本研究採用田口方法作為實驗設計架構，以優化Inconel 718粉末於指向性能量沉積(DED, Directed Energy Deposition)之製程參數，並以一航太元件進行加減法製程驗證。實驗中選定雷射功率、進給速度、供粉率與重疊率等四項控制因子，並以孔隙率作為品質特性，尋求最佳化的參數組合。研究結果顯示，最佳參數為雷射功率 800 W、供粉率 8 g/min、掃描速度 600 mm/min，其對應孔隙率僅為 0.02%。將最佳化參數應用五軸加減複合加工機進行航太元件粗胚沉積製造，並將製出之胚料進行切削加工，為了降低製造過程中實機碰撞風險，並完成加工程式之測試，乃運用虛擬製造系統進行加減法模擬驗證，所完成之航太元件符合尺寸與幾何精度之需求。
前言
近年來，歐美各國將金屬積層製造技術應用於各種產業，如工業、航太、以及醫材領域等。這些產業對於產品在設計上的特殊需求日益增加，如對於深槽、深孔、方角與高深寬比的特殊需求以及複雜型貌加工，甚至模具內部複雜水路或輕量化結構，而醫材方面也應用於植入物的表面粗化、孔洞結構、中空及輕量化結構的需求等，解決傳統加工方法無法將這些特殊的設計需求加以製作或實現的困境。而積層製造技術可擺脫減法式加工技術限制，以堆積製造之加法式製造方法加工，可解決上述傳統加工所遭遇之瓶頸與限制，進一步縮短複雜工件之設計製作工期，免除多道製程以及轉換加工機所需的時間，大幅提升製造效率。金屬積層製造技術特色在於實踐難以製作複雜形貌、複雜流道及內部結構，與傳統製造加工方式相比，可由兩個方向作為切入點進行比較。一為複雜少量及客製化批量製造，如複雜金屬零組件快速打樣、模具製作、客製化醫材製造等；二為複雜零組件的製造，如異形水路模具、具散熱及內流道元件應用、輕量化零組件，甚至特殊結構之功能性醫材等，傳統加工方法可能需要透過如五軸數值控制加工機製作，以及生產設備的轉換，影響生產效率，積層製造技術在直接複雜成型上具有相當大的優勢。2020年M.C.Sow等人[1]針對雷射光斑大小(80-500µm)對於選擇性雷射熔融成型(SLM)之影響，利用大光斑雷射具有以下優點：(1)通過減少掃描線的數量來適度提高生產率；(2)幾乎完全抑制了粉末飛濺而導致之降解現象(粉末均勻性的局部損失是由於產生的體積能量密度低以及有害的汽化效果受到限制，導致飛濺物的重新沉積)；(3)製造幾乎完全緻密的Inconel 625零件。Dennis Karlsson等人[2]提出，積層製造時生產的合金具有非均向性，在垂直於構建方向的方向上具有最高的拉伸強度，且製作出樣品的機械性能與晶粒大小有關，晶粒越小強度越高。2008年以英國為基礎的8個單位所組成的聯合團隊[3](包括：Delcam、Renishaw、Electrox、TWI、Precision Engineering Technologies、Cummins Turbo Technologies、Airfoils Technology International、De Montfort University)基於成本、快速且可靠的再製應用，已經開發出一完全整合地生產系統與軟體，在最少人為的干預下針對高值化元件進行修復。此計畫簡稱為RECLAIM (REmanufacture of high value products using a Combined LAser cladding, Inspection and Machining system)，此計畫將使得英國於再製方面的科技領先其他國家。此單一平台包括：1.高速掃描模組；2.快速雷射熔覆；3.高效率加工；4.適應性CAD/CAM系統；5.系統自動化；6.工作流管理。此新系統聚焦在損壞元件的修復、新金屬元件的製造、淘汰零件的更新、更新標準零件。Jason Jones等人[4]，探討RECLAIM的研究與開發。