發 展 歷 程 與 相 關 技 術 電 腦 輔 助 設 計 (CAD) 電 腦 輔 助 製 造 (CAM) 電 腦 數 值 控 制 (CNC) 許 多 製 造 系 統 與 材 料 上 技 術 與 發 展 RP 系 統 發 展 的 基 礎 1988 年 第 一 台 商 業 化 快 速 成 型 系 統 機 械 設 計 機 械 製 造 1. 電 腦 輔 助 設 計 CAD computer aided design PRO/E I-deas 2. 電 腦 輔 助 製 造 CAM computer aided manufacture Mastercam Smartcam 3. 電 腦 輔 助 分 析 CAE computer aided analysis ANSYS ABAQUS 1
PRO/ENGINEER 參 數 式 設 計 實 體 模 型 (Solid model) 單 一 資 料 庫 (Single database) 以 特 徵 作 為 設 計 單 位 (Feature-based design) 參 數 式 設 計 (Parametric design) 電 腦 輔 助 分 析 固 力 ( 結 構 ) 流 力 熱 傳 電 磁 1. 外 形 幾 何 2. 邊 界 條 件 ( 限 制 條 件 ) 3. 負 載 4. 應 力 ( 熱 應 變 ) 5. 應 變 ( 熱 應 力 ) 2
I-DEAS 機 械 設 計 機 械 製 造 CAD 產 品 設 計 產 品 組 裝 曲 面 設 計 產 品 繪 圖 逆 向 工 程 CAM 加 工 進 階 加 工 CAE 產 品 模 擬 應 用 機 構 設 計 鈑 金 設 計 電 纜 佈 線 設 計 模 具 設 計 複 合 材 料 鋪 層 設 計 模 流 模 擬 材 料 資 料 系 統 機 構 模 擬 產 品 壽 命 預 測 電 子 系 統 冷 氣 卻 模 擬 熱 傳 模 擬 逆 向 工 程 3D 掃 瞄 照 相 Scan 3D CAD software I-deas PRO/E 點 資 料 建 曲 面 與 模 型 Surfacer Digisurf STL file Slicing (insight) RP machine 加 工 程 式 Mastercam turning milling Lightmachine 加 工 3
機 械 製 造 模 具 製 造 高 速 切 削 液 壓 氣 密 軸 承 高 速 主 軸 20000 RPM 薄 壁 工 件 難 切 削 材 料 切 削 原 理 快 速 原 型 快 速 模 具 放 電 加 工 雕 模 線 切 割 4
快 速 成 型 技 術 之 需 求 產 品 開 發 流 程 乃 是 從 設 計 試 作 製 程 規 劃 量 產 到 產 品 問 市 等, 其 中 影 響 產 品 品 質 產 品 上 市 時 間 與 產 品 市 場 接 受 度 之 關 鍵 因 素, 在 於 設 計 到 試 作 之 產 品 研 發 階 段 前 面 幾 章 所 探 討 的 逆 向 工 程 乃 是 屬 於 產 品 快 速 設 計 與 設 計 變 更 所 需 之 技 術, 本 章 著 重 於 產 品 的 快 速 成 型 製 造 快 速 模 具 甚 至 快 速 製 造 的 概 念 基 於 目 前 市 場 上, 產 品 生 命 週 期 之 銳 減, 新 產 品 之 推 出 與 上 市 時 間, 是 關 係 著 產 品 能 否 在 競 爭 的 市 場 上 出 奇 致 勝 的 主 因 之 一 如 何 有 效 縮 短 產 品 開 發 的 流 程, 趕 上 目 前 市 場 的 潮 流, 也 就 成 為 大 家 所 追 求 的 目 標, 進 而 使 逆 向 工 程 與 快 速 成 型 技 術 成 為 現 令 產 品 研 發 所 必 備 之 工 具 快 速 成 型 技 術 之 需 求 在 產 品 開 發 的 過 程 中, 常 會 有 需 要 單 一 試 樣 或 原 型 以 做 為 評 估 與 驗 証 之 用, 以 避 免 在 大 量 投 資 生 產 後 才 發 現 設 計 或 市 場 方 向 的 錯 誤 不 同 產 品 針 對 多 樣 化 之 特 性 與 功 能 需 求, 在 產 品 設 計 變 更 與 試 作 上, 就 必 需 要 有 一 套 能 達 到 設 計 變 更 容 易 原 型 製 作 快 速 與 成 本 降 低 之 解 決 方 案 原 型 的 製 作 可 有 多 種 不 同 方 式, 如 傳 統 老 師 傅 的 手 工 模 型 製 作 CNC 銑 製 或 雕 刻 機 雕 刻 及 新 近 開 發 出 的 快 速 成 型 系 統 自 動 化 製 作 傳 統 老 師 傅 的 模 型 製 作 方 式 有 經 驗 傳 承 的 困 擾, 在 市 場 輕 薄 短 小 的 要 求 上 也 在 精 度 上 不 易 達 到 耍 求 ;CNC 銑 製 或 雕 刻 機 雕 刻 也 有 造 型 夾 治 具 與 刀 具 的 限 制 ; 唯 有 以 層 加 工 為 基 礎 的 新 世 代 快 速 成 型 系 統 (Rapid Prototype System, RP) 可 以 達 到 快 速 全 自 動 且 不 受 造 形 限 制 的 原 型 製 作 5
