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直接調控材料性質 一次列印多種強度
撰文／陳玉鳳 圖片提供／工研院
目前市面上的金屬3D列印設備，大多只能列印一種機械性質成品，工研院開發的「3D列印材料晶控光引擎」，則讓搭載此關鍵技術的列印設備得以即時動態調控材料凝固時的溫度變化及結晶特性，可按照產品需求任意調控工件所需的強度、硬度、韌性等機械性質。
目前金屬3D列印設備，固定的雷射參數，僅能產生單一機械性質的成品，再經過後續製程的熱處理或表面鍍膜方式，達到需要的零件硬度或韌性。同一零件如需在不同運作點有不同材料硬度或韌性需求時，現今的製作方式均無法達成。
工研院南分院積層製造與雷射應用中心經理劉松河表示，「中南部是臺灣精密機械產業重鎮，近來積極尋求轉型升級，在此過程中，曾有業者向我們反應，希望單一工件可以在耐磨損的部分具備硬度、在震動運轉的地方具備韌性。」聽到了產業界的聲音，劉松河帶領團隊，以在雷射及3D列印技術的多年研發經驗，從材料結構構思，開始投入研發金屬列印3D關鍵技術。
跨領域知識激盪 從晶相成長特性著手
金屬3D列印是由平均直徑約25微米（µm）的金屬粉末經雷射燒熔層層疊加而成型。因此，目前的金屬3D列印設備採用固定的雷射參數，只能列印一種機械性質成品。為了突破此侷限，工研院團隊一開始首先嘗試操控金屬3D列印的雷射參數，然而卻無法在單一製程中進行工件不同材料性質的操控。
之後，這支由15名專長各異、平均年齡30多歲的成員所組成的年輕團隊，透過雷射、光學、機械、電控、材料等不同領域知識的腦力激盪及持續對話，想出了一個可行方法，「我們決定試試從金屬材料晶相成長特性著手。」劉松河說。
他進一步說明，「在3D列印一層層燒結時，我們利用特殊設計的雷射光學引擎，以特殊雷射光路技術調控製程中不同雷射光學與材料作用的機制，以此改變金屬材料結晶結構，可直接調控材料性質，讓該硬的地方硬，該韌的地方韌，相較於傳統方法，這是極大的突破，我們也成功了。」
技術移轉 擴散產業影響力
帶著產業界對此技術的殷切期盼，工研院南分院積層製造與雷射應用中心主任洪基彬等主管的鼓勵，與工研院院長劉仲明對技術的肯定，「3D列印材料晶控光引擎」團隊不負眾望，在短短的一年中便繳出具體而亮眼的成績。
透過「3D列印材料晶控光引擎」的開發成功，金屬3D列印可依照產業特殊需求進行差異化與高值化的設計搭配，受益的產業範圍極廣，包括汽車、航太及生醫器材業者，都能一次就完成列印硬韌特性各異的零件。目前，工研院已透過「積層製造產業聯盟」整合40餘家廠商的力量，推動國內3D列印產業供應鏈，有了這項獨門的創新技術，可望為臺灣產業加持研發實力，提升產業競爭力。