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CHAPTER 4. 實體自由曲面成型 製造與快速成型. 4.1 實體自由曲面成型製造技術 (SSF). 4.1 實體自由曲面成型製造技術 (SSF). 如同第二章一開始所提及的「市場採納圖 (market adoption S-shaped curves) 」所示，實體自由成型製造領域 (Solid Freeform Fabrication, SSF) 之興起主要是由於大量的廣告宣傳所致。實體自由成 型製造過程有時可描述如下： 工件的需求 藝術工件化 桌上型的加工 快速成型. 4.1 實體自由曲面成型製造技術 (SSF).
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CHAPTER 4 實體自由曲面成型 製造與快速成型
4.1 實體自由曲面成型製造技術 (SSF) • 如同第二章一開始所提及的「市場採納圖 (market adoption S-shaped curves)」所示，實體自由成型製造領域 (Solid Freeform Fabrication, SSF) 之興起主要是由於大量的廣告宣傳所致。實體自由成 型製造過程有時可描述如下： • 工件的需求 • 藝術工件化 • 桌上型的加工 • 快速成型
4.1 實體自由曲面成型製造技術 (SSF) • 鑄造是一個特例，應用在特殊訂單只做一個的原形製造上 • 對於訂單批量在10至500個時，使用立體石版印刷製作模具，則是一種非常有成本效益的方法；機械加工 (machining) 也可以被使用來只製作一件的原型上。
4.1.1 實體自由成型製造與快速成型製程一覽 於商業上平常使用： • 立體石版印刷 (SLA) • 選擇性雷射燒結成型技術 (SLS) • 薄片疊層法成型技術 (LOM) • 熔融沉積成型技術 (FDM)
4.1.1 實體自由成型製造與快速成型製程一覽 比較偏向研究及發展階段之技術： • 使用塑膠、陶瓷、及玉米澱粉之三維噴印法 • 使用塑膠材料之三維噴印法，再利用機械加工進行平面化處理 • 實體底面連續固化法 ( 類似立體石版印刷 ) • 實體沉積建模 ( 是一種加與減的組合 ) 非實體自由成型製造技術 ( 傳統式 ) • 機械加工 (machining) • 鑄造
4.1.1 實體自由成型製造與快速成型製程一覽 • 克萊斯勒 (Chrysler) 公司曾在1990年代做了比較，結果顯示立體石版印刷比其非傳統的原型製造競爭技術，在成本及精度上有著相當的競爭力 ( 該向探討並不含機械加工與鑄造之評估與比較 )。 • 在過去十年中，立體石版印刷 (SLA) 已然成為實體自由成型製造技術 (SFF) 中最常使用的方法，特別是應用於鑄造與射出成型模具中產生原型樣模時，更是如此 • 雷射燒結成型技術 (SLS)、融熔沉積成型技術 (FDM)、薄片疊層法成型技術 (LOM) 均是繼立體石版印刷 (SLA) 之後，非常可行的原型製造方法。
4.1.2 實體自由成型製造技術的歷史 • 第一套商業化的「實體自由成型製造技術－立體石版印刷」的問世，也伴隨著表示CAD物件之「.STL」標準格式的建立；「.STL」是一種改良過的CAD格式，可作為後續進行分層切割之基礎，也可以運用在SLA、FDM、及SLS等原型製作機器之雷射掃描路徑上。
4.1.2 實體自由成型製造技術的歷史 • 足球是不是一個圓球呢？這個答案隨著量測之方式而異；從表面上來看，它是一個完美的球體；然而，如果吾人從近距離來觀測，就會發現它其實是由二十個小的六角形與一些五邊形的皮革綴面所縫製成的；實際上，它只是近似一個球體。
4.1.2 實體自由成型製造技術的歷史 • 如圖4.1所示，格子化的CAD實體模型將會被分層切割成如同紙張堆疊之形式，就如同3D System公司SLI檔案或者是切片檔。其他快速原型製作的機器也會使用相同的分層切割技術，但是也會定義出自己的檔案格式與附加檔名。 • 如果這個物件是顆足球的話，每一個切割出來的層都會是圓形；然而，由於有了格子化的過程，切割出來的並非是一個完美的圓；每一次的切割，都會通過在邊界上的三角形，因此切割出來的每一層 ( 或圓盤 )，實際上，將會是一個有外接圓 (bounding circle) 的多邊形，這個多邊形的邊數取決於格子化的精度要求。
