前言

快速原型(Rapid Prototyping)系統發展至今，已廣泛被工業界接受和使用。此 技術具有工時短，精度佳，加工路徑不受限制等優點，能快速且精確製出原型物 件，特別適合應用在工業設計及製造產業中，生命週期短，少量多樣的產品。其 原型製品可作為產品設計的外型驗證、功能測試以及輔助模具開發之用，因此可 迅速地輔助產品進行開發與降低開模製作時可能發生之錯誤風險，有效縮短開發 的時間與降低成本，使得產品更具競爭力。

快速原型技術是利用層加工之概念，利用一個 3D 的物體沿某一軸將其層層 切片，可產生具有厚度的2D 薄片，反過來說，若能製造出此 2D 之物體，將其堆 疊，就可產生一個3D 的實體。當層厚很薄時，立體原型和電腦所繪製的 3D 模型 誤差將會很小，可利用層厚來控制精度，再加上屬於“加料＂製程而並非一般傳 統的“減料＂製程，所以此技術可製作出任意複雜形狀或具細微結構之工件。

然而，對於新世代之快速原型技術的發展而言，RP 不再只是快速製作原型的 代名詞，而有一全新名詞，稱為快速生產或快速製造。因此如何跳脫以往只侷限 於製作外觀參考的原型，而能快速製作具功能性元件(Functional Parts)，如嵌入件 (Insert)、組合件(Assembly)、及具有多種材質 (Multi-Material) 之原型，乃目前快 速原型技術的重要研究課題。

1-2 快速原型技術簡介

快速原型技術自 1988 年第一台商業機種問市後，即在世界各地形成一股旋 風，工業界、學術界、醫學界等莫不紛紛投入人力、財力與物力應用或研發此一 被號稱“二十一世紀CNC 工具機＂之最新科技。快速原型技術與傳統加工程序，

如塑膠射出成型、鑄造、衝壓成型等，或如車床、銑床等機製加工的方法不同，

比較之特點為：

i. 加工是一種加層行為，不需擔心刀具路徑。

ii. 無需使用夾具等模、治具，除節省成本，也減少加工前的準備時間。

iii. 對於小數量多樣之生產需求，經濟效益顯著。如圖 1-1[1]所示，圖中之“其 他成型技術＂，包括塑膠射出成型、鑄造、衝壓成型等，或車床、銑床等機 製加工的方法。

快速原型之應用包羅萬象，目前不僅工業上之應用很多，更推展至醫學、藝 術、地理資訊及人文科學等。若以現今應用最成熟之工業原型與模型為例，大抵 應用在供設計驗證之概念原型(Concept Model)上，至於作為功能評估用之實物模型 因要求較高之強度及硬度，只有極少數的機種適用。然而若以快速原型機器之昂 貴價格僅達此概念原型之應用，則其適用性必然受限。再者，由於近年來市場上 之產品生命週期愈來愈短，企業界務必使用快速原型技術將產品開發之時程縮 短，以提高產品競爭力與市場佔有率。所以快速原型技術除了要提供快速正確的 外形樣品外，更要能使之具有功能性，才能使快速原型技術的應用更為廣泛。

圖1-1 快速原型與其他成型技術之比較[1]

1-2-1 快速原型原理

當初步設計的概念用電腦 3D CAD 完成後，傳統上是用手工或機械式的方 式，根據二維加工圖，將原型製造出來，這種方式須進一步設計夾具或模具。整 個過程常花費許多人力及物力，若製造出來之原型顯示出錯誤，則整個過程勢必 重新再來。若使用快速原型技術，則可將3D CAD 上之三維立體圖型與一層層之 二維平面相交集。交集之結果即得一疊二維之幾何數據，每一片表示三維立體圖 形之截面。接下來，電腦取出最底端的一片幾何圖型，作為電腦定位控制之用，

將能量源及原始材料傳至工作面，把原料加在幾何圖形所指示的位置上；依此程 序，由底端至頂端，逐片把原料填上而結合在一起，完成後即可取出所製成之立 體原型。理論上，當一層層的二維薄片很薄時，立體原型和原來電腦所建立的立 體幾何圖型會一模一樣。其工作原理如圖1-2[1]所示。

