TWI766465B - 摩擦攪拌積層製造金屬件之方法 - Google Patents

Abstract

一種摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其方法包含：提供一金屬件的模型資訊及一摩擦攪拌銲接工具，模型資訊包含數位化立體模型、相應數位化立體模型的分區資訊和相應分區資訊的材質資訊；相隔一間距劃分數位化立體模型為多個平行的分層資料並製成外形、材質相應的金屬板材；以對應於首層分層資料的金屬板材作為一底材，對應於次層分層資料的金屬板材作為一積材；將積材堆疊於底材之上進行摩擦攪拌銲接，達成積材與底材之面接合；重覆進行前述下一分層資料的積層製造步驟，直至完成所有的分層資料銲接作業。

Description

摩擦攪拌積層製造金屬件之方法

本發明為一種摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，特別是有關於一種應用摩擦攪拌積層製造有效率地進行大型工件之銲接，同進能進行工件之製造缺陷消除及工件之機械性質提升的金屬板件積層製造方法。

摩擦攪拌銲接由英國銲接研究所(The Welding Institute,TWI)於1991年所發展出來之新式銲接方式。由於摩擦攪拌銲接具有優於傳統銲接之銲接品質優勢，在國際間已大量應用於鋁合金相關產品，而近年來世界各地推行節能減碳與環保材料應用之風潮、以及車體結構輕量化、能源電能車之相關政策推動等等，使得鋁合金之產應用與摩擦攪拌銲接需求更逐年廣泛。

積層製造技術(Additive Manufacturing,AM)其製造時由3D模型數據來堆積材料使物體成形的方法，有別於減法加工，是以逐層添加材料製造元件。但傳統金屬積層製造仍有積層速率、積層材料性質、積層體積與積層成本等待突破的重點。若以較新穎之技術：摩擦攪拌固相積層製造(Friction Stir Additive Manufacturing,FSAM)，將以固態積層之方式將材料堆疊成所需幾何形狀，不僅製備鋁鎂輕合金相變問題，也能有效避免積層材料內部孔隙與凝固缺陷，使積層材有優越之機械性質。

如圖1所示。台灣專利公開編號第TW 202005735A號公開一種 摩擦攪拌積層製造方法，包含下列步驟：製備一金屬基板P2、一送料單元P4、一銲接刀具P5，及一用來驅動該銲接刀具P5的驅動單元P7，該銲接刀具P5具有一壓抵面，及一凸出於該壓抵面的攪拌頭；該送料單元P4將一個該金屬原料P3送至該金屬基板P2上；該驅動單元P7驅動該銲接刀具P5轉動並將該壓抵面壓抵於該金屬原料P3，藉由該壓抵面與該金屬原料P3摩擦提高溫度並藉由該壓抵面對該金屬原料P3施加壓力，再利用該銲接刀具P5的該攪拌頭攪拌使該金屬原料P3銲合在該金屬基板P2上；重複上述「該送料單元將一個該金屬原料送至該金屬基板上」步驟及上述「該驅動單元驅動該銲接刀具轉動並將該壓抵面壓抵於該金屬原料，藉由該壓抵面與該金屬原料摩擦提高溫度並藉由該壓抵面對該金屬原料施加壓力，再利用該銲接刀具的該攪拌頭攪拌使該金屬原料銲合在該金屬基板上」步驟，以完成一堆疊層；在最上層的該堆疊層重複「完成一堆疊層」步驟；以完成複數堆疊層。惟該技術係採用送料單元P4小量送料(說明書第0022段及其請求項4記載其厚度小於4mm)容易形成供料瓶頸；其次每送一次料需進行一次銲接作業，以預先固定該金屬原料P3於該金屬基板P2上，等舖完並固定完該層金屬原料P3後，尚需進行一次摩擦攪拌銲接補強作業，其在積層製造加工效率上較差，屬於適合小型產品製作時使用；另外，該技術在積層製造產品品質上，亦容易因為缺料，而產生銲接上的缺陷(如銲道不平整、長條孔等)問題。

本發明的目的在於提供一種摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，係應用摩擦攪拌積層製造快速地進行大型板件的金屬立體製品的成型。

