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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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正方形 Icon 產業焦點 Focus

工研院展現雷射研發能量

撰文/魏茂國 攝影/黃鼎翔

在全球性的先進製造趨勢下,可以廣泛應用於工業、醫療、國防、民生等領域的雷射科技,不僅可有效推動製程的革新與提升,加上各種相關研發技術不斷推陳出新,為產業的升級轉型帶來更多動能及競爭優勢。在2015臺灣國際雷射應用展中,工研院「雷射光谷成果專區」,展出多項創新雷射技術及應用,突顯領導臺灣雷射技術和產業發展的能量。

隨著產品客製化、細微化、高值化等發展,使得雷射科技已成為當前產業尋求創新突破的一大關鍵,並且在技術持續翻新之下,也愈來愈受到各界的重視和運用。臺灣雷射科技應用協會理事長潘忠義指出,雷射科技整合了光、機、電、控制等技術,對於在製程中導入自動化、智慧化,或是實現綠色製程等,都具有重要的地位及角色;如能串聯起雷射產業的供應鏈,將會對臺灣製造業的深化與茁壯帶來相當大的幫助。

先進製造激發雷射市場成長

自美國的先進製造夥伴計畫(Advanced Manufacturing Partnership)、德國的工業4.0(Industry 4.0)等針對製造業的改革策略開始,至今已在許多重要國家掀起先進製造的浪潮;例如英國的高值製造策略、日本的產業振興計畫、韓國的製造產業創新3.0、中國大陸的中國製造2025等。這些先進製造策略的主要概念,都脫離不了運用更創新的科技,並結合智慧化、數位化等製造方法,使得生產過程更具效益,提升產品價值與產業競爭力。

我國也於今(2015)年提出了「生產力4.0」,就是要以智慧製造打造臺灣全球生產製造供應鏈的關鍵地位;而且在落實先進製造當中,除了資訊、感測、材料、機械等各項技術的整合,雷射當然也是不可或缺的一環。工研院南分院積層製造與雷射應用中心主任洪基彬表示,相對於車削、銑、刨、磨、鑽等傳統製造方式(接觸式、減法),先進製造更倚靠整合資訊自動化、高速運算、感測、網路、複合加工(加法與減法)等方式,不只發展潛力更高,並促使雷射製程成為國家發展先進製造策略的核心工具。

如對應工具機市場的狀況,因應先進製造而產生的雷射加工機需求,近年來更是不斷成長;特別是複合式的雷射加工機,約自2010年開始進入產業應用後,至2014年已有將近2.5億美元的市場,估計到了2018年更將突破10億美元。這也代表雷射加工已經逐漸整合傳統加工方式,形成創新複合式的加工製程與智慧製造技術,並開始在先進製造中扮演重要角色;因此各家國際工具機大廠也接連推出複合式的雷射工具機,並朝向高速、高精度、環保化、智慧化、複合化等趨勢開發。

同時在「雷射光谷」計畫中,工研院也積極進行與國內廠商共同投入雷射關鍵模組自主、雷射創新應用、雷射產業鏈建構等推動,包括雷射源、光刀引擎、積層製造、整合系統等相關技術,也都是產業跨入先進智慧製造時的關鍵。面對產業進入先進製造的需求,洪基彬指出,從過去設備、材料、製程等技術的研發,開始為產業建立基礎,再經由不斷地精進與改良,使得技術水準和品質得以提升,並朝向高階複合加工技術發展,已為產業建立相當基礎;未來則希望能針對先進的複合式加工方式,連結設計端與製造中心,整合軟硬體促成「綠色光谷」,成為先進製造的創新模式,以面對國際上的競爭。