快速原型的適用範圍

其他成型技術 單

位 成 本

快速原型技術

圖 1-2 所示不同的材料供應方式，換言之，就是快速原型分類的依據，分別 有粉末、液態樹脂、固體材料三大類。圖1-2 所示的能量源大部分使用雷射，亦有 使用噴嘴、刀子或其他能量裝置等。藉由能量裝置與材料之間的相互作用，形成 不同的成品模組。

圖1-2 快速原型技術的原理[1]

1-2-2 快速原型技術分類

快速原型技術亦可稱為加料製程技術(Material Increase Manufacturing)，或層 加工技術(Layer Manufacturing Technology)，或實體自由成型技術(Solid Freeform Fabrication)，這是因為它的加工方法有別於傳統之去料加工法，如車床、銑床、磨 床、鉋床等，快速原型是採用將材料層層添加堆積而成。一般而言，快速原型可 依使用的材料分成粉末、液態樹脂、固體材料三大類[2-4]，各有其不同之特長及 應 用 領 域 ， 如 圖 1-3 所 示 。 在 粉 末 方 面 ， 有 DTM 公 司 的 Selective Laser Sintering(SLS)、MIT 大學發展的 3D Printing、德國 EOS 公司發展的 EOS/P 與 EOS/M 系列。粉末製程是目前最被看好的技術，因為任何可製成粉末的材料均可用這種 方式製作，由於它可以直接製作金屬件，利用這種特性可將它應用在快速模具 (Rapid Tooling)上，翻製大量生產用之產品，延伸了快速原型的應用領域。在液態 樹脂方面，目前投入的廠商數量最多，市場佔有率也最多，其中又可分為液態光 硬化樹脂(Photo Polymer)及溶化固化型(Melting + Solidification)兩類。利用液態光 硬 化 樹 脂 較 為 知 名 的 廠 商 有 美 國 3D Systems 公 司 的 Stereolithography Aparatus(SLA)、以色列 Cubital 公司的 Solid Ground Curing(SGC)、日本 NTT-CMET 公司的Solid Object Ultra-Violet Laser Printer(SOUP)等；利用噴嘴技術的廠商有美 國 Stratasys 公司的 Fused Deposited Modeling(FDM)、美國 3D Systems 公司的 Thermo Jet Modeling、美國 Perception Systems 公司的 Ballistic Particle Manufacturing (BPM)等。在固體材料成型方面，一般是使用片狀材料黏著 (Gluing Sheets)的方式 加工，從加工原理看來，任何可製成片材的材料均可用這種方法，但因為能量裝 置、廢料剝除及工件定位等因素的限制，目前大都使用紙張為主，較為知名的廠 商有美國CUBIC 公司的薄片積層法(Laminated Object Manufacturing, LOM)、日本 KIRA 公司的選擇性黏著與熱壓法(Selective Additive and Hot Press, SAHP)，目前新 加坡KINRGY 公司亦有與 LOM 相似的 Zippy 機器，但可能因為專利問題而無法

在國際上行銷。圖1-3 是目前已商業化及正在開發中之快速原型機器分類圖，由此 可知目前世界先進國家均大力發展這種被喻為二十一世紀的CNC 機器。

圖1-3 目前已商業化之快速原型機[2]

Material Increase Manufacturing

Laser Fabrication Hybrid Nozzle Fabrication

Laser SOUP EDARTS

DSPC 3DP

Actura FDM

1-3 功能性原型件製作之文獻回顧

目前商業及發展中的快速原型系統中，已有許多案例針對製作功能性之元件 進行深入研究，因其不同的原型製程技術與積層材料特性，各提出一些製作方案。

首先在液態樹脂為主的加工製程方面，Kataria 與 Rosen [5] 使用光硬化樹脂 之快速原型法建構複雜之機構，針對SLA 的各項加工特性，如支撐物設計、刮版 與嵌入物之干涉問題、雷射遮影問題、嵌入物之幾何形狀、間隙裕度及幾何公差 等問題，提出一系列之嵌入件的製程規劃方法，並建立一套多軸SLA 快速原型機 藉以拓展製作複雜功能件之領域。Kathryn 與 Kong[6] 及 Mavroidis 與 Kathryn,等 人[7]，利用光硬化樹脂快速原型製程中將機構元件置入，以達到一次(One-Step) 即完成複雜功能或具連桿機構之原型件，如圖1-4 所示為 SLA 製作之嵌入工件，