為達成上述方法之目的，本發明提供一種摩擦攪拌積層製造金屬 件之方法，其步驟包含：一前期步驟：提供一金屬件的模型資訊及一摩擦攪拌銲接工具，該模型資訊包含一數位化立體模型、一於該數位化立體模型劃分的分區資訊和對應於該分區資訊之一材質資訊，該分區資訊包含一第一區與一第二區，該第一區的材質相異於該第二區的材質，其摩擦攪拌銲接工具具有一攪拌肩與自該攪拌肩端面凸出的一攪拌銷；一分層製板步驟：以相隔一間距劃分該金屬件的立體模型為多個平行的、依序排列的二維截面輪廓之分層資料，並依據每一分層資料的二維截面輪廓製成相應的金屬板材，每一該些金屬板材的厚度係與對應的間距一致，且該間距小於該攪拌銷的長度；一對應步驟：以對應於底部起算之第一層分層資料的金屬板材作為一底材，並依序將第二層分層資料所對應的金屬板材作為一積材；一摩擦攪拌銲接步驟：將該積材堆疊於該底材之上，驅動該摩擦攪拌銲接工具轉動並對該積材與該底材接觸介面進行摩擦攪拌銲接，達成面接合；以及一重對應步驟：將接合後的該底材與該積材作為新的底材，並將下一層分層資料所對應的金屬板材作為新的積材，並依序重覆進行該摩擦攪拌銲接步驟及該再對應步驟，直至完成所有的分層資料的銲接作業而成形該金屬件。

在一些實施例中，該些分層資料的二維截面輪廓之截面積至少有一層不相同，即該金屬件的立體模型具有非垂直的側壁。

在一些實施例中，該些金屬板材的厚度為0.5mm至26mm。

在一些實施例中，該摩擦攪拌銲接步驟的積層速度大於2500m³/min。

在一些實施例中，該金屬件的結構組成包含一再生材區域與一原生材區域，且對應的金屬板材的型態包括該金屬板材為再生材、該金屬板材為 原生材，或該金屬板材為部分再生材、部分原生材。

在一些實施例中，該原生材之金屬板材係為鋼材、碳纖維、鋁合金、鎂合金、鎳合金或銅合金。

在一些實施例中，該再生材之金屬板材係為鋼材、碳纖維、鋁合金、鎂合金、鎳合金或銅合金。

在一些實施例中，在再生材金屬板材作為該積材進行摩擦攪拌銲接時，可在該積材表面添加碳化矽或三氧化二鋁顆粒，以提升該位置的機械性質。

本發明的再一目的在於提供一種帶有刀刃的摩擦攪拌銲接工具，應用半徑大於攪拌肩的刀刃將摩擦攪拌銲接過程中產生的毛邊堆積及銲道整平。

為達成上述裝置之目的，本發明提供一種帶有刀刃的摩擦攪拌銲接工具，其結構包含：一夾持部，係用以安裝至一摩擦攪拌銲接設備之旋轉主軸；一攪拌肩，係形成於該夾持部之一側；一攪拌銷，係自該攪拌肩端面凸出；以及一套筒，係套接於該摩擦攪拌銲接工具外徑，其具有一靠近該攪拌肩並徑向突伸之刀刃，該刀刃的刃部朝向該攪拌肩的同側。

在一些實施方案中，該套筒更包含多個散熱片，係環設於該刀刃之上方之該套筒外徑。

本發明的至少具有下列特點：本發明具有高效能的積層速率，不會有材料緻密度不均等問題，能改善材料組織細緻化，並在製造大型工件印製或產品上具備其優勢。本發明利用摩擦攪拌製程進行金屬材料積層，具有高強度與高品質的積層效果，將解決積層製造緻密性與疊層強度問題。本發明透過 將疊層間之材料進行固態攪拌，將具有晶粒細化的功效，提升強度與疲勞壽命，並達到最高速之積層速率。對於大型結構件採用本發明，將達到材料利用率高，並結合回收鋁料之應用，具備材料循環再利用之優點。在應用上，特別是5G天線訊號量測裝置使用拋物面反射器，為取代傳統遠場測試，將測試範圍距離縮短，反射鏡的尺寸是重要的，它的最低工作頻率取決於反射鏡的尺寸，本發明對於在製造大型工件印製上具備相當程度的優勢，摩擦攪拌積層製造仍具有高效能的積層速率，且本發明可善用回收鋁料或廢鋁結合摩擦攪拌達到製造大型構件的積層製造，並可達到高品質之需求，以再生鋁料使用在不直接影響品質的高結構強度部件中，再以原生材料使用在要求品質的部件上，使產品提高環保性，並提高回收材料(如鋁料)之材料價值。本發明可應用外掛於攪拌頭的刀刃，將摩擦攪拌銲接過程中，於加工工件表面產生的毛邊堆積推平並填入於銲道，提升產品表面的平整度，省去表面加工製程。