雷射加工應用持續提升

在本次臺灣國際雷射應用展裡,工研院展出多項雷射研發技術與合作成果。首先是在雷射加工應用方面,對於加工製程中經常使用的切割和切孔需求,工研院已研發出多款雷射加工頭技術,除了可以適用不同功率的雷射(< 2,000W),並結合調焦和光斑位移等技術,讓加工模組可進行三維移動的切割與切孔,目前包括鎢鋼、不鏽鋼、鈦等堅硬金屬,以及陶瓷、藍寶石等硬脆材質板件皆可實現高速而質優的切割成效,最薄可切割至0.1mm的厚度,能適用於光罩、機板、裝飾品、建材等物品的切割。

比起切割各種板件更複雜困難的切管,則是展出了由工研院輔導、榮剛材料科技開發雷射加工頭、新代科技開發控制器,並由和和機械整合生產的臺灣第一臺3D光纖雷射全自動切管機,使得整機和關鍵零組件都能夠完全自製。特別是相較過去四軸切管機僅能直切的特性,這臺五軸切管機具有可擺頭斜切的切割頭,能讓管件的切割面更為平整、精準,對後續銲接組裝等製程很有幫助;並且因為採用光纖雷射,使得調機與維護上省下許多工作及成本,所需廠房空間、電力與模具成本也較少,目前已投入量產及銷售,包括建築、汽車、運動器材、醫療輔具等都很適用。

在玻璃材質的應用上,入圍2015年全球百大科技獎(R&D 100 Awards)的「雷射無痕玻璃削整設備」(gLaserTrim),則是以10W以下的低功率脈衝雷射,運用於強化玻璃或藍寶石基板等硬脆材質的無痕削整,能夠經由調控雷射的最佳參數,精準控制雷射溫度梯度與玻璃的作用範圍,以熱效應將玻璃邊緣產生的細微裂痕移除,不需要再經高分子材料包覆補強,或是以雷射熔融後再固化成型。而且經雷射無痕削整後的玻璃邊緣,不只變得更光滑,還能提高強度、避免因碰撞而產生破裂,可讓0.1mm的多層超薄玻璃經削整後,彎折強度達到500MPa以上,像是手機玻璃螢幕與保護貼、玻璃削孔等都可使用。

而於加工製程中,有廣泛需求的金屬銲接功能,目前工研院已經開發可以適用於同質及異質材料銲接的雷射技術,例如鋁、銅、鈦、不鏽鋼等相同材質的銲接,不只具有表面平整度佳、堅固、快速等優勢,而且不需要再經修整;或是在碳鋼與不鏽鋼、銅與黃銅、銅與鋁、高速鋼與合金鋼等異種材質間的銲接,除了可以避免材質差異,而造成的銲接品質不良,並且也能夠有效的運用在如刀具的刀刃與刀背,或是需要在不同部位具有堅硬強度和避免生鏽等性質的自攻螺絲等,另外還有像是汽機車鈑金、手工具、工具機等,都可以藉此提高產品品質。

另外在模具的咬花加工上,工研院也推出「雷射精微曲面複合加工技術」(雷射數位咬花技術),尤其相對於傳統人工蝕刻咬花的耗時、人為因素影響品質與環境汙染問題,雷射數位咬花明顯更為快速、細緻、品質均一而環保;特別是對於具有曲面弧度的模具,如手機和電腦外殼、汽車方向盤與儀表板等組件的模具,就可先透過曲率分析、配合變焦模組,並將圖檔經計算與數位分層後加工,目前最多已可分為256層、每層可加工0.5至1微米(µm),讓雷射可以精準而曲線平滑地刻出花紋,以利後續射出成型。

積層製造成為技術焦點

近年來發展相當迅速的積層製造(3D列印),為產品開發與生產製程帶來相當顯著的變革;以2014年全球3D列印的產值已達41億美元,估計到了2025年還將突破200億美元,而且各種設備機型不斷推出。其中市場成長最快的就是雷射金屬積層製造(Laser Metal Additive Manufacturing),包括粉床熔融成型技術(Powder Bed Fusion; PBF)與直接能量沉積技術(Directed Energy Deposition; DED) ,可直接一次成型複雜形貌與特殊結構之金屬元件,成為未來新創高值化產品之重要工具。

