅加快成型速度的机型,使用者还可自行选择是否搭载「SRT工法」这种沙迪克的独有技术。宗玮工业也引进搭载有SRT工法的LPM325,并使用麻氏体钢的金属粉末对金属模具实施3D成型。

    SRT工法指的是一种为抑制金属3D列印成型机中必然会产生的残留应力,即应用了淬火处理方式的技术。在使用镭射使金属粉末熔化进而凝固的金属3D列印成型机中,会因残留应力导致成型物收缩并出现弯曲或变形的情况。通过对收缩进行加热的方式,使收缩与膨胀相互抵消从而抑制变形的产生就是SRT工法的原理。实际上,在沙迪克的试验中,通过SRT工法是可以将变形量控制在传统工法的1/10程度的。对此,林董事长也提到:「使用LPM325不但可以对更大的金属模具进行3D成型,而且通过采用SRT工法还可以防止产生因变形导致的开裂。」

    此外,用户还可以在LPM325上装配MRSMaterialRecoverySystem:金属粉末材料的自动排出和供给装置),实现金属粉末供给以及成型后回收工作的自动化。

    图 10:为确保成型品的品质,该公司备齐了各种类型的试验机、检测机

    图 11:在最佳运行环境中使用金属3D 打印成型机“LPM325”

    图 12:为实现更高精度、以及精密加工而引进的高速铣削中心

    图 13:展示柜中摆满由 GDI 制造的工具、特殊用品等塑胶制品。此外,也摆放许多林董事长珍藏的琉璃工艺品

    图 14:图为透过 OPM250 打印之尺寸 240mm*240mm*150mm 的母模仁

    数位资料化的金属模具制造
    该公司的金属模具制造已完全实现数位化。目前全部都是根据客户提供的3D产品资料以3DCAD来对金属模具进行设计(建模)的。基於该设计模型运用3DCAEMoldex3D)进行成型品的树脂流动解析,同时运用3DCAM制作加工资料后将其转换为NC资料并进行机械加工。此外,在使用金属3D列印成型机进行成型时,也可以采用将建模、树脂流动解析、转换为STL资料、建立成型用切削资料等方式将数位资料集成在一起制造金属模具。

    此外,运用3D影像扫描器对成型后的产品进行扫描,将扫描结果与客户的产品资料进行对照,若存在差异则马上进行修正。这种金属模具制造的数位资料化作业不仅能加快设计与制造的速度,还可确保成型产品的品质。

    全面彻底的品质保证工作
    该公司的产品成型作业中所使用的塑胶材料种类达到1300种,其中包含PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PPE(改性聚苯醚)等热塑性、热固性、强化塑胶的多种类別材料。此外,制造的产品种类达2500种,对应的成型法包括双色成型、嵌件成型、精密成型(成型精度0.02mm)等,而且公司业务还涉及真空印刷(在150℃的真空环境中对层压制品进行烧接的印刷)。对于工具和特殊产品成型后的检查也非常精细入微。设备还包括非接触显微镜、落球试验机、跌落试验机(利用高速摄像机检查冲击破坏状况)、3D测量仪器、硬度测量仪器、耐温湿度测量仪器、紫外线耐光试验机、盐水喷雾试验机(使用盐水进行腐蚀测试)、有害物质的检测、高速冲击机等约30种试验机和测量仪器来确保产品品质。此外,在向客户交货时一定会附带测量报告。

    为确保产品品质达到客户的要求,该公司目前采自主选择检查项目和检查用机械的方式。为防止工具和特殊产品在使用的过程中出现故障或事故,该公司会对产品进行仔细的全面检查。特別是对美国消防队员使用的防火面罩与气体检测器(用于分析火灾中产生烟雾的有害成分)这类特殊用品的品质检查标準则极度严格。例如,对于防火面罩,该公司目前是利用高速冲击机(以80/秒的速度撞击金属球)来检验产品的耐冲击性。由于在火灾现场中无法预测会有什么样的物体飞出来会撞上脸部,因此必须确保产品具备能够保护消防队员安全的耐久性。这种极其严格的品质保证标準也是该公司的一大特点。

    图 15:为求扩大制成品种类,宗玮工业引进 2 台 V-LINE 式注塑机

    利用高精度加工机、成型机提升制造技术
    先前提到该公司金属模具制造的数位资料化,而支援这种数位资料化的重要设备就是高精度的加工机和成型机。LPM325的安装位置需确保形成温度23℃、湿度47%的最佳运行环境,沙迪克生产的高速铣削中心“UH430L”也是在该环境中运行的。UH430L是一款由直线电机驱动的超高速切削加工机,标準搭配有适合新种材料制造的切削机头以及加工模拟辅助软体。对于UH430L的引进,林董事长表示:「由于本公司成型的产品精度不断提高,因此需要引进能够进行微米精度加工的高精度加工机。从这一点来看这是一次前瞻性的引进。」

    此外,从面向未来的投资这一点来看,公司在2019年引进的沙迪克V-LINE式射出机“MS200”“GL150A”也是出于相同的用意。由于传统的射出机采用的是将螺杆和注射缸(计量/填充)安装在同一个轴上的直列螺杆式结构,因此就会出现塑胶逆流导致填充量产生偏差的情况,而V-LINE式射出机采用的是计量工序与填充工序分离的结构,因此具有不会出现塑胶逆流且填充量稳定的特点。对于这2台成型机的引进,林董事长表示:「这2台设备的引进也是一种对于今后的投资,我们想要通过引进高性能的成型机使公司能够生产的医疗设备等产品的种类更加丰富。」

    毫不保留的尖端金属模具制造工作目前该公司已能运用安装於工厂内的监控器对宗玮工业的2处成型工厂内的58台成型机进行产能的确认。此外还能活用IoTInternetofThings,物联网)从外部利用平板电脑终端等设备对机组的运行状况进行确认。该公司对于利用数位资料进行金属模具制造与质保的做法充满自信,其原因之一就是可以通过这些资料清楚地呈现成型作业的进行状况。

    宗玮将以引进最先进的设备、实现快速交货(例如从接到双色成型订单开始到试验完成仅需45天时间)以及全面的品质检查为武器,争取不断地成长。据悉该公司将增加运用金属3D成型方式进行金属模具制造的比例以减少制造所需的人力,且有些客户也会指定采用金属3D成型的方式。如此看来,宗玮工业先进的金属模具制造技术将会不断地进步的。

    Leave A Reply