1:摩擦攪拌銲接工具

11:夾持部

12:攪拌肩

13:攪拌銷

14:套筒

141:刀刃

142:散熱片

2:金屬件

20:模型資訊

201:數位化立體模型

202:分區資訊

2021:第一區

2022:第二區

203:材質資訊

21:金屬板材

21A,21B,21C,21D:金屬板材

21E,21F,21G,21H,21I:金屬板材

22:底材

23:積材

3:分層資料

4:銲道

41:攪拌區

5:毛邊

C:虛擬切割線

L:長度

P2:金屬基板

P3:金屬原料

P4:送料單元

P5:銲接刀具

P7:驅動單元

S:間距

T:厚度

R:再生料板

O:原生料板

S11~S16:摩擦攪拌積層製造金屬件之步驟

[圖1]為先前技術之摩擦攪拌積層方法的結構示意圖；[圖2]為本發明一實施例之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法流程圖；[圖3]為本發明一實施例之摩擦攪拌銲接工具剖面示意圖；[圖4A至4J]為本發明一實施例之進行摩擦攪拌積層製造金屬件之結構對應流程圖；[圖5]為本發明一實施例之摩擦攪拌積層製造金屬件之摩擦攪拌銲接立體圖；[圖6]為本發明一實施例之摩擦攪拌積層製造金屬件之面接合示意圖； [圖7A至7B]為本發明實施例之摩擦攪拌積層製造金屬件之改質示意圖；[圖8]為本發明一實施例之異質材料混合使用示意圖；及[圖9]為本發明一實施例之5G高頻亳米波拋物面反射境之立體圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請。另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包括”將被理解為意指包括所述元件，但是不排除任何其它元件。

請參照圖2、圖4A至圖4L所示。本實施例之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，包含：一前期步驟S11、一分層製板步驟S12、一對應步驟S13、一摩擦攪拌銲接步驟S14、一重對應步驟S15以及重覆銲接步驟S16。

該前期步驟S11，係提供一造型相應於該金屬件2的模型資訊20及至少一摩擦攪拌銲接工具1。該模型資訊20包含：一數位化立體模型201、一分區資訊202以及一材質資訊203，該數位化立體模型201係根據最終成的該金屬件2外觀電腦建模而成，該分區資訊202係於該數位化立體模型201上 劃分的不同區域，例如圖4A所示，該分區資訊202包含一第一區2021與一第二區2022，且該第一區2021與該第二區2022具有不同材料的特性之材質資訊203，如：該第一區2021的雜質含量小於該第二區2022的雜質含量。在一實施例中，金屬件2為具有反射電磁波功能及形貌的物件，該第一區2021含蓋金屬件2中的反射表面，該第二區2022為金屬件2於該第一區2021之外的部分。此外，該第一區2021相對於該金屬件2的體積比小於該第二區2022相對於該金屬件2的體積比。另，每個摩擦攪拌銲接工具1，其具有一攪拌肩12與自該攪拌肩12凸出的一攪拌銷13，可參照圖3所示，該摩擦攪拌銲接工具1所選用的尺寸係對應後續可進行摩擦攪拌銲接加工的工件厚度，即後續之金屬板材21的厚度。

該分層製板步驟S12，在建立出該數位化立體模型201後，如圖4A所示，再對該數位化立體模型201進行切片分割，以相隔一間距S的多個虛擬切割線C劃分該模型資訊20為多個平行的、依序排列的包含二維截面輪廓之分層資料3，如圖4B所示，每一該分層資料3包含該二維截面輪廓之外，尚包含與該數位化立體模型1相應的分區資訊202、與該分區資訊202相應的材質資訊203，並依據每一分層資料3的二維截面輪廓與對應的該間距，以及相應於該材質資訊203的材質製成對應的金屬板材21，即：以任一分層資料3的二維截面輪廓對應製成一金屬板材21的週邊型狀、以該分層資料3對應的間距作為該金屬板材21的厚度，如圖4C所示，且每一該分層資料3的間距S小於該攪拌銷13的長度L，亦即任一金屬板材21的厚度將會小於該攪拌銷13的長度L，以利每一互相堆疊的金屬板材21之間的介面可被該攪拌銷13插入並進行有效的摩擦攪拌之面接合。

