TWI602783B - 以雷射堆積列印鋁基複合材料產製中空結構組件之方法 - Google Patents

Description

以雷射堆積列印鋁基複合材料產製中空結構組件之方法

本發明是有關於一種以鋁基複合材料粉末的配製，設計出具有高楊氏模數的材料。而後運用雷射堆積列印方式，產製中空結構組件之方法。本發明結合粉末冶金、電腦輔助的優化設計考量以及雷射堆積列印方式，製造出以一般鍛造或鑄造製程所難以生產的中空結構組件，可大幅提升結構剛性，而且具有獨特的輕量化效果，以滿足高功能性需求之汽車組件及其製造方法。

在節能減排的環保意識抬頭與需求日益高漲下，啟動了汽車結構件另一波輕量化的發展趨勢，汽車底盤零件逐步往更高強度、更優化減重的發展。而以傳統鑄造或鍛造方式，配合高強度鋁合金材料的使用已經逐漸無法符合需求。因此，藉由電腦輔助結構設計的優化，以期減少材料使用比例所呈現直接輕量化的效果乃成為考量的選項之一。另一方面，鍛造製程所呈現高緻密性組織與優良的機械性質，一向廣為高級車結構件 使用的首選。是以，中空鍛造結構件的製造乃順勢成為此類進階型輕量化構件的另一考量。然而，在結構剛性所對應的安全計算基礎下，藉由結構優化的減重效益有其設計上的極限。進一步的優化必須使用更高楊氏模數(Young’s Modulus)的材料。因此，金屬基複合材料的發展乃因應而生，成為另一種新的選擇。

以汽車結構件而言，鋁基金屬複合材料(Aluminum based metal matrix composites)為最普遍使用的合金材料系列。其強化的機制乃為在鋁合金基材中加入高楊氏模數的碳化物、氮化物或氧化物等非金屬材料以做為第二相(second phase)強化因子。第1圖所示為本發明所選用設計製造的第二相非金屬強化材料之楊氏模數與密度，主要的添加系列有碳化物、氮化物與氧化物三大系列。控制藉由第二項添加物的體積比，即可計算並調整合成複合材料的楊氏模數，從而設計出符合安全與強度需求的結構產品。由於第二相材料屬於脆性組織，過多的添加會劣化結構的延展性與衝擊韌性等，因此設計上有其極限。

一般做為鍛造用的鋁基複合材料有兩種製作的方式：其一、為以熔煉的方式將鋁合金熔化後，再加入第二相非金屬固態粉體如碳化物、氮化物或氧化物等等。經由適當的攪拌製程，提升第二相分布的均勻性，以製作成複合材胚料。此方法的優點是製作方便，缺點是第二相非金屬固態粉體的添加量不能太高，同時粒徑尺寸也有限制。一般對於粒徑在10微米以下，有其均勻分散的困難度。由於無法有效均勻細化分佈，難以滿足汽車主要應力承載部件嚴苛的抗疲勞的性質達要求；其二、乃是以粉 末冶金方式，將鋁合金粉末與第二相非金屬固態粉體混合後製作成複合粉末，再以粉末冶金的熱均壓與燒結方式製作成胚料，以提供後續加工使用。 其中，以粉末冶金方式可以有效產製微米級粒徑且均勻分散之複合材料組織，為其最大優點。兩種方式製作的鋁合金複合材料胚料，再透過鍛造的方式製作成結構用產品，如汽車底盤零件等。

然而，由於鋁基複合材料胚料具有高強度及高硬度的特性，熱變形阻抗極高、加工性不良，進行複雜形狀之鍛造成形時易發生破裂的現象為其衍伸之問題。此外，對於該類材料以鍛造製程來生產中空式結構件時需先以預加工方式移除部分材料，再注入其他液相介質或細小粒徑的固相顆粒，封孔後進行鍛造加工。之後，移除該類物質以獲致所需之中空鍛件。由於整體流程工序困難度與限制極多，中空製造過程中材料的移除也降低此類珍貴複合材料的有效得料率降低經濟性，因而限制材料在汽車結構部品方面的應用，也無法呈現鋁基複合材料高剛性所帶來輕量化的顯著效用。

