第二章 文獻探討
2.2 自動化生產模式研究
2.3.1 何謂 3D 技術
2013 年各先進國家都意識到製造業才是國家發展的根本，而美國 歐巴馬總統也在當下喊出讓製造業重返美國的相關政策，而這其中所 述的重點產業即是 3D 成型技術。而反觀 3D 技術最原始的狀態發展 至今，可熟知最期初的 3D 列印技術是採用傳統的加工方式，利用大 塊材料將期進行切削以及雕琢的方式運用製作。但這期間會浪費掉無 法避免材料，而現今所傳述的 3D 技術較多以層層堆疊的方式控制模 型、製品的產出，避免掉諸多材料浪費。
快速原型或快速成型( Rapid prototyping，RP )則是 3D 技術前身被 統稱的方式，是一種利用快速生成生產製造模型或者零件等等的運作 應 用 方 式 與 技 術 。 其 透 過 電 腦 控 制 與 管 理 系 統 下 操 作 ， 利 用 CAM/CAD 等資料，採用資料精準的堆積點線面的方式擴大，在層層 堆疊進而產生立體 3D 的實體品項。而在這過程中無須任何輔具或開 模等動作，可以依靠此技術的運作完成諸多非常複雜的實體模型。
對於快速成型的發展技術研究始於 1970 年代的時候，已經開始被 各工學院所、企業、工研院等研究。直至 1980 年代美國 3M 公司的 Alan J.Herbert（1982 年）、日本名古屋市工業研究所的小玉秀男（1980
年）、美國 UVP 公司的 Charles W. Hull（1984 年）、日本大阪工業技 術研究所的丸谷洋二（1984 年）都獨立提出了自己對於快速成型的 看法與實際操作的樣式。雖然實作出來的方式各有差異，但所有的提 倡可以發都推崇疊層疊加的概念進行實體產出。而到了 1986 年代 後，Charles W. Hull 在美國獲得了光固化立體造型裝置（SLA）的專 利，也正式宣告 3D 快速成型的技術正式來臨。隨著社群環境的變動，
與這些年製程上不斷的突破創新，在這波發展應用的浪潮下，開放硬 體的平台扮演著 3D 技術的幕後最大推手。隨著 3D 技術的成熟，開 放的大量數據創造 3D 列印的自由風潮，個人都可自己列印出自己喜 愛的模型與實物等。這樣的社群驅動發展的進步下，讓 3D 技術不斷 的演變更新，但在開放資源的創造，智慧財產也是首要需要面對與保 護的對象。
而快速成型演變成 3D 技術是指麻省理工學院所開發出一套專利 製成的名稱而得以發展出來，此名稱為 3DPTM。但因為 3D 技術多為 基層製造法( additive manufacturing )，透過電腦輔助設計的軟體應用 CAM/CAD 協助，將材料堆疊的方式來製造立體的物體結構與快速成 型的原理相同，所以目前都以 3D 技術或 3D 列印來泛稱，而相較於 以往傳統的成型技術，將 3D 技術歸納以下三點優勢：
一、 結構設計的自由度高。
二、 小量生產運作時製作成本較低。
三、 特製產品較快速成型。
2.3.2 3D 列印機成型分類
3D 技術從 1980 年展示至今，從最初的只使用於工件之模型，到 現今隨著電腦輔助設計(computer-aided designing ,CAD) 、電腦輔助製 造(computer-aided manufacturing ,CAM)、電腦數值控制 (computer numerical control ,CNC)以及材料科技應用與其他技術的進步。使快速 成型技術、3D 技術的精度與結構強度不斷提升，最後讓 3D 列印可能 性得以成真。目前 3D 列印的技術成型方式有許多不同的建構方式，
各有不同的成型機制與適用發展的材料應用，以下為本研究裡面較知 名運用的成型技術，介紹如以下幾種：
一、 選擇性雷射熔融（selective laser melting,SLM）：
此種成型技術的運用方式是將成型用的材料，而這種成型用的材 料通常是顆粒或粉末，利用高能量的雷射照射在玉成型的裝置平臺面 上，使材料熔融聚合再一起，並在依照不同高度的堆疊層積，持續這 個動作至物體形狀產生完成，而這個製程必須在一個精密控制器壓且 充滿惰性氣體的工作空間環境中完成，常見的材料有不銹鋼、鈷鉻合 金、鈦金屬、鋁等。此種技術也曾被美國太空總署 NASA 運用製造
引擎設備，雖然此成品的強度較差於一般建立元件，但因為可以省去 焊接的部分接合手續，也避免了焊接點上結構容易被破壞的缺點。
二、 選擇性雷射燒結（selective laser sintering,SLS）：
這個製程方法是由德州大學奧斯汀分校卡爾．德克（Carl Deckard）
與喬．比曼（JoeBeaman）兩位博士研究發展出來，並申請專利保護 權。但就在 2014 年年初這項專利已超過保護期，也變成可以被正式 被運用發展的技術之一。這種方法是利用電腦控制雷射照射的位置，
讓原料粉末狀經雷射照射後會層層燒結黏著聚積成塊，之後再鋪上另 一層粉末繼續與上一步同樣的動作。經由層層堆疊燒結，直到最後產 品成型，而目前 SLS 常見所使用的材料包括鈦金屬、無機物、尼龍、
陶瓷粉末等。與其它製成相比下，因為周圍會一直存在未燒結的粉 末，因此此製程不需要其他支撐的結構作用，也節省支撐架的浪費。
三、 光固化立體造型（stereolithography,SLA）：
