激光辅助渐进成形技术 轻量化金属零件创新工艺

铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢等质轻且具有高强度的金属,在汽车零部件、医疗设备、电子消费品、家庭电器等领域广泛应用。不过,当传统的沖压成形技术应用于制造此类金属零部件时,经常面临成形载荷过高、材料成形能力差等问题,对产品质量、生产效率及模具保养,都造成不良影响。为克服传统高强度轻量化金属加工过程中的缺陷,生产力局与德国弗劳恩霍夫生产技术研究所(Fraunhofer Institute for Production Technology / IPT)合作,开发了「激光辅助渐进成形技术」,突破了多年来的技术瓶颈。

生产力局智能制造及冶金组首席顾问单铭贤表示,在轻量化金属的成形过程中,利用激光于变形位置进行局部加热,既可降低成形载荷,亦可提升轻量化金属的成形能力,有助提高生产效率20%至40%、延长模具寿命50%以上,有效节省成本。生产力局智能制造及冶金组首席顾问单铭贤表示,在轻量化金属的成形过程中,利用激光于变形位置进行局部加热,既可降低成形载荷,亦可提升轻量化金属的成形能力,有助提高生产效率20%至40%、延长模具寿命50%以上,有效节省成本。

解决工艺瓶颈的关键,是在沖压成形的过程中,对将发生较大变形的位置集中用激光加热,提高材料局部的成形能力。由于激光能量集中、容易控制、加热速度极高,是理想的局部加热工具,适用于辅助渐进成形技术。

虽然是崭新的工艺,但厂商毋须更换沖床,只需在模具的适当位置加装激光加热装置,配合技术参数设定,便可以把工件特定部位加热。工件在局部加热下进行沖压,可得出所需的具有复杂几何形状的金属零部件。由于可沿用工厂现有的硬件设备,所以新工艺涉及的投资主要是系统改装,回本期只需一年左右,视乎设备使用率而定。

生产力局与德国Fraunhofer IPT合作开发的激光辅助渐进成形技术设备。生产力局与德国Fraunhofer IPT合作开发的激光辅助渐进成形技术设备。

生产效率提高20%至40%
模具寿命延长50%以上
成形载荷降低30%

提升生产效率和品质

在金属成形技术中利用激光辅助,能有效提升金属零件的生产效率和品质。

生产效率方面,材料经过激光辅助加热之后,其成形载荷可大幅降低30%左右,因而减轻沖压对模具的磨损,模具寿命甚至可延长数倍,节省模具的维修保养时间及成本。另外,由于激光能量直接被工件吸收,有助缩短加热和冷却週期,令生产效率倍增,而且成形后的工件快速散热至常温,可避免运输热工件的问题。

至于产品品质,由于激光可局部加热工件,易于控制温度和能量,因此工艺更加精准灵活,可制造尺寸精准及形状复杂的零件。利用这种方式提升材料的成形能力,工件成形效果可媲美成本高昂的精沖件(Fine Blanking)。

图右为使用激光辅助渐进成形技术制造的部件,与图左的传统方法相比,可见利用激光可提升材料成形能力,解决裂纹问题。图右为使用激光辅助渐进成形技术制造的部件,与图左的传统方法相比,可见利用激光可提升材料成形能力,解决裂纹问题。

是次「激光辅助渐进成形技术开发计划」获香港金属制造业协会的支持,邀得三家先导企业试用该技术,主力生产使用高强度金属的汽车零部件。「计划」蒐集了工艺参数和生产数据、掌握模具设计方法,并分析技术的可行性、效益、回本期和限制,并把当中的经验编制成《工艺指南》,供业界参考。下一步,生产力局会让业界伙伴试用技术,将技术逐步产业化。

「激光辅助渐进成形技术」详情,或查询智能制造及冶金顾问服务,欢迎与生产力局联络。