快 速 成 型 原 理 (1) 去 除 (2) 增 加 (3) 成 型 加 工 製 造 的 方 法 若 由 體 積 的 變 化 來 區 分, 不 外 乎 為 材 料 的 除 去 增 補 與 成 型 等 三 種 方 式, 傳 統 上 來 說 除 去 成 型 為 加 工 最 常 用 的 方 式, 而 材 料 增 補 加 的 方 式 乃 是 將 素 材 藉 由 能 量 的 加 入 使 其 累 積 堆 疊 而 成 工 件 快 速 成 型 技 術 顧 名 思 義 是 一 種 可 以 快 速 的 將 雛 型 製 造 出 來 的 技 術, 快 速 成 型 系 統 乃 是 使 用 電 腦 輔 助 設 計 之 產 品 資 料 或 其 他 數 位 資 料, 藉 由 快 速 高 自 動 化 的 製 程 而 可 直 接 製 作 三 維 的 立 體 物 件 快 速 成 型 原 理 目 前 所 普 遍 使 用 的 快 速 成 型 技 術 則 是 突 破 傳 統 之 加 工 觀 念, 使 用 材 料 增 補 的 層 加 工 方 式 來 進 行, 從 2D 的 薄 片 一 層 一 層 的 堆 疊 而 成 為 3D 的 物 體 6
快 速 成 型 原 理 快 速 成 型 加 工 又 可 被 稱 為 層 製 造 (Layer Manufacturing) 無 模 成 型 (Freeform fabrication) 自 動 化 成 型 (automated fabrication) 影 像 實 體 化 (solid imaging) 等 等, 快 速 成 型 系 統 乃 是 使 用 電 腦 輔 助 設 計 之 產 品 資 料 或 其 他 數 位 資 料 藉 由 快 速 高 自 動 化 的 製 程 而 可 直 接 製 作 三 維 的 立 體 物 件 快 速 成 型 技 術 經 過 十 多 年 的 發 展, 至 今 已 有 數 十 種 的 RP 機 型 相 繼 上 市, 成 型 的 方 式 也 由 原 本 的 光 聚 合 樹 脂 的 雷 射 照 射 硬 化 之 液 態 樹 脂 成 型 方 式, 發 展 為 雷 射 照 射 粉 末 與 各 種 光 照 射 成 型 方 式, 及 將 材 料 藉 由 噴 嘴 噴 射 成 型 的 動 能 加 工 方 式 原 型 原 型 是 第 一 個 或 獨 創 的 樣 品 或 雛 型, 此 樣 品 或 雛 型 已 經 或 即 將 被 複 製 或 開 發, 原 型 的 三 個 階 段 (1) 人 工 成 型 (2) 虛 擬 成 型 (3) 快 速 成 型 幾 何 造 型 (1) 2D 線 架 構 (2) 曲 線 和 面 造 型 (3) 實 體 造 型 產 品 形 狀 與 式 樣 的 相 對 複 雜 度 增 加 完 成 時 間 相 對 減 少 7
快 速 原 型 技 術 原 理 8
快 速 成 型 的 基 本 原 理 模 型 或 零 件 必 須 在 CAD/CAM 系 統 中 由 封 閉 曲 面 建 造 完 成, 曲 面 能 清 楚 定 義 封 閉 體 積 實 體 或 面 架 構 模 型, 接 著 被 轉 換 成 STL 格 式, 利 用 多 邊 形 趨 近 模 型 曲 面 電 腦 分 析 並 將 模 型 切 割 成 薄 片 截 面 積 這 些 截 面 積 透 過 液 體 或 粉 末 的 固 化 一 層 一 層 的 重 建 RP 發 展 的 主 要 方 向 材 料 固 態 液 態 粉 末 輸 入 電 腦 模 型 ( 面 架 構 或 實 體 模 型 ) 實 際 模 型 ( 逆 向 工 程 ) 方 法 光 學 固 化 熔 解 固 化 熔 解 結 合 切 割 結 合 應 用 設 計 工 程 分 析 和 計 劃 工 具 與 製 造 9
快 速 原 型 的 優 點 大 大 的 縮 短 產 品 推 入 市 場 的 時 間 直 接 利 益 設 計 生 產 部 門 產 品 設 計 者 利 益 工 具 設 計 者 和 製 造 工 程 師 利 益 間 接 利 益 商 人 的 利 益 a. 降 低 風 險 b. 產 品 更 適 合 顧 客 的 需 求 c. 產 品 提 供 最 新 技 術 的 價 值 與 性 能 d. 新 產 品 可 經 濟 的 測 試 市 場 消 費 者 的 利 益 可 以 買 到 更 適 合 自 己 需 求 與 想 要 產 品 可 以 買 到 更 便 宜 產 品 表 示 快 速 成 型 的 術 語 實 體 與 自 由 形 式 層 次 製 造 材 料 堆 積 製 造 材 料 附 加 ( 增 加 ) 製 造 直 接 CAD 製 造 桌 上 型 製 造 瞬 間 製 造 10