4.2.1 背 景 • 立體石版印刷 (Stereolithography, SLA)」的商品化在1987年開始於3D Systems Inc. 公司 ( 請參見Jacobs, 1992, 1996)。這項技術的製程請參見圖4.2。 • 這項技術的發展歷程而言，可以經由光凝化(photocurable) 的液體之開發乃是為了用在印刷工業 (printing industry) 以及傢俱之漆封上的。而用在傢俱之漆封上的時候，為了避免致癌溶劑 (carcinogenic solvents) 之使用，紫外線 (ultraviolet, UV) 凝化製程乃被開發了出來。
4.2.1 背 景 • SLA是如何從這些發展出來的：SLA的發明者一定已經看過了光凝化液體是如何的被一層一層的塗在椅腳上以形成固態形狀之流程。然後，因為使用氦鎘 (Helium-Cadmium) 雷射可以提供比簡易型紫外線弧光燈更集中的能量型態，並且1980年代早期微處理器價格的急遽降低也幫了很大的忙，使得在SLA機器上的雷射控制以及CAD資料的格子化 (tessellation) 程式的開發更加方便。
4.2.1 背 景 • 就生產製程而言，一旦第一層凝化了，升降設備就可以依照所要求的精度下降約50到(0.002到0.008吋 )，以產生另一層，而不同層之間可以藉由其自身的熔化結合在一起。製程結束的時候，升降設備可以將整個零件昇高並進一步凝化。 • 在這個零件真正可以被使用之前，後續的凝化 (postcuring) 製程 ( 大概是隔夜的時間 ) 是有必要的。也可以進行手工研磨以去除該零件外形的階梯形狀 (stair-stepping)。 • 要注意的是，圖4.2中的物體懸空的部分大約是其高度的一半，在實際成形的時候，必須使用很細的結構支撐，而這些支撐物可以在完成之後被去除，並加上一些手工研磨加強表面的美觀；如果沒有這些支撐物，水平的部分將會下垂。
4.2.4 立體石版印刷詳述：樹脂 • 雷射提供了更直接的能源，如果施加在可以經由光凝化 (photocurable) 的液體上，而且電腦在建構格子化的時候速度夠快的話，就可以實現SLA製程。跟SLS ( 使用二氧化碳雷射 ) 比較起來，SLA使用的能源較低。 • 光聚合作用 (photopolymerization) 被定義成將許多小分子 ( 單體 ) 與由許多小分子構成的較大的分子 ( 聚合物 ) 連結起來之過程。乙烯基 (Vinyl) 單體乃是由具雙鍵的碳 (C=C) 鍵結並且依附在複雜的群體“R”上。在原來的樹脂中，單體群之間只有微弱的凡得瓦力 (van der Waals bonds) 鍵結而已。 • 當雷射作用在鍵上的時候，C=C雙鍵就斷裂，然後彼此連結形成長鏈 ( 參見表4.3)。
4.2.4 立體石版印刷詳述：樹脂 鏈之間的鍵結會產生三種主要的效果： • 液態的凝膠會固化 • 密度增加 • 剪強度增加 原來的乙烯基 (Vinyl) 單體雖然已經有了交叉的連結，長鏈中的共價鍵之形成，使得鍵結力量更大。
4.2.5 立體石版印刷詳述：SLA製程 • 為了產生個別的薄層 • 首先，利用雷射追蹤每一層的邊界，這稱為建立邊界 (Bordering)。 • 第二，可想像將橡皮圈或環圈套於表面上，再利用類似建立剖面的方式或者是類似編織圖樣的方式在整個表面上交叉。 • 第三，充填該區域以生成最後的膠化與固化。 • 在每一層形成後，雷射掃描就可以移至下一層；然而，如果要產生幾千分之一英吋的精度時，就必須考慮一些細部的製程規劃，以便控制精度，如圖4.5所示。
4.2.5.1 第一步驟：準備工作 • 工件建構時，必須設定加工精度。一般而言，每一層的平均建層厚度為100微米 (0.004英吋 )，然而，隨著期望之準確度的改變，其厚度範圍可為50微米至200微米。
4.2.7 選擇性雷射燒結成型技術 (SLS) • 另外一種非常普及的方法是DTM公司將之商業化的雷射燒結成形技術。除了雷射是用來燒結與熔合粉末而不是光凝固高分子液體外，在許多方面上，SLS與SLA非常相似。 • 一個步驟，必須準備如前面所提過的「.STL/SLI」檔案。在SLS機器中，先舖置一薄層的可熔化粉末，接著，在加熱室中利用紅外線加熱板，將粉末材料加熱至恰為熔點以下。然後利用雷射燒結與熔合粉末以產生預期之工件圖案的第一個薄層。 • 下一個步驟為，將第一個薄層下降，利用滾軸均勻的被覆上一層粉末，再重複剛剛所描述的製程 ( 如圖4.7)。
