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奧地利林茲 金屬積層製造研討會

Metal Additive Manufacturing Conference 見聞分享

工研院 雷射與積層製造科技中心 林敬智

一、 MAMC 活動簡介：

林茲 Linz 為奧地利重要工業與商業城鎮之一，在 19 世紀工業快速發展的時代，林

茲成為造船、鋼鐵、鐵路的工業重鎮。金屬積層製造研討會(Metal Additive Manufacturing Conference，以下稱 MAMC)舉辦地點於 Voestalpine Stahlwelt Linz，Austria，就是林茲的

金屬工業博物館，新世代金屬積層製造於這裡舉辦再適合不過。

MAMC 提供完整研討會講者資料與活動人物紀要訪談，簡報資料、照片與動畫檔

案，以下為研討會現場簡要說明。MAMC 研討會活動網址 http://mamc2016.org/。

二、 研討會觀察重點：

圖 1 MAMC 聚焦主軸

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圖 2 MAMC 現場

圖 3 MAMC 與會專家

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圖 4 MAMC 與會專家

1. Keynote：R. Poprawe Topic：Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT

德國 Fraunhofer ILT 不斷思考從工業 4.0 跟 Photonics Production 的 Stimulation innovation 關係，Poprawe 舉出 30 年前就畫過一個草圖是透過雷射將車子印出來，當

時雖然看起來不可能而現在也能有一段距離，但車子的重要零組件已陸續透過積層

製造印製出來，因此如何思考全新的方向很重要，再逐步剖析技術需求並逐步解決，

問題永遠存在但要會分辨哪些是優先要處理的。

數位製造舉出資料儲存/產生/傳輸的急速增長進行大幅度變化。對於雷射對於材

料的觀點提出微結構特徵相當重要，此部分研究將是 ILT 努力的目標。低價 SLM 有

提到使用單點 diode laser 能開發出低於 20,000 歐元的設備，生成率雖然低但提供印

製金屬零件的可能。

圖 5 節錄 Fraunhofer ILT 簡報

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2. Keynote：J. Giedenbacher Topic：Processing and material properties of hot work tool steels manufactured by selective laser melting

探討 SLM 製作過程高溫預熱對 AM 零件的影響，此研究將腔體預熱到 600 度，

針對 Steel powder 高溫預熱後 SLM 成品緻密度可達 99.71%，但提到高溫預熱後的零

件硬度會下降，但相對 homogenous microstructure 會比較顯著，此外高溫預熱後未熔

融粉體會呈現 powder caking 現象需注意。

3. Keynote：Institute of Manufacturing Technology，DE Topic：Tribological properties of tools manufactured and polished by using laser metal deposition machine setup

針對 DED 製程提出 Surface re-melting 概念，多次熔覆後表面硬度會降低，但可

創造出較平整的表面，但目前存在 waviness due to side by side laser melting track 尚待

克服。

圖 6 節錄 Institute of Manufacturing Technology 簡報

4. Keynote：Universität Kassel Topic：Ni- and Fe-based alloys processed by AM – From microstructure to fatigue damage

此學者比較 316L 不同後處理後與生成方向對靜/動態力學進行分析，並建議 SLM零件製作後要經過後處理，在疲勞與潛變回復的抵抗能會較佳。

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圖 7 節錄 Universität Kassel 簡報

5. Keynote：Fraunhofer Institute for Laser Technology Topic：Material properties of IN718 processed with high power selective laser melting

探討高功率雷射(1000W)對於 SLM 零件製作的影響，從 build rate、volume energy、熔池深寬比與層厚來觀察其高功率的效益，最後成功展現出高功率雷射 SLM 製作出

的零件，並呈顯幾組重要指標出來。

圖 8 節錄 Fraunhofer ILT 簡報

6. Keynote：Fraunhofer Institute for Laser Technology Topic ： Influence of powder bed characteristics on material quality in additive manufacturing

透過模擬分析金屬粉末鋪粉、熔融、再鋪粉共三次的過程，透過模擬可觀察到鋪

粉品質對表面粗糙度的影響、雷射過熔的噴濺效應與凝固後的表面現象，並透過理想

粉體排列下與高斯分佈的粉體進行比較，透過預前模擬可有效掌握製程參數對於

SLM 瞬時的特性觀察與改善。

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圖 9 節錄 Fraunhofer ILT 簡報

7. Keynote：CADFEM GmbH Topic：Design and Engineering by Topology Optimization for an Additive Manufactured Jump Robotic leg

運用 Topology design software 進行機器人跳躍曲線的改善與重量的減輕優化。

圖 10 節錄 CADFEM 簡報

8. Keynote：University of Manchester, Manchester X-ray imaging facility Topic：Three dimensional characterization on effects of preheating conditions on sintered Ti-6Al-4V powders in Electron Beam Melting (EBM) process