緣是，本發明之功用乃在於藉由合宜之非金屬第二相組織材料的添加於鋁合金粉末基材中，並計算出複合材料之楊氏模數，以得到設定百分比之粉末組成。個別金屬與非金屬粉末製造後，經均勻混合燒結，再採用氣體霧化法製作成恰當粒徑的鋁合金/碳化矽複合粉末材料，以供後續雷射積層列印製造使用。雷射積層列印製造前，先以電腦輔助精密計算與模擬結構材經造型優化後之應力分佈與耐久性。經由反覆驗證修正後， 從而設計出中空造型之結構件。而後，再透過雷射積層製造技術，依設計之圖面製作成結構件。結構件可經過熱處理以進一步提升機械性質與適度的輕加工後，即可獲得所需性質之結構體。本發明之生產流程如第2圖所示。以下茲配合實驗例用以說明本發明之新穎性與性質的優異性，但並非用以限制本發明之用途與適用範圍。

本發明針對不同的結構件強度與特性需求在鋁基材料方面可選用鍛造用AA6xxx、AA7xxx或鑄造用A356、A380等等系列材料作為主要金屬基材粉末製造來源，而後搭配非金屬第二相高楊氏模數強化材料。 第二項強化材料混合比依結構設計需求，可以彈性調整。一般為同時滿足強度衝擊韌性與輕量化的需求，添加的體積比在5%到45%間；太低的添加量無法有效提升材料的剛性，太高的添加量會大幅增加複合材的脆性，同時降低加工性。第3圖所示為本發明以A6082鋁合金基材搭配不同體積比的碳化矽複合材所的到的密度與楊氏模數之實測值。顯見第二項強化相添加對楊氏模數之提升效用。兩種材料經製作成適當大小之粉末後進行混合均勻攪拌。

該均勻混合攪拌粉末狀態之複合材料以習知之粉末冶金製程進行燒結形成固體塊狀，而後置於保護氣氛下加熱至液態狀，再進行霧化處理，以得到所需之複合材料組成與合於後續以雷射堆積列印之粒度粉末。

以電腦輔助進行結構件的優化設計與性質模擬，設計出最佳之造型與計算最大之輕量化效果並確定構件之最終造型。之後，依所訂的造型設定雷射堆積列印程式之運行路徑。

接著進行雷射堆積列印，印製出所需之結構件。完成之結構件得以均質與時效處理，進一步改善鋁基材的機械性質。而後，經由簡易之輕加工即可完成最後所需之高剛性、輕量化之優越性質的複合材料結構件。

依本發明所建立的生產技術，在金屬基鋁合金粉末的選用方面，可以圓滿的適用於各式常用的結構用鋁合金系列材料，舉凡常用的鍛造用6xxx系列、7xxx系列抑或鑄造用的A356、A380等等鋁合金組成成分均可作為粉末之基材。而後，依結構楊氏模數與強度需求搭配第二相非金屬強化相，如碳化物、氮化物或氧化物等等粉末，配製成雷射堆積列印所需粒徑之複合粉末材料。第3圖所示即為本發明所使用不同體積比的第二相非金屬強化材料添加合成複合材料與傳統鋁合金之楊氏模數與密度值。

本發明鋁基複合粉末中第二相非金屬之高楊氏模數化合物之體積比可從2%到50%。然而，少量的添加無法有效提升複合材的剛性、過多的添加又會造成本體結構脆性的增加，而難以滿足結構件對於衝己韌性與抗疲勞強度的需求。依本發明所得，合宜的第二相非金屬粉末材料的添加量在5%到45%間。

依本發明鋁基複合粉末材料經上述所陳方法，在汽車結構件的產製方面證實可以有效的達到輕量化的效果。在比較以傳統使用6082鋁合金鍛造製成所生產的鍛件，以及使用本發明以AA6061搭配25%體積比的 碳化矽複合材粉末所雷射堆積列印的中空結構件兩者，其重量可從傳統鍛造鋁合金結構件的8.8公斤減至6.8公斤，輕量化的幅度達22.7%，效果極為顯著，誠為一深具創新性與實用性之發明。第4圖與第5圖所示分別為以傳統鍛造鋁合金結構件與本發明鋁基複合粉末材料經雷射堆積列印的中空結構件之縱向與橫向剖面圖。