4.2.8 薄片疊層法成型技術 (Laminated Object Modeling, LOM)
4.2.8 薄片疊層法成型技術 (Laminated Object Modeling, LOM) • 薄片疊層法成型技術 (LOM) 是由Helisys公司所發展出來的，正如同SLA與SLS一樣，也是在1987至1990年間被商品化的產品。 • 在薄片疊層法成型技術中，雷射主要是切割逐層堆疊膠合的紙張之最上層，當每一層形狀經雷射切割後 ( 如圖4.8所示 )，紙張的滾子會往前轉動，將新的一層堆疊並膠合至最上層，此過程被一再重複到結束為止。
4.2.8 薄片疊層法成型技術 (Laminated Object Modeling, LOM)
4.2.9 融熔沉積成型技術 (Fused Deposition Modeling, FDM) • 圖4.9顯示的是材料是以細線的型態從線軸上供應，這種設計很容易使人聯想到蛋糕的糖衣；當細線流經一個被加熱的送料頭 (delivery head) 時，會立即熔化，再經出口噴嘴形成一個薄的帶狀物，噴嘴由數值控制 (CNC) 碼所控制引導，而具有黏度的高分子細帶物，將會逐步由無固定裝置的底盤建構形成。 • 於控制方面，FDM比SLA或SLS更類似CNC加工機。對較簡單的工件，不需要夾治具即可一層一層建構成形。若要產生較複雜的工件，如具有內凹處，奇特的雕刻曲面或懸吊特徵時，就需要有支撐的基座。
4.2.9 融熔沉積成型技術 (Fused Deposition Modeling, FDM) • 支撐材料可用手加以破壞之，因此需要適度的拋光處理。然而，儘管從控制的觀點來看FDM與CNC加工機相似，在實體自由成型製造技術家族中使用最多。 • 類似的熔沉融積的機器，例如實體製造3D繪圖機 (Model-Maker 3-D plotter) 已經為Sanders公司所發展出來了；在Sanders的機器上，噴嘴用來沉積有黏度的高分子，它要控制有黏度的高分子的流量，而得到均勻的分佈塗層較為困難，如同控制牙膏流量於平面上而得到均勻的厚度一般。故每形成一層表面層時，可先利用銑削刀具進行平面加工，再進行下一層之成形。
4.2.10 三維噴印法成型技術 以下比較偏向研究及發展階段之技術 有些機器也可以被使用在工業界的設計工作室中，讓從事設計的人員，能夠在短時間內製作或重複製作設計原型，使設計者在設計案進行過程中，能獲得較佳的感官效果 (Look and Feel)；例如：
4.2.10 三維噴印法成型技術 玉米澱粉之三次元噴印，它主要是由，逐層噴塗有機黏合劑 (Binder)，並使粉末凝固，其工作原理乃是由Z-公司的設備 (Z-Corporation machine) 所提供的。首先，如圖4.10(a) 所示，由粉末槽中沾集粉末，並將其均勻滾壓鋪覆成在成型床台的表面上形成一薄層，再使其硬化凝固成特定外型，硬化凝固不像SLS採用雷射，而是利用有機黏著劑 (Binder Phase) 配合連續噴嘴，以極細的噴霧滴粒，類似傳統噴墨式印表機的方式，直接噴塗在NC控制的xy床台上的粉末薄層上，薄層以特定幾何區域凝固，固化後的層則下沉一個層厚的高度，繼續重複進行下一層的鋪覆凝固成型，直到產品整體原型完成後，再搗除週邊未凝結的粉末，即可取出實體原型產品。
4.2.10 三維噴印法成型技術 (3D Printing and Plotting Processing) • 另一種比較精確的三維噴印製程是由麻省理工學院Sachs跟其同僚所研發的，他同時也是三次元噴印製程的原創者，如圖4.10(b) 所示，這種製程可以用來製造金屬鑄造用的陶瓷模具與塑膠射出成型的粉末金屬模。這種三維噴印製程的商業化應用價值正持續成長當中 (Smith, 2000; Sachs et al., 1992, 2000)。
4.2.10 三維噴印法成型技術 (3D Printing and Plotting Processing)
