一、前言 一般的产品开发专业人员往往为了塑料模具射出成型的诸多限制,导致于产品的创新性、造型变化度受到很大限制。本篇报告将以德国EOS公司发展的雷射烧结方式呈现"e制造(e Manufacturing)"的优势，发展出的”直接金属雷射烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)”的高阶模具技术，可以直接烧结各种金属粉末，如铜合金(DM20)、铝硅镁(AlSi10Mg)、不锈钢(Stainless Steel)、模具钢(Maraging Steel)、钛合金粉末(Ti64/TiCP)，以发展高阶模具技术。本篇论文主要探讨EOS在”异型冷却水路”之实施方法与案例介绍，分享如何达到最佳冷却效果，提升射出效率射出质量。同时，导入目前在欧洲2011 K Show大放异彩的复合式模具设计(Hybrid Tooling)，如何善用CNC与DMLS两大优势技术，提高产值与射出质量。掌握相关的制程参数，进而优化模具的冷却与加热系统，提升产品质量与生产效率。
作者: ACMT 时间: 2011-8-15 13:24
二、EOS雷射粉末烧结技术之原理 (, 下载次数: 37)
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图1. EOS雷射成型原理
应用雷射烧结原理，根据3D模型切层后的二维几何形状，透过光学系统聚焦投射在工作物表面，使粉末烧结或融化成形。根据不同Z轴高度的二维形状依序成型，逐渐堆栈成立体成品。
一般而言，雷射EOS烧结的方法非常多元，如图2所示。以烧结材料作区分。可以烧结的材料有：单一成份的元素(single component)或多种元素(multiple component)组成的粉末；聚合物、金属、陶瓷、复合材料(composite)；纯金属(pure metal)、预合金粉末(pre-alloyed)、混合粉末(mix metal powder)、粉末表面被覆着剂(coated metal powder)等。
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图2. Laser Sintering的制程模式多元
DMLS烧结方式则有其独特之处。DMLS采用的是纯金属烧结，烧结过程中不使用氧化物黏着剂(organic binder)，因此无需采用二次处理(如渗铜作业或二次烧结)，充分达到成型金属改质与强化的最大效益。DMLS所采用的烧结机制有(图3)：[1]
1. 多种金属粉末混合的金属融化(melting)或液相烧结(liquid phase sintering)，适用于EOS所生产的DirectMetal及DirectSteel粉末。此类烧结会有微细的孔洞，如图3上右方的金相图。
2. 金属粉末完全融化(complete melting)及初级粉末或预合金粉末(elementary or pre alloyed powder)再固化(resolidification)。适用于EOS所生产的CobaltChrome, Stainless Steel, Titanium粉末。此类烧结成品可达100%的致密度，如图3下右方的金相图所示。 (, 下载次数: 37)
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图3. DMLS之金相图,Top: DirectMetal (Bronze based), Bottom: Cobalt Chrome 作者: ACMT 时间: 2011-8-15 13:25 三、直接金属雷射烧结(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)目前 ...
根据2011 EOS International User Meeting,(IUM)报告，目前EOS已开发出全新M280 System，无论在雷射系统、控制软件、外围设备、可成型的材料、加工能量、精度与速度上，都有很多的进步与提升，如图4.所示。图4详细列出EOS M System从1994南以来的发展历史。从最早期的机种只有DM100青铜材料，粉末平均粒径(particle size)100μm，到目前2011年已将粒径降至20μm。其他材料仍然不断开发中，有工具钢(Maraging steel)：MS1、不锈钢(Stainless Steel)从GP1、PH1、一直到316L材料，钴基超合金(Co Superalloys)：MP1，牙医专用材料(Dental alloy)：SP1, SP2，钛基合金材料(Ti–based alloys)：Ti64、TiCP(商用纯钛)、镍基超合金(Ni-based alloys)：Inconel 718、Inconel 625等、铝合金(Al alloys)：AlSi10Mg等。目前仍持续不断研发提升现有材料。 (, 下载次数: 33)
一般制造上的思维模式，大抵以制造导向为主，因此许多设计因无法有效制造而无法被开发!EOS首先提出e-Manufacturing的观念与具体作法!为了满足市场多变的设计需求，需从”制造导向设计”(Manufacturing-Driven Design)提升至”设计导向制造”(Design-Driven Manufacturing)，方可满足目前的设计需求。
图8是”模具生产”与”雷射烧结”两种量产制造技术的比较图!其中绿色的雷射烧结技术，适用于左边的产量较少的领域中；红色的模具生产技术则适用于产量较大的领域中。当模具的造型复杂度愈高时，雷射烧结的适用范围则往上提升!如图9所示!
”雷射烧结” 与”模具生产”两种量产制造技术的单位成本比较分析，如图10所示。雷射烧结技术维持一定的水平线，代表单位成不受模具复杂度的影响!早期的雷射烧结技术适于的产量(N)大约是年产量几十件至几百件(several tens to several hundreds)!目前适于的产量(N)已达1万多件(年产量)!
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图8. ”雷射烧结” 与”模具生产”两种量产制造技术的适用区域比较图
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图9. 模具愈复杂时，雷射烧结技术的适用范围相对提升
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图10. ”雷射烧结” 与”模具生产”两种量产制造技术的单位成本比较
EOS所提供的雷射烧结技术服务可提供完整的产品性质信息服务(Part Property Profile, PPP)。图11的E2E模式提供完整的产品信息服务，PPP扮演材料信息中心(material data center)给工程师进行开发，产品的开发是由消费者主导开始的! PPP也提供EOS设备进行制造与
质量确认服务。此一全新的产品开发服务，PPP建立标准化使企业获利，如材料性质表(material data sheets)、加工参数(parameter set)、软件系统(PSW)、加工报告表(EOSTATE part report)，所有的开发者将得到完整的信息服务，如图12所示。
八、参考文献 1. Joseph Wilhammer, International User Meeting, IUM, Germany, Bad Worihofen, April, 2011.
2. Siegfried Mayer, Whitepaper of Optimised mould temperature control procedure using DMLS, EOS GmbH Electro Optical Systems, Robert-Stirling-Ring1, D-82152, Krailling/Munich, Germany
3. Optimised Mould Temperature Control, Ersetzt, Replaces ATI 1104 d,e vom /dated 30.11.97, Application Technology Information, Bayer.
4. Joseph Weilhammer, Advanced Tooling with DMLS,
5. EOS GmbH, D-Krailling / München, Asia User Meeting, 18.01.2008.
6. Design Rules for DMLS, SW / 02.04 / en, EOS GmbH - Electro Optical Systems 作者: ACMT 时间: 2011-8-15 13:28 研讨会现场录像：