同時也針對嵌入件與光硬化樹脂件間配合公差提出一些建議。此一技術被大量運 用在機器手臂或是機器人之研發設計上。

因為 SLA 之光硬化樹脂材料限制只能製作高分子特性的原型件，大多利用嵌 入製程方法來製作功能性元件，關於製作多種材料之功能件元件，有Im 等人[8]，

嘗試將不同顏色光硬化樹脂進行積層加工中，製作具多色彩之原型件以及Im[9]等 人將其應用於多層電路版進行嵌入件製作。

圖1-4 SLA 製作之內含嵌入件原型[6,7]

關於噴嘴技術製程方面，Weiss 與Prinz [10]，利用具有加減料的SDM (Shape Deposition Manufacturing)原型技術達成製作多種材質或是具有嵌入件之原型。此 系統乃是結合擠出式RP系統再結合一具五軸加工之銑刀系統，加工方式如圖1-5所 示，首先利用擠出材質鋪層後，再利用銑削加工出複雜空孔，待嵌入件置入後，

噴頭繼續擠出材質，完成包覆之目的。此系統具有很大的靈活性與加工精度，但 在製作嵌入件時仍有幾點問題，如：擠出材料對嵌入件熱影響問題(因原料需加熱 至融溶狀態)、材料擠出包覆嵌入件時空孔氣泡產生問題與敏感性嵌入件前處理之 問題，且此系統需動用銑削加工機所以設備較為昂貴。Hatanaka 與Mark [11]即利 用此方法，將彈性元件嵌入於原形中。FDM之快速製程技術目前研究著重於多種 高分子材料之製程規劃與製作方法[12]與生醫工程之應用[13,14]，。

在粉末系統方面，Liew [15]等人利用 SLS (Selective Laser Sintering) 製程方 式，製作具雙材質之工件應用在生醫工程領域中。Hur [16]等人則嘗試以 SLS 製程 方式製作嵌入件，並將其嵌入製程做初步的規劃與探討。

圖1-5 SDM 加工製作方式[10]

關於薄片積層法方面，因材料多樣化，可製作不同材質之原型件，因此有許 多針對LOM 製程應用材料的相關研究被提出。Klosterman [17] 等人以陶瓷和複合 材料為研究對象，製作異種材質之原型件。Chi [18]等人 提出一種 Curved Layer LOM 以片狀金屬材料，來製作金屬原型，擴展了 LOM 的應用範圍。於製作上使 用二種方法，第一是採用雷射切割已包覆銅的不鏽鋼片（a Copper Clad Stainless Steel），接著用不鏽鋼線予以定位，並用重物施壓固定，放於高溫爐中進行銅焊

（Brazing）。此法因廢料早已取出，所以無廢料剝除（Decubing）的問題，但卻不 適用於倒勾之幾何，因倒勾之造型無法給予支撐，故支撐的問題仍存在其中。第 二種方法則與目前LOM 類似，先黏（Bonding）再切（Cutting），用夾具將最上層 材料固定，再施以點焊（Spot Weld）予以結合，最後利用雷射切割最上一層。此 法的缺點是不但在切割時易影響下一層且廢料剝除不易。Obikawa[19] 、Bryden[20]

（Brazing）。此法因廢料早已取出，所以無廢料剝除（Decubing）的問題，但卻不 適用於倒勾之幾何，因倒勾之造型無法給予支撐，故支撐的問題仍存在其中。第 二種方法則與目前LOM 類似，先黏（Bonding）再切（Cutting），用夾具將最上層 材料固定，再施以點焊（Spot Weld）予以結合，最後利用雷射切割最上一層。此 法的缺點是不但在切割時易影響下一層且廢料剝除不易。Obikawa[19] 、Bryden[20]