該對應步驟S13，係以對應於第一層分層資料3(第一層通常是由底部起算)的金屬板材21A作為一底材22，並依序將接下來的一層，即第二層分層資料3所對應的金屬板材21B作為一積材23。

該摩擦攪拌銲接步驟S14，係將所述積材23堆疊於該底材22之上(例如圖4D至圖4E所示)，再驅動該摩擦攪拌銲接工具1轉動，靠近並加壓該積材23，使該攪拌銷13穿透該積材23，並進入該底材22，以利對該積材23與該底材22之接觸介面進行平面路徑方式的摩擦攪拌銲接，以使積材23與該底材22達成高緊密的面接合(包含平面或曲面的接合)，如圖4F所示。

該重對應步驟S15，係將接合後的底材22與積材23重新作為底材22，並將接下來的一層分層資料3所對應的金屬板材21重新作為積材23，如圖4G所示。

該重覆銲接步驟S16，係重覆依序進行該摩擦攪拌銲接步驟S14及該重對應步驟S15，直至完成所有的分層資料3的銲接作業而成形該金屬件2，如圖4H所示，當然，該金屬件2在完成摩擦攪拌積層後，可視需要進一步對其表面進行粗/精加工如圖4I、圖4J所示，以及局部拋光作業。

如圖3所示，前述摩擦攪拌工具1的結構包含：一夾持部11，係用以安裝至一摩擦攪拌銲接設備之旋轉主軸(未圖示)，並隨之轉動；一攪拌肩12，係形成於該夾持部11之一側；一攪拌銷13，係自該攪拌肩12之端面凸出，其凸出的長度為L，係用以插入欲加工的金屬板材21內，並使該攪拌肩12接觸該欲加工的金屬板材21表面進行摩擦。

上述摩擦攪拌工具1的結構包含進一步包含一套筒14，係套接於該摩擦攪拌銲接工具1外徑，使與該摩擦攪拌銲接工具1同軸轉動，其具有一靠近並高於該攪拌肩12之徑向突伸的刀刃141，該刀刃141的刃部朝向的方向 同側於該攪拌肩12的朝向方向。如此可解決在摩擦攪拌積層製造過程中所產生於銲道旁側之毛邊堆積，如圖6所示。

如圖3所示，在另一實施例中，該套筒14可更包含多個環設於該刀刃141之上方的該套筒14外徑的散熱片142，可增加該摩擦攪拌銲接工具1的散熱功效。

續請參照圖4A所示。在一實施例中，前述金屬件2可具有立體曲面外型，亦即由虛擬切割線所切分立體模型20的該些分層資料3的二維截面輪廓至少有一層之截面積大小是不相同的。

另外，在一些實施例中，前述該些金屬板材21的厚度為0.5mm至26mm。

在一些實施例中，該摩擦攪拌銲接步驟中銲接的積層速度大於2500m³/min。

在本發明對底材22及積材23實施摩擦攪拌積層的過程中，如圖5及圖6所示，其可對該積材23進行平面或曲面的面接合，也由於積材23在進行摩擦攪拌銲接的過程中係將整面銲接區域都會輪流摩擦攪拌，因此可將該銲接區域材料在原製造缺陷，如氣孔、縮孔等，在摩擦攪拌過程中產生攪拌區41之後改質，有助於解決缺陷問提，並提升材料的機械性質，如圖7A至圖7B所示。

進一步地，如上述實施例中，在進行上層的積材23摩擦攪拌時，係在該積材23表面可進一步添加強化顆粒，如碳化矽或三氧化二鋁顆粒，透過顆粒比例與分佈控制，再進行摩擦攪拌銲接，以對該區域之金屬板材21進行機械性質之改質，以符合產品所需，如圖7A至圖7B所示。

