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產業技術評析

淺談積層製造對鈦材產業的影響
發表日期:2015-12-02
作者:曾婉如 (金屬中心)
摘要:
伴隨著積層製造技術的演進讓許多具有複雜表面、難以成形的鈦製品零部件可望突破傳統技術限制進而開發更輕型、高比強度的複雜金屬部件。因此,未來在航太...

全文:
一、前言

當前不難發現積層製造技術可大幅縮短複雜工件之製作工期,免除多道製程以及轉換加工機所需的時間,使製造方式進入批量客製化,大幅提升製造效率;材料的演進也由塑膠材料進展到金屬材料,製造方式也從原形製作進化成實際產品製作。然而伴隨著積層製造技術的演進讓許多具有複雜表面、難以成形的鈦製品零部件可望突破傳統技術限制進而開發更輕型、高比強度的複雜金屬部件。因此,未來在航太與生醫領域更能克服過往鈦材因鈦合金強度高而難以成形的問題,拓展鈦材料的高值應用領域。

二、積層製造之大宗應用市場

隨著應用材料多元發展,投入廠商快速增加,產品強度與精度逐漸提升,產品用途由原本展示用的原形品,進階為可直接運用的功能零件,促使應用領域急速擴增,廣泛用於工業模具、汽車/機車、航空、醫療器材、珠寶、文創、藝術及民生等消費產品。由【圖一】看到2014年最大應用市場為產業與商業用機器,占整體市場的17.5%;第二大市場為消費性與電子產品(約占16.6%);第三大應用為汽車產業(約占16.1%),用於汽車與零組件模型,可縮短研發到量產的時間與成本,未來的挑戰會是產品與模具的直接製造;第四大應用為航太產業(約占14.8%);第五大應用為生醫/齒科產業(約占13.1%),尤其以齒科的應用最先開始,未來將朝向人體關節,甚至是器官發展。

 
2013~2014年積層製造產業應用分析
圖一 2013~2014年積層製造產業應用分析
資料來源:Wohlers Report,2015/金屬中心MII-ITIS計畫整理(2015/09)

三、鈦合金應用積層製造技術分析

(一)航太產業

由於積層製造技術具有可讓複雜表面、難以成形的零組件突破傳統工藝限制進而開發更輕型、高比強度的複雜金屬部件,因此在航空領域能克服過往鈦材因鈦合金強度高而難以成形的問題。以美國F-22戰機來說,其鈦框無法一次性壓鑄或者鍛造,目前採用『分段鑄造+熱等靜壓+銲接』技術,而應用積層製造技術則可使其整體成型。此外,英國的GKN Aerospace更領導ATI支援的積層製造技術專案-Horizon,該專案彙集了歐洲和北美的五大開發中心共同致力於開發基於3D列印的可用製造技術。【表一】為鈦製品製程比較,可以看出傳統製程主要面臨鈦加工利用率低、原材料成本高、真空熔煉及加工成本高;然若應用積層製造技術即可使材料利用率達90%以上並縮短加工週期,因此相較傳統工藝節省20~50%成本,由此可見未來應用積層製造技術於航太領域將越來越普遍。
 
表1  鈦製品製程比較
製程 CNC 壓鑄 鍛造 MIM 積層製造
原材料 鈦板/鈦棒 鈦錠 鈦錠/鈦棒 鈦粉 鈦粉
材料價格
加工成本
材料利用率
生產效率 效率低/週期短 效率高/週期短 效率高/週期長 效率高/週期短 效率低/週期短
總成本

資料來源:新材料在線/金屬中心MII-ITIS計畫整理(2015/11)

(二)生醫產業

針對目前醫材發展趨勢來說,積層製造已成為目前不可忽視的主流趨勢,而鈦金屬雖難成形、但極具生物親和性,因此特別適合以積層製造技術應用於人工牙根、骨科植入、關節等產品。在積層製造的產業鏈中,目前在上游的鈦合金設計與熔煉已有美國的Special metals、Memry、ATI、NDC與義大利的CSM等標竿廠商;而鈦合金粉末製造的部份則有瑞典Sandvik、英國LPW、加拿大AP&C等廠商;此外,中端積層製造設備部分則有德國EOS、LZH、Fraun-hofer及英國Renishaw與瑞典Arcam負責提供;而積層製造後的拋光等表面處理則有日商松浦、德國DMG、Micro-Technica等公司負責;而在產品應用上,根據3DP Industry Inc.統計,目前主要標竿廠商為Depuy、Stryker、Zimmer、Exactech、Synthes等公司,而以積層製造之骨科植入物目前市占僅2%,預估未來的十年之內,積層製造應用於骨科植入物將有驚人的成長趨勢。

四、結語

以臺灣製造業發展的現況來看,積層製造在模具與零組件上的應用上若能發揮效用,將過去鈦合金相關零組件做不到的設計與應用做出來,一定會對臺灣整體的製造相關產業的推動相當有助益;只是,要如何將產業由點連成線、由線集合成面,則是積層製造產業發展的關鍵因素,因此為了促進相關產業發展與突破,積層製造與國內相關業者、法人單位合力採取『產業群聚』的方式作為推動新興產業發展模式。因此,臺灣鈦產業將可應用積層製造技術減少高貴鈦材料的用量,進一步降低產品成本與提升載具油耗,預期將可突破鈦產業在醫療、模具、鑄造、航太、汽車等產業與少量多樣的客製化產業的發展。

(本文作者為金屬中心 ITIS計畫產業分析師)

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更新日期:2020-04-08

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