目 前 已 商 業 化 及 開 發 中 之 快 速 原 型 機 Material Incress Manufacturing Powder Liquid Solid 1 component 1 component 2component * Melting Glueing Sheets + binder excess of material * Polymerization Selective Laser Sintering/SLS (DTM) Direct Shell Prodeuction Casting /DSPC (MIT) Electro Optical Systems/EOS Laminated Object Mfg. /LOM(Helisys) Selective Adhesive and HotPress /SAHP(KIRA) Melting +Solidificaion Liquid Polymerization Fused DepositionMfg. /FDM(Stratasys) Ballistic ParticleMfg. /BPM Sanders Lightsingle frequency Light two frequencies * Heat Lamps Laser beam * Holography BeamInterference Solid Solid GroundCuring /SGL (Cubital) Stereolithography SLA/3D SYSTEMS. Sony/D-Mec. Mitsubishi/CMET SLP/Denken * 研 發 中 之 機 種 RP 快 速 成 型 RT 快 速 模 具 (Rapid Prototyping) (Rapid Tooling) FDM (Fused Deposition Modelling) LOM (Laminated Object Manufacturing) SLA (StereoLithography Apparatus) 熔 解 層 積 造 型 薄 層 物 體 製 造 立 體 快 速 成 型 裝 置 11
SLS 局 部 雷 射 燒 結 (Selective Laser Sintering) STL (StereoLithography File) 立 體 快 速 成 型 檔 案 SCS (Solid Creation System) SOUP 實 體 建 構 系 統 實 體 物 件 紫 外 線 雷 射 描 繪 器 (Solid Object Ultraviolet-laser Plotting) SAHP (Selective Adhesive and Hot Press) BPM (Ballistic Particle Manufacturing) HPGL (Hewlett-Packard Graphics Language) IGES 局 部 黏 合 與 熱 壓 沖 擊 粒 子 製 造 惠 普 繪 圖 語 言 原 始 圖 形 交 換 規 格 (Initial Graphics Exchange Specification) 12
CMM (coordinate measuring machine) 3DP (Three-Dimensional Printing) CIM (computer-integrated manufacturing) SLC (StereoLithography Contour) 三 次 元 座 標 量 床 立 體 列 印 電 腦 整 合 製 造 立 體 快 速 成 型 輪 廓 FEM 有 限 元 素 法 (Finite Element Method) EDM 放 電 加 工 (Electric Discharge Machining) LMT 層 次 製 造 技 術 (Layer Manufacturing Technology) DSPC 直 接 薄 殼 生 產 住 鑄 造 (Direct Shell Production Casting) 13