以航太渦輪葉片的修復為例，包括元件對位、缺陷辨識、缺陷移除、缺陷修復、以及精加工，此系統本質是以最大彈性以面對再製環境中所存在的最多變數。Jeng and Lin[5]提出一雷射熔覆與銑削複合製程於模具修復與修正的應用。金屬粉末積層製造技術建立模具的材料，而模具精度則由銑削方式獲得。S. Suryakumar等人[6,7]提出一混合積層製造(Hybrid Layered Manufacturing)程序，其結合CNC加工(減法製程)高幾何品質，以及快速原型(Rapid Prototyping, 加法製程)從設計至實體模型無人為干預快速製程的優勢。此製程首先以電弧銲產生接近淨形(near-net shape)，再以CNC切削進行精加工。此製程可節省時間與成本，此效益主要歸因於簡化NC程式設計的複雜性以及免去粗加工的製程。Tabernero等人[8]，以Inconel 718熔覆成型拉伸試驗棒，搭配長、短往復及螺旋路徑之成型策略。Yuwen等人[9]，將Ti6Al4V合金粉末熔覆於Ti6Al4V基板，改變雷射功率、供粉速率、雷射掃略速率，探討熔覆層之幾何樣貌，並針對成果做變異數分析，探討參數影響結果之權重，並建立預測模型。Gangxian Zhu等人[10]在提出為避免多層披覆能量累積而影響融池尺寸，使用每層能量遞減的方式改善，並在30層之後能量不再變動。
本研究的主要目的是探討如何優化DED技術的製程參數，以實現更高品質的積層製造。本研究將透過田口方法分析製程參數對產品孔隙率的影響，包括雷射功率、掃瞄速度、供粉率和重疊率，確定最佳的參數組合，從而提高積層製造的產品品質。透過五軸加減複合加工機與虛擬製造技術來進行從沉積零件胚料到切削加工完成一系列流程，本文研究流程如圖1所示。
實驗設備
本研究使用東台精機股份有限公司之 AMH-350五軸加減複合機進行DED製程，如圖2所示，其使用OPTOMEC雷射融覆系統(圖3)，五軸加減複合機是結合加法製造和五軸切削加工的優勢，能夠在製造領域帶來更多的應用靈活性和效率提升，詳細規格如表1。
田口實驗方法與孔隙率
田口方法(Taguchi Methods)，是一種統計實驗設計方法，旨在減少試驗次數、提高效率並最大化獲得可靠的結果。此方法在提高產品品質、優化製程和降低成本提供了有效的方法和策略。在直接能量沉積(DED)實驗中，有三項重要的因子，分別為雷射功率、供粉率、掃描速度。雷射功率指的是用於熔化金屬粉末或線材的能量功率，這個參數對最終成品的特性和品質有著直接的影響，雷射功率的改變會影響到熔池的溫度和大小，當雷射功率增加時，產生的熔池會更大，使得熔融的金屬材料量增加，這可能導致成品表面粗糙或產生裂縫。本次實驗中使用金屬粉末為Inconel 718，雷射光斑直徑為0.8mm，雷射功率則設定800W、700W、600W、500W共計四個水準作為後續田口法之實驗。供粉率的調整會影響成品的表面質量、密度和熔池的形成。供粉率太多或太少都可能導致積層問題，供粉率過多可能造成熔池過大、溫度難以控制，表面粗糙度增加，而供粉率過少則可能導致成品表面品質差、密度不足，甚至出現裂縫或空洞等問題。供粉機是經由控制器來控制粉末轉盤轉速來調整金屬粉末供應量，經過測試1rpm約等5g/min，本次實驗設定4水準為 4g/min、6g/min、8g/min、10g/min。在直接能量沉積製程中，掃描速度、雷射功率和供粉率之間存在密切相互關聯，掃描速度為控制雷射束在表面移動的速度，較快掃描速度通常會降低每層材料的熔化時間，但也可能降低熔化深度和熱量輸入。本次實驗設定水準為400mm/min、600mm/min、800mm/min、1000mm/min。本研究之控制因子與水準如表2所示，直交表L16 (43)如表3所示。
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