本發明製程之成品不獨適用於汽車結構件的使用，對於高階機車需求輕量化的部件也一體適用。

210‧‧‧鋁合金粉末選用

212‧‧‧第二相非金屬強化材粉末選用

220‧‧‧鋁合金與強化材粉末混合燒結

230‧‧‧燒結胚重熔與氣體霧化製造複合材料粉末

240‧‧‧電腦輔助結構優化中空造型設計

250‧‧‧雷射積層列印製造中空結構件

260‧‧‧成形件熱處理

270‧‧‧機械加工

280‧‧‧成品

410‧‧‧傳統鍛造實心結構件之縱向剖面圖

420‧‧‧傳統鍛造實心結構件之橫向剖面圖

510‧‧‧雷射積層列印製造中空結構件之縱向剖面圖

520‧‧‧雷射積層列印製造中空結構件之橫向剖面圖

第1圖 係本發明所使用第二相非金屬強化材料之楊氏模數與密度。

第2圖 係本發明之鋁基複合材料粉末的配製，運用雷射堆積列印方式，以產製中空結構組件之流程圖。

第3圖 係本發明所使用不同體積比的第二相非金屬強化材料添加合成複合材料與傳統鋁合金之楊氏模數與密度值比較。

第4圖 為以傳統鍛造鋁合金結構件之剖面圖。

第5圖 為本發明鋁基複合粉末材料經雷射堆積列印的中空結 構件之剖面圖。

210‧‧‧鋁合金粉末選用

212‧‧‧第二相非金屬強化粉末材料選用

220‧‧‧鋁合金與第二相非金屬強化粉末材料混合燒結

230‧‧‧燒結胚重熔與氣體霧化製造複合粉末材料

240‧‧‧電腦輔助結構優化中空造型設計

250‧‧‧雷射積層列印製造中空結構件

260‧‧‧成形件熱處理

270‧‧‧機械加工

280‧‧‧成品

Claims (9)

1. 以雷射堆積列印鋁基複合材料產製中空結構組件之方法，包含下列之步驟：(a)選用恰當的鋁合金粉末與非金屬第二相高楊氏模數之碳化物、氮化物或氧化物粉末；(b)而後依產品需求計算出所需複合材料之楊氏模數，並依此調配所需第二相非金屬化合物粉末之體積添加比例；(c)兩種粉末經均勻攪拌混合燒結，再採用氣體霧化法製作積層製造用之鋁合金/非金屬第二相複合粉末材料；(d)之後，以電腦輔助精密計算與模擬結構材經造型優化後之應力分佈與耐久性後，反覆驗證修正，從而設計出中空造型之結構件；(e)而後，再透過雷射積層列印製造技術，依設計之圖面製作成所需之零件；(f)零件經過熱處理進一步提升機械性質與適度的輕加工後，即可獲得所需性質之結構體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中雷射堆積列印鋁基複合材料粉末中，鋁基金屬原素材，可為鍛造用6xxx系列、7xxx系列抑或鑄造用的A356、A380等鋁合金組成成分。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中雷射堆積列印鋁基複合材料粉末中，添加之高楊氏模數之非金屬第二相強化材料粉末可為碳化物、氮化物或氧化物系列等組成成分。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中鋁基複合材料粉末中，添加之高楊氏模數非金屬第二相強化材料粉末之體積比在5%至45%之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中鋁基複合材料粉末經第二次混合燒結，再採用氣體霧化法製作雷射積層列印製造用之合用粒度的鋁基複合粉末材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其係以電腦輔助精密計算與模擬結構材，經由造型優化後之應力分佈與耐久性分析後，從而設計出中空造型之結構件；而後，再透過雷射積層列印製造技術，將上述合成之複合材料粉末依設計之圖面製作成零件。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，雷射積層列印製造之結構件可經由熱處理與輕加工後使用。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，雷射積層列印製造之結構件亦可不經由熱處理與任何加工後直接使用。
9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，本發明產品適用於汽車結構件的使用，對於高階機車需求輕量化的結構部件也一體適用。