2021年3月雜誌專題3D列印

日本氣霧法金屬粉末新應用

■溢井有限公司

前言

日本山陽特殊製鋼是以製造特殊鋼軸承鋼、工具鋼開始,鋼材的優勢包括:清淨度、低含氧量、低介在物,在日本軸承鋼市場佔有率第一,在世界各地皆獲得最好的評價。

日本山陽的粉末事業部開始於西元1987 年,金屬粉末製造工廠裡,擁有全世界最大的2 噸真空熔解爐,以及300 公斤、200 公斤……小至2 公斤的試作爐。高純度的合金粉末及量產都能對應,日本山陽擁有1,000 種以上的合金製造實績,少量試作皆能對應,對於開發新產品都有所貢獻。

 

真空氣霧法及合金配比

透過真空誘導熔解,配合惰性氣體之噴霧法製造的金屬粉末,如同山陽軸承鋼、工具鋼等製品般優異,能有效控制合金組成成份。除此之外,山陽金屬粉末的製程為真空誘導熔解之氣霧法的方式,因此能夠得到低含氧量、流動性佳、且較圓的球狀粉末、填充密度也非常高。

這些高機能金屬粉末都具備「高清淨度」、「低含氧量」的特性,其中包含鐵基(Fe)、鎳基(Ni)、鈷基(Co)、純鈦(Ti)、鈦合金、鋁基(Al) 為主的金屬粉末,應用於3D 金屬列印、硬焊焊膏用粉末、熱噴塗、冷噴塗、電磁波吸收材、表面處理……等。

 

應用案例

3D 金屬列印

根據研究報告,預計於2030 年3D 金屬列印的應用會再增加5~10% 以上的需求,應用在航太、醫療技術、汽車零組件以及模具等領域。由於3D 列印為加法製造,因此3D 列印的優勢能克服傳統之工具機加工沒辦法達到的「異型水路」以及「特殊形狀或複雜結構之成型品」,另外搭配「拓樸優化」的設計,更能讓列印的工件具備輕量化及功能性。因此,金屬3D 列印能補足傳統工具機加工(減法製造)的限制,而除此之外,各產業藉由3D 金屬列印能縮短研發時間實現產品週期,由於少了昂貴的模具生產費用,3D 金屬能列印複雜、小批量、客製的工件或模具,整體而言,在時間成本及製造成本上都較為節省。

 

日本山陽特殊製鋼目前有兩臺EOS 機器(EOSINTM280, EOSM290),專門用來進行3D 列印金屬粉末的研發。從表一中,我們可看出金屬粉末與成型品之相關性。由於山陽金屬粉末之特性,以3D 金屬列印「異型水路模具」或「零件」時,不論是機械特性、密度及耐蝕性都非常好,說明如下:

• 穩定地鋪粉並燒結→成型後的工件密度高;
• 清淨度高、含氧量低→工件的抗拉強度、疲勞強度…等特性更佳。

而日本山陽廠內,亦會針對列印完成後的成型品進行機械性質、疲勞性質、耐蝕性試驗等……等檢測(如圖2)。

圖1:左圖為日本山陽廠內的兩臺EOS 德國製3D 金屬列印機;右圖是以EOS 設備及日本山陽的金屬粉末列印而成的成型品案例

高導磁率抑制雜訊

日本山陽在軟磁性粉末(FeSiAl 扁平磁性粉末) 上之應用,在臺灣、日本及韓國,廠商皆使用此磁性扁平粉末製作出導磁率μ’200 的軟磁性電磁波吸波片,例如:韓國3C 大廠主要應用在電子產品的吸波片。日本山陽於2020 年亦開發了磁性球型/ 扁平金屬粉末,不同粉末類型有不同的導磁特性,其中,球型磁性粉末非常符合各種電感作動頻率所使用;像是高導磁率的扁平粉末,適用於HF 頻帶的IC TAG 天線、5G通訊的Sub-6 GHz 領域,也適用於100MHz 頻帶的電感元件和UHF 頻帶(860~960MHz),由於不同類型的粉末,搭配合適的頻帶時,對於抑制雜訊並展現出高虛部導磁率之特性,更有其效果。

此外,超高導磁率PC-PERMALLOY 粉末,其擁有非常高的初始導磁率(25,000μm),及低保磁力兼具高透磁率的特性,可用於小型高感度、高性能電子零件,應用於例如:磁頭、音響機器、數位相機、計測器的鐵心、電磁波遮蔽材,以及車用感測器等用途上。

 

結語

日本山陽專注於金屬粉末的開發邁入數十多年,日本山陽以最新的設備、以及運用山陽獨家技術製作,能夠穩定成份低偏析、低含氧、高流動性,因此金屬粉末的穩定度非常好。

另外,各元素的成分比例和粉末的後續使用的機械性質、導磁率……等皆為正相關,因為山陽能非常精準的控制,所以材料的偏析也非常低。■

圖2:3D 金屬列印後的產品檢測

表1:金屬粉末之優勢特性與成型品的影響性

SMARTMolding編輯部

《ACMT 模具與成型智慧工廠雜誌》(ACMT SMART Molding Magazine),將擴大報導,如「先進成型技術」、「3D 列印」、「模具製造」、「智慧工廠」、「數位化轉型」、「自動化」等領域,為讀者帶來更多全新內容。內容上未來也將對業界的企業進行一連串的採訪報導,報導範圍不會僅限於臺灣,同時預計也推出對華東、華南,以及東南亞等地區的各家企業進行採訪報導,帶各位讀者領略這些企業的崛起過程與成功經驗。

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