MJS 多 相 噴 射 固 化 (Multi-phase Jet Solidification) LEAF 層 交 換 ASCII 格 式 (Layer Exchange ASCII Format) CNC 電 腦 數 值 控 制 (Computer Numerical Control) SGC 實 體 固 化 成 型 (Solid Ground Curing) SFF 自 由 實 體 構 成 (Solid Freeform Fabrication) SFM 自 由 實 體 製 造 (Solid Freeform Manufacturing) Rapid Prototyping (RP) Interface (RPI) 介 面 System (RPS) 系 統 Technology (RPT) 技 術 14
快 速 成 型 加 工 方 法 所 謂 加 工 乃 是 將 素 材 藉 由 外 加 的 能 量, 改 變 素 材 的 外 形 尺 寸 幾 何 形 狀 材 料 機 械 性 質 或 外 觀, 而 達 到 產 品 的 需 求, 故 快 速 成 型 的 加 工 方 法 可 依 其 使 用 能 量 的 差 異 區 分 為 光 照 射 成 型 加 工 法 粘 合 成 型 加 工 法 及 複 合 式 成 型 加 工 法 光 照 射 成 型 複 合 式 黏 合 成 型 雷 射 切 割 雷 射 燒 結 成 型 光 照 射 硬 化 OBJET 噴 黏 著 劑 噴 擠 熱 塑 性 材 料 SLS SLA SLP SGC 3DP SMM ThermalJet LOM EOSINT SOUP EDARTS FDM 快 速 原 型 液 態 固 態 粉 末 3D SLA Cubital SGC Sony SCS CMET SOUP EOS Stereos Helisys LOM Stratasys FDM KIRA SAHP 3D MJM (Actua 2100) IBM RPS Sanders Prototype MM-6B DTM SLS Soligen DSPC EOS EOSINT BPM Technology MIT 3D Printing 15
RP 系 統 分 類 ( 材 料 ) 液 態 類 (1)3D system 立 體 快 速 成 型 SLA (2)Cubital 實 體 固 化 成 型 SGC (3)Sony 實 體 造 型 系 統 SCS (4)Mitsubishi 實 體 物 件 紫 外 線 雷 射 掃 描 SOUP (5)EOS 立 體 系 統 (6)Teijin Seiki 的 Soliform (7) Meiko 珠 寶 工 業 (8) Denken 的 SLP (9)Mitsui 的 COLAMM (10) Fockele Schwarze 的 LMS (11) 光 雕 刻 (12) 雙 雷 射 光 束 RP 系 統 分 類 ( 材 料 ) 固 態 類 (1) Helisy 疊 層 式 製 造 LOM (2) Stratasy 熔 解 層 積 FDM (3) KIRA 局 部 結 合 與 熱 壓 SAHP (4) Kinergy 快 速 成 型 系 統 (5) 3D system 多 頭 噴 射 造 型 MJM (6)IBM 快 速 成 型 RPM (7)Sander 模 型 造 型 MM-6B (8) Sparx AB 熱 式 繪 製 (9) Scale Models Unlimited 雷 射 CAMM 16
RP 系 統 分 類 ( 材 料 ) 粉 末 類 (1)DTM 局 部 雷 射 燒 結 SLS (2)Soligen 直 接 薄 殼 生 產 製 造 DSPC (3)Fraunhfer 多 相 噴 射 固 化 MJS (4)EOS 的 EOSINT 系 統 (5)BPM Technology 沖 擊 粒 子 製 造 BPM (6)MIT 3D printing 3DP 目 前 最 主 要 的 快 速 成 型 技 術 立 體 快 速 成 型 (SLA) 實 體 固 化 成 型 (SGC) 熔 解 層 積 成 型 (FDM) 疊 層 是 製 造 (LOM) 局 部 雷 射 燒 結 (SLS) LOM FDM SLA SLS SGC Laminated Object Manufacturing Fused Deposition Modelling StereoLithography Apparatus Selective Laser Sintering Solid Ground Curing 17