改造 ARCAM 設備於內部安置 X-ray 儀器，監看環狀圓柱以不同掃描預熱策略對

結構生成的影響，結果為多次預熱尺寸精度會下降，但空孔生成的機會將輕微下降，

此為歐盟 FOF 313781 支持的計畫。

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圖 11 節錄 University of Manchester 簡報

9. Keynote：FIT Production GmbH Topic：Additive Design & Manufacturing - Products of tomorrow

FIT Production 為 FIT 集團中的子公司之一，FIT 為專營 3D Printing Design and production service，專責於輕量化元件、航太優化元件、拓樸與孔洞結構，設計軟體

主以 Netfabb 創造特色結構元件。FIT 代工零件所使用材料主以 Concept laser and EOS原廠原料為主，不提供其他材料選用。FIT 並提出三階段營運評估模式：Prototype、ADM-Q/ ADM-V 概念來報價，ADM-Q 以零件品質為主，但支撐最大化與結構不會

最精簡而報價最高，ADM-V 階段會量產最大化為主，以整排擺最多，最少支撐設計

(廢料)來報價。

圖 12 節錄 FIT Production GmbH 簡報

10. Keynote：Graz University of Technology Topic：Basic characterization of 17-4PH structure manufactured by selective laser melting

比較 17-4、17-4 with HT、wrought 的差異，有提到 17-4 HT 後 Notch impact 會下

降，且 The hardness of SLM parts lower than wrought 而各種處理對於 surface 則無顯著

影響。

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圖 13 節錄 Graz University of Technology 簡報

11. Keynote：Karlstad University Topic：Solidification microstructure and texture in SLM of metallic material

從掃描策略來看 microstructure 的方向，此俄國學者近年有完整分析建議可進一

步掌握其發展趨勢。

圖 14 節錄 Karlstad University 簡報

12. Keynote：Airbus Topic：3D printing in civil aircraft construction: A manufacturing revolution takes off

Airbus 目前已有 200 多個 AM 專案在內部進行，為維持機艙輕量化與結構強度，

Airbus 導入許多 Bionic design 與 light weight optimization 等議題，目前最大的專案是

後機艙透過 Bionic 結構進行分析製作，透過其自行研發的仿生計算學可計算出 200組以上組合，可調整不同方向應變，應力，與強度的組合。

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圖 15 節錄 Airbus 簡報

三、 MAMC 參與心得與結論：

MAMC 研討會涵蓋內容相當廣，並完全聚焦金屬積層製造技術與應用。從金屬粉末

的研製、粉末成份的改變對 SLM 的影響、積層製造條件的改變對零件特性的改變、SLM模擬熔融特性的瞬時觀察以及航太產業對金屬積層製造的觀點，都有專家深入剖析機，

從今年奧地利 MAMC 研討會發表議題來看，可歸納出幾個金屬積層製造研發重點：

設計方面：除已知輕量化與結構化的特點之外，借助自然環境的仿生結構來達到材

料、機械結構、力學平衡與極致平衡，或應用拓樸化設計結合有限元素分析軟體的疊代

優化，再透過金屬積層製造技術加以實現，例如 Airbus 的後機艙門與 CADFEM 所設計

的優化後機器人跳躍腿，都是實際仿生與拓樸結構優化應用案例。

製程與材料方面：材料內微量元素的調變對雷射作用的影響，以及對機械特性的改

變會是後續的重點，觀察材料也從巨觀的強度、變型與承受衝擊的條件，更深入到每層

每區的微結構觀察，相信在更多學者的投入下，將來材料選擇的豐富性將顯著成長。在

製程方面有透過高溫預熱來觀察 SLM 零件變形特性與機械性質的影響，可看到高溫預

熱對材料硬度的轉變與降低熱應力變形的趨勢。除此之外高功率雷射來提生生成率，並

將層厚、光斑與掃描策略達到平衡與最高效率，也是研究的重點。

後處理方面：比較 SLM、SLM 後進高溫爐、SLM 後進行 HIP 的比較，對於許多航

太產業或高科技產業，為確保產品結構的一致性，藉由高溫後處理將 SLM 零件進行再

結晶，在回復的過程中使晶體內部缺陷移動回復到正常晶格位置，同時內部應力場也會

跟著消失，讓整個材料性質進行改變。對於金屬積層製造來說後處理會提升成本，因此

現階段仍處於研發後處理對 SLM 零件的影響，也許藉由全球研發資源的投入，可克服

無需後處理或降低工序的積層製造製程。

產業應用方面：對 Airbus 來說金屬積層製造技術導入航太業已從需要轉換成必要，

Airbus 積層製造負責人 Pirklbauer 就說明已有 200 多個 AM 專案正在內部進行進行，對

長期的航太遠景來看勢必要投入，除此之外如汽機車產業、機器人產業與模具產業，在

整個研討會中都有許多優化與應用案例。

MAMC 研討會的專家分享於學術及產業議題都相當有深度，後續值得追蹤與參加

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明年的研討會，也希望內容對讀者有所助益。

圖 16 汽車 AM 零件與散熱 AM 元件(拍攝於 MAMC 會場)