快速成形技術

自從電腦輔助設計與製造(Computer-Aided Design and Manufacturing, 簡稱 CAD/CAM)成為今日工業產品生產週期(Product cycle)中最重要的技術[19]，伴 隨著電腦與自動化的快速進步，結合電腦輔助設計資料與自動化製造的快速成 形(Rapid Prototyping, RP)技術，自 1980 年日本 Kodama 先生發表 RP 論文後，

直到1988 年由美國 3D Systems 公司將此技術商品化成為 SLA

(Stereo-Lithography Apparatus)機器問世以後，這十多年來，即在世界各國形成 一股應用與研究風潮，不論是工業界、醫學界、學術研究界等，都將RP 視為 二十一世紀最重要的製造技術[20]。

快速成形基本原理是一種利用積層增料(Layer Additive)方法，將材料由下 往上(或由上往下)層層堆疊出各層輪廓(Profile)以產生 3D 實體形狀的加工技術 (圖 2.1)，而有別於 CNC(Computer Numerical Control)或傳統切削之去除材料加 工的方法。所以，RP 在完全擺脫傳統切削、沒有傳統夾具與模具的情況下，

快速製造出任意複雜形狀而又具有一定功能的三维實體模型或零件，對製造加 工而言實在是一項重大的突破。

RP 加工流程，如圖 2.2 所示，可分為下列四個步驟：

1. 3D CAD 設計。

2. STL (STereoLithography)檔案轉換。

3.分層切薄片(Slicing)加工程式。

4.實體原型建構。

其中前三個步驟為軟體技術，欲將一個建立好的CAD model 運用在 RP 機器 上製作成實體原型，必須經過檔案轉換與產生加工程式，而目前最被接受的檔

案轉換即為STL 格式。

STL 檔案內容為許多小三角形平面，所以是以一堆三角網格(Tessellation) 來逼近工件之曲面與輪廓，典型的STL 所繪製的圖形，如圖 2.3 所示。三角網 格越多工件解析度越佳，而三角網格越少將失去精度與某些微小特徵，這也是 RP 精度(Accuracy)無法提昇的原因之一。STL 它包含了每個三角形的單位法線 向量及頂點X,Y,Z 座標；而 STL 檔案有好、壞分別，好的 STL 檔案所有面之 法線向量(Facet orientation)須一致朝外，而且遵守右手定則之規定(如圖 2.4 所 示)，相鄰三角形間須頂點接頂點(Vertex-to-vertex rule，如圖 2.5 所示)。 3D CAD 實體模型軟體產生的STL 檔案通常是正確的， 曲面架構軟體產生的 STL 檔案 大都有問題(Gaps 或破洞)，要經 STL 修補軟體(Repair software)處理後才可使 用。

STL 的檔案格式有 ASCII 碼與 Binary 碼兩種，ASCII 碼的檔案大小比 Binary 碼檔案大，但較容易解讀，以下為 ASCII 碼的檔案格式範例:

solid example

facet normal 0.00000e+00 1.00000e+00 0.00000e+00 outer loop

vertex 0.00000e+00 0.00000e+00 2.00000e+01 vertex 0.00000e+00 0.00000e+00 0.00000e+00 vertex 1.00000e+00 0.00000e+00 2.00000e+01 endloop

endfacet ...

endsolid

在 solid example 與 endsolid 內之資料代表三角網格模型，其中第一行和 最後一行只是文字資訊，並不重要，其餘每七行為一週期，代表一個三角網格

的資料。每一個三角網格起始於 facet normal，終止於 endfacet，紀錄的資訊 包括網格法向量以及三個頂點的座標。

切片化(Slicing)目的是將 STL 檔案轉換成加工程式，切片厚度即為層厚度 (Layer Thickness)，通常是 0.075mm~0.250mm。此層厚度是影響表面粗糙度 (Surface Roughness)的主要因素；因為切片厚度越大，則造成 “階梯效應”

(Stair-stepping effect)越明顯，尤其是在非垂直或水平的表面上(圖 1.3)。

目前市面上各種RP 系統，除了 SLA 之外，其中較著名且具代表者有 FDM(Fused Deposition Modeling)、SLS(Selective Laser Sintering)、SGC(Solid Ground Curing)、LOM(Laminated Object Manufacturing) 、3DP(3D Printing)…

等，每一系統的製程原理都相當類似，只是堆疊材料與成型方式不同。RP 系 統發展史如下表2.1 所示：

表 2.1 著名 RP 系統發展史

名稱 簡稱 發展時間

Stereolithography SLA 1986-1988 Solid Ground Curing SGC 1986-1988

Laminated Object Manufacturing LOM 1985-1991 Fused Deposition Modeling FDM 1988-1991 Selective Laser Sintering SLS 1987-1992 3D Printing 3DP 1985-1997

若以成型方式來分， RP 系統大致可以分為兩類：光硬化樹脂成型 (Photopolymer Solidification)與材料堆積成型(Material Deposition)

。

(1) 光硬化樹脂成型：以雷射光或紫外線照射光硬化樹脂達到硬化成型的目 的，以SLA、SGC 為代表。

(2) 材料堆積成型：有半液態類，以擠製熔化熱塑性材料層層疊疊堆積成型， 域的應用，快速成形與製造 (Rapid Prototyping and Manufacturing, RP&M) 技 術的推廣應用，將明顯縮短新產品的上市時間，節省新產品開發和模具製造的 费用，成為產品開發階段最佳的工具。

在面對產品創新與競爭的時代，何時使用 RP？歸納為三點：

(1)少量多樣化需求。(2)具有電腦數位化資料(3D CAD data, CT and MRI scan data, 3D digitizing data)。(3)形狀極複雜不易以其他方式製成。