因此在2015臺灣國際雷射應用展中,工研院特地展出第一臺國人自製的雷射金屬積層製造(3D列印)設備,可製作10cm及25cm立方體積工件,成品尺寸精度可達正負50微米(µm),最小製作直徑約為100微米(相當於頭髮粗細),緻密度大於99%以上,拉伸強度以鈦合金為例已達950MPa以上。以工研院與管樂器專業代工製造廠益豐國際共同開發的3D列印薩克斯風吹口彎管(頸管)來說,比起傳統經設計、開模、試產、測試等過程所花的時間,不僅能快上十倍,還能節省動輒上百萬元的開模費用,而且也利於產品開發和客製化生產。

同時工研院還開發出鈦合金、鈷鉻鉬合金、高強度鋁合金、麻時效鋼、模具鋼、多元合金等各種雷射金屬積層製造專用的金屬粉體,可供醫療、航太、汽機車、文創等多種產業用途,能夠印製較一般CNC傳統加工更複雜的形狀,效益更高之金屬零組件,讓國內的設備商及材料商都能夠有更多發展機會。目前工研院也已促成東台精機、精剛精密及嘉義鋼鐵合組金屬積層製造研發聯盟,投入開發商用型國產金屬3D列印設備及專用材料,使國內金屬3D列印產業之建立指日可待。

而另一項同樣獲得2015年全球百大科技獎入圍的「3D列印材料晶控光引擎」(Optical Engine for Material Grain Microstructure-Controllable Additive Manufacturing Technology),就是建構在雷射金屬積層製造技術的基礎上,藉由特殊設計的雷射光學引擎,包括在燒結前的模擬分析,並且在製程中調控不同雷射光學與材料之作用的機制,進而改變金屬材料的結晶結構;也就是能在同個工件的不同部位上,呈現不同的強度、硬度、韌性等機械性質,以符合產品使用或運作上的需要。

例如汽車的渦輪引擎葉片,中間軸承部位就需要耐磨、硬度要高,而旋轉葉片則需要高韌性;或是在客製化的生醫材料、航太零件等產品上,都可透過「3D列印材料晶控光引擎」,在同個列印過程中就達成所有目標,因此與一般金屬3D列印僅能製作單一功能性質產品截然不同,更能為產品提供差異化與高值化的附加價值,大幅減少製作投入之時間與成本。

創新推出大功率雷射源

在雷射源技術方面,初期臺灣產業需求為50W以下雷射光源;隨著雷射應用範圍愈來愈廣,國內許多業者嘗試切入高功率雷射源應用,並希望能透過雷射源自主化降低投資成本。因應國內廠商需求,工研院成功研發出500W連續式光纖雷射源,可供廠商用於金屬焊接與切割;此系統採用光纖雷射做為光學核心,具備小體積、低維護成本優勢,並可整合國際大廠之雷射加工設備,吸引許多國內廠商合作與投資意願,將陸續推出更高功率的雷射源產品。

工研院研發之奈秒光纖雷射技術已移轉搏盟科技,並促成該公司成立雷射源新事業部,推出10W與20W脈衝式光纖雷射源,讓臺灣雷射產業從無頭工業晉身為有頭(雷射源)產業,避免持續受制於國外廠商倚賴進口。同時在3D列印、金屬加工等設備需求不斷成長之下,預估全球雷射加工雷射源市場將從2015年的38.3億美元,至2018年將超越50億美元,以新興國家成長最快,藉由雷射源技術自主帶動國內廠商雷射製程創新,將可搶進國際市場,帶動另一波雷射商機。

由工研院輔導、榮剛材料科技負責雷射加工頭、新代科技開發控制器,並由和和機械整合生產臺灣第一臺3D光纖雷射全自動切管機,使得整機和關鍵零組件都能夠完全國產自製。
由工研院輔導、榮剛材料科技負責雷射加工頭、新代科技開發控制器,並由和和機械整合生產臺灣第一臺3D光纖雷射全自動切管機,使得整機和關鍵零組件都能夠完全國產自製。

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