在一些實施例中，該金屬件2的結構組成可依實際應用的需要包 含再生料板區域與原生料板區域，該原生料板係對應於該第一區為、該再生料板係對應於該第二區，該第一區即原生料板的雜質含量小於該第二區即再生料板的雜質含量，因此在前述將金屬件2製成立體模型20並對應分割成數個金屬板材21時，該些金屬板材21可能有數種型態，包含，整片金屬板材21為再生料板、整片金屬板材21為原生料板，或者是整片金屬板料21為部分再生料板與部分原生料板之組合等型態。前述的再生料板的材質可為鋼材、碳纖維、鋁合金、鎂合金、鎳合金或銅合金、前述原生料板的材質也可為鋼材、碳纖維、鋁合金、鎂合金、鎳合金或銅合金。

值得一提的是，在一實施例中，前述各材料也可混合使用，如圖8所示，其中每個層板的材料，依圖面由下而上依序為鋁合金、鎳合金、銅合金、碳纖維、高強度鋼、不銹鋼，可遂層進行摩擦攪拌銲接，重覆積層而完成一成品。

圖9所示為本發明之應用於5G高頻亳米波拋物面反射鏡之實施例，其可由再生料板R，如環保回收鋁材，製成該反射鏡的側面、中間或底層等區域，在積層至表面區域時再以原生料板O作為摩擦攪拌積層製造，完成基礎外型後，可再經過加工程序及拋光處理程序對表面進行處理。本產品可揭示本發明之高速率積層製造優點，並善用廢鋁材經由將鋁資源使循環，將回收鋁料或廢鋁運用摩擦攪拌達到製造大型構件的積層製造，並可達到高品質之需求，以再生鋁料使用在不直接影響品質的高結構強度部件中，提高環保性，並提高回收鋁料之材料價值。

上述揭示的實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違 背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

S11~S16:摩擦攪拌積層製造金屬件之步驟

Claims (8)

1. 一種摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，包含：一前期步驟：提供一金屬件的模型資訊及至少一摩擦攪拌銲接工具，該模型資訊包含一數位化立體模型，一於該數位化立體模型劃分的分區資訊和對應於該分區資訊之一材質資訊，該分區資訊包含一第一區與一第二區，該第一區的材質相異於該第二區的材質，每個摩擦攪拌銲接工具係具有一攪拌肩與自該攪拌肩凸出的一攪拌銷；一分層製板步驟：以一間距切分該數位化立體模型為多個平行的、依序排列的分層資料，每一該分層資料包含二維截面輪廓及與該數位化立體模型相應的分區資訊、與該分區資訊相應的材質資訊，再依據每一分層資料的二維截面輪廓及對應的該間距及相應的材質製成一金屬板材，且每一分層資料的該間距小於該攪拌銷的長度；一對應步驟：以對應於底部起算之第一層分層資料的金屬板材作為一底材，並依序將第二層分層資料所對應的金屬板材作為一積材；一摩擦攪拌銲接步驟：將該積材堆疊於該底材之上，驅動該摩擦攪拌銲接工具轉動並對該積材與該底材接觸介面進行摩擦攪拌銲接，達成面接合；一重對應步驟：將接合後的該底材與該積材重新作為底材，並將下一層分層資料所對應的金屬板材重新作為積材；以及一重覆銲接步驟：重覆依序進行該摩擦攪拌銲接步驟及該重對應步驟，直至完成所有的分層資料的銲接作業而成形該金屬件。
2. 如請求項1所述之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其中該第一區相對於該金屬件的體積比小於該第二區相對於該金屬件的體積比。
3. 如請求項1所述之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其中該 些分層資料的二維截面輪廓至少有一層之截面積大小不相同。
4. 如請求項1所述之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其中該些金屬板材的厚度為0.5mm至26mm。
5. 如請求項1所述之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其中該摩擦攪拌銲接步驟中銲接的積層速度大於2500m³/min。
6. 如請求項1所述之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其中該第一區為原生料板、該第二區為再生料板，該第一區的雜質含量小於該第二區的雜質含量，任一金屬板材的型態包括：該金屬板材整片為再生料板、該金屬板材整片為原生料板或該金屬板材部分為再生料板，部分為原生料板。
7. 如請求項6所述之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其中該原生料板或該再生料板的材質為鋼材、碳纖維、鋁合金、鎂合金、鎳合金或銅合金。
8. 如請求項6所述之摩擦攪拌積層製造金屬件之方法，其中包含該再生料板之金屬板材作為上層的積材時，係在該積材表面添加碳化矽或三氧化二鋁顆粒後，再進行摩擦攪拌銲接。

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