RP 系 統 成 型 的 方 法 液 態 類 光 學 固 化 單 一 雷 射 光 束 遮 罩 燈 管 雙 雷 射 光 束 固 態 類 熔 解 固 化 切 割 膠 合 粉 末 類 粘 合 / 結 合 ( 不 使 用 膠 合 劑 ) 3D Systems SLA (250 /3500 /5000 /7000) 快 速 成 型 加 工 方 法 加 工 法 - 快 速 成 型 系 統 之 比 較 原 型 大 小 (cm 3 ) 最 薄 切 層 (mm) 精 度 (mm) 速 度 光 硬 化 成 型 15,625-343,000 0.1 0.1 Scan speed: 5 m/s 系 統 價 格 ( 萬 台 幣 ) 台 灣 代 理 商 650-3000 馬 路 科 技 CMET SOUP 400 /530 /600 /850 光 硬 化 成 型 64,000-258,000 0.05 SGC 光 硬 化 成 型 42,875-87,500 0.1 0.5 Solider 4600 /5600 DTM SLS 雷 射 燒 結 成 型 56,000 0.08 0.38 S2000/2500 EOS P350 /M250 /S700 雷 射 燒 結 成 型 15,625-103,968 0.1 0.03 上 儀 Helisys LOM 1015 /2030H Z Corporation Z402 雷 射 切 割 成 型 34,452-230,870 0.1 0.1 黏 著 劑 黏 合 成 型 720,538 0.076 0.254 Depth: 51mm/h 250 通 業 技 研 Stratasys FDM 2000 /3000/ /8000 /Quantum SolidScape ModelMaker/PatternMas ter 3D Systems ThermoJet Modeling 熱 塑 性 材 料 黏 合 成 型 熱 塑 性 材 料 黏 合 成 型 熱 塑 性 材 料 黏 合 成 型 16,387-180,000 0.05 0.127 愛 發 10,029 0.013 0.025 Scan speed: 50 cm/sec 9,500 0.03 0.03 Depth: 10 mm /h 光 淙 308 馬 路 科 技 18
自 動 加 工 有 哪 三 種 型 式 (1) 去 除 (2) 增 加 (3) 成 型 一 般 RP 程 序 鏈 的 五 個 步 驟 (1) 3D 造 型 (2) 資 料 轉 換 與 傳 輸 (3) 檢 查 與 準 備 (4) 構 建 模 型 (5) 後 處 理 3D 幾 何 造 型 完 成 後, 可 以 使 用 NC 程 式 或 快 速 成 型 (RP) 產 生 工 件,NC 程 式 與 RP 的 基 本 不 同 點 是 什 麼 (1) 面 與 體 元 素 構 成 封 閉 體 積 模 型 ( 單 一 曲 面 或 線 ) (2) 工 件 的 方 向 與 支 撐 的 要 求 ( 薄 壁 小 的 槽 與 孔 懸 空 元 件 ) 19
資 料 轉 換 與 傳 輸 STL 格 式 檔 3D system 公 司 創 造 微 小 三 角 形 趨 近 模 型 曲 面 solid print STL 檔 案 例 子 facet normal 0.00000e+00 1.000000e+00 0.000000e+00 outer loop vertex 0.000000e+00 0.000000e+00 2.000000e+01 vertex 0.000000e+00 0.000000e+00 0.000000e+00 vertex 1.000000e+00 0.000000e+00 2.000000e+00 endloop endfacet facet normal 0.00000e+00 1.00000e+00 0.00000e+00 outer loop vertex 1.000000e+00 0.000000e+00 2.000000e+01 vertex 0.000000e+00 0.000000e+00 0.000000e+00 vertex 1.000000e+00 0.000000e+00 0.000000e+00 endloop endfacet 20
構 建 前 檢 查 與 準 備 工 作 SLA 製 程 中 使 用 參 數 1. X-Y 方 向 的 收 縮 2. Z 方 向 的 收 縮 3. 複 製 數 目 4. 多 個 工 件 的 空 間 5. 塗 層 6. 解 析 度 7. 每 層 厚 度 8. 最 小 格 子 干 涉 角 度 9. X-Y 10. 格 子 空 間 SLA 固 化 深 度 雷 射 能 量 切 層 厚 度 0.12mm 0.5mm 切 割 參 數 支 撐 結 構 建 構 方 向 性 後 處 理 清 除 支 撐 材 料 的 剝 除 後 序 固 化 修 整 噴 砂 噴 漆 鉆 孔 攻 牙 milling 削 21
程 序 鏈 中 那 個 步 驟 最 短 轉 換 步 驟 最 長 檢 查 與 準 備 最 自 動 化 構 建 22