這一製造方法必須使用液態的光活化樹脂也是最早被研發出來的 成型技術，而其最大的缺點即是成本過於昂貴，其是將光聚合特性的 高分子液體藉由雷射或紫外線光束一層一層地進行光固化過程。由於 成型的精確度很高（可達到 0.05 ∼ 0.15 毫米的精密度），成品表面的 光滑度及細緻度已經相當接近射出成型加工的塑膠製品。這一製程的 優點在於製造速度快且可製作較大型工件，此方法研發至今目前只適
用於有光聚作用的高分子溶液，而且能造成較高的精密度，完成後會 很像一個實體塑膠製品的光滑感，而目前立體光機台的最低的售價也 降至 3000~4000 美元左右的價位，但材料費用一樣存在很高的一個準 則。
四、 熔融沉積造型（fused deposition modeling, FDM）：
此技術是目前市面較為廣泛運用與其他機台比較也處在最低價位 的成型製作技術，也是目前最便宜的機台。我們目前所用的 3D 機台 都是此技術的運用發展，此技術在 2014 年 1 月的美國消費性電子展 中( CES )，台灣的廠商更以 499 美元的售價的 3D 列印機獲得編輯首 選大獎。目前適用於此種技術的材料有熱塑性質的高分子材料與金 屬，而其製作的原理是將材料像是熱熔槍的方式溶解材料本身。然後 擠壓在平台工作區上。並層層堆疊拉升，而材料大部分都以線材的方 式運用加工。以方便擠壓並以點創造面，而此技術所使用的方法又可 稱為熔絲製造( Fused Filament Fabrication,FFF )。而目前最常被使用的 材料有 ABS 與 PLA（poly-lactic acid，聚乳酸）最為居多，當然也 有使用黏土或矽膠材料等運用方式的材質創造。
五、 噴墨列印技術 (Inkjet printing techniques)：
目前因應上述的方式，有些研發單位也開發了利用噴墨原理的列 印方式來達成 3D 列印成型的目標，而發展此種技術的公司為以色列
Object 公司最為出名，其則是利用改良立體光刻成型技術，將光聚合 高分子以噴墨方式透過照射紫外光聚合，此技術又稱為 PolyjetTM，雷 射近淨成型技術(Laser Engineered Net Shaping ,LENS )也是此原理的 方式，但其是將金屬粉末改以噴墨方式射出再以雷射燒結在特定位 置，與 PolyjetTM一樣捨棄了開放是樣品槽的結構設計。
六、 立體生物（3D Bioprinting）：
這是由美國的 Organvo 公司所創造的一種生物列印的技術，也是 第一家開發出列印生物機台的公司，其原理是將人類活體下的細胞和 水膠狀基質噴塗成立體的組織型態，而目前研發的技術已可噴塗兩種 細胞左右，而關鍵點則是生物細胞的存活率問題，以及細胞之間的交 互作用，目前此科技離真正的列印人體器官仍有一些距離，步過未來 發展可望的是截肢部位的再生。
下表 2 則把現有的 3D 技術歸納出其可產生的 3D 材質為何種材料 之運用。
表 2、技術應用材料表，來源：佳工機電網
技術 使用材料
3D 印刷工藝（3D Printing，3DP） 塑料等
Contour Crafting，CC 混凝土
Electron Beam Melting，EBM 金屬 熔 融 沉 積 造 型 （ Fused Deposition Modeling，FDM）
ABS 樹脂、聚碳酸酯
層 片 疊 加 製 造 （ Laminated Object Modelling，LOM）
紙、塑料、陶瓷、鋁
Laser Engineered Net Shaping，LENS 金屬
Laser Cladding 金屬
Multi Jet Modeling，MJM 熱塑性塑料等
Polyamidguss 聚醯胺
Selective Laser Melting，SLM 金屬，塑料，陶瓷 選擇性雷射燒結（Selected Laser Sintering，
SLS）
熱塑性塑料，金屬，陶瓷
Space Puzzle Molding，SPM 塑料
光固化立體造型（Stereolithography，SLA） 液態熱固性聚合物，彈性體 Streifenlichtscanning 各種材料
2.3.3 3D 列印運作流程
而儘管快速成型有諸多不同的運作方式、但基本原理都跟 3D 列 印的運作方式大同小異。即是將一定厚度的材料反覆列印或燒製在平 臺面上，迴圈往複運型，直到生成整個成型件。其中所操控的技術從 電 腦 輔 助 設 計 (computer-aided designing ,CAD) 、 電 腦 輔 助 製 造 (computer-aided manufacturing ,CAM) 、 電 腦 數 值 控 制 (computer numerical control ,CNC)等技術運用，讓整體 3D 產出能更有效控制與 產生列印出，以圖 4 所示為 CAD/CAM 3D 列印流程的方式。
圖 4、 CAD/CAM 3D 列印流程圖，來源：nl.wikipedia
3D 列印製成的運作方式，可將其細部分為下列幾大步驟：起步是 藉由電腦輔助設計軟體的運行操作來進行 3D 模型的設計建模，完成 後的設計圖檔、模型檔再經過電腦斷層的方式層層掃出切片的概念，
把立體的檔案切出好幾數片，而每個切片包含著 3D 建模的內外輪廓
藉以控制 3D 印表機韌體的操作並列印出期望的模型樣式，而這一套 的運作流程將其總結為一圖，如圖 5 所示。
圖 5、3D 成型技術圖