修平科技大學機械工程學系
實務專題論文
3D 列印
模擬行星式齒輪變速箱
指導教授： 張浮明
班 級： 四機三甲
四機五甲
三乙三丙
組 長： 王育仁 BA103009
組 員： 王奕程
鄧家臻
BA101046
BA103028
林建綸
BA103046
中華民國一○六年六月二十日
I
摘要
我們對 3D 列印這項創新的加工技術做進一步的研究與學習，從剛開始完 全沒有這方面的知識和接觸，到現在能自己調整機台和學習列印過程中應該 如何注意哪些會影響加工的因素與參數，循序漸進的去學習與探討。最後能 將我們所學習到的結合創意想法，希望能夠讓其他學生或對列印設計與技術 有興趣的人，也能一起探討，更希望將 3D 列印的技術發揮在修平學校的求學 過程中。這次的專題介紹到列印機加工的原理和 3D 列印機使用與機具校正， 最後我們使用軟體與結合掃描製作行星齒輪機構，使用學校 SOLIDWORK 電 腦繪圖軟體設計能力可應用在生活上，並且印出來，給閱讀本專題的學生提 供 3D 列印的參考。II
致 謝
感謝提供我們本專題意見以及方向的專題指導老師張浮明，讓原本毫無 想法的我們能夠有個目標並且去執行與製作，確定題目之後，老師機及分配 組員應辦事項，耐心的提供我們專業知識，使我們循序漸進的往目標前進。 做到這個階段，過程中有很多困難，但在指導老師幫助下都能迎刃而解， 這個專題報告使我們學習到 3D 列印以及行星齒輪機構設計，相信能在未來深 深影響著我們，再次感謝老師的付出與包容。 感謝致用高中提供 3D 列印機，並且感謝致用高中葉政宗老師指導我們如 何使用 3D 列印機的前置作業，讓我們可以事先準備完成後直接執行列印工作， 並且老師還利用自己課餘時間耐心交導我們，使得我們能將工作時間大大縮 減。III
目錄
摘要 ... 致謝 ... II 目錄 ... III 圖目錄 ... IV 表目錄 ... VI 第 1 章緒論 ... 1 1.1 前言 ... 1 1.2 研究動機 ... 1 1.3 研究目的 ... 1 1.4 時間進度管制表 ... 1 1.5 工作分配表 ... 3 第 2 章研究方法 ... 4 2.1 3D 列印技術介紹 ... 4 2.2 3D 列印成型種類 ... 5 2.3 設備介紹 ... 7 第 3 章行星齒輪 ... 9 3.1 行星齒輪介紹 ... 9 3.2 行星齒輪優缺 ... 10 3.3 行星齒輪應用 ... 11 第 4 章製作過程 ... 13 4.1 零件圖 ... 13 4.2 製作過程 ... 19 4.3 行星齒輪實驗測試 ... 28 第 5 章結論 ... 29 5.1 結論 ... 29 5.2 未來展望 ... 30IV
圖目錄
圖 2-1 傳統加工技術與逆向工程方式... 4 圖 2-2 積層製造示意圖... 6 圖 2-3UP 3D 列印機 ... 7 圖 2-4-1 UP 3D 列印機機台介紹(1) ... 8 圖 2-4-2 UP 3D 列印機機台介紹(2) ... 8 圖 3-1 行星式齒輪... 9 圖 3-3-1 NORDEX N90 行風力發電系統 ... 11 圖 3-3-2 汽車後視鏡調節裝置裡的複合行星齒輪 ... 11 圖 3-3-3 機械式自動變速箱 ... 12 圖 3-3-4 紡織機 ... 12 圖 4-1 工作圖(1) ... 13 圖 4-1-2 工作圖(2) ... 13 圖 4-1-3 零件 1 ... 14 圖 4-1-4 零件 2 ... 14 圖 4-1-5 零件 3 ... 14 圖 4-1-6 零件 4 ... 15 圖 4-1-7 零件 5 ... 15 圖 4-1-8 零件 6 ... 15 圖 4-1-9 零件 7 ... 16 圖 4-1-10 零件 8 ... 16 圖 4-1-11 零件 9 ... 16 圖 4-1-12 零件 10 ... 17 圖 4-1-13 零件 11 ... 17 圖 4-1-14 零件 12 ... 17 圖 4-1-15 零件 13 ... 18 圖 4-2-1 製圖過程(1)... 19 圖 4-2-2 製圖過程(2) ... 19V 圖 4-2-3 小組討論 ... 20 圖 4-2-4 製作報告 ... 20 圖 4-2-5 打開 CURA 軟體 ... 21 圖 4-2-6 打開 3D 模型 ... 21 圖 4-2-7 參數設定 ... 22 圖 4-2-8 3D 列印過程(1) ... 22 圖 4-2-9 3D 列印過程(2) ... 23 圖 4-2-10 3D 列印成品俯瞰圖 ... 23 圖 4-2-11 3D 列印成品(1) ... 24 圖 4-2-12 3D 列印成品(2) ... 24 圖 4-2-13 行星齒輪組模型零件(1) ... 25 圖 4-2-14 行星齒輪組模型零件(2) ... 25 圖 4-2-15 行星齒輪組模型零件(3) ... 26 圖 4-2-16 模型分部組裝 ... 26 圖 4-2-17 行星齒輪組組裝完成 ... 27 圖 4-2-18 實體與圖形之對照 ... 27
VI
表目錄
表 1-1 時間進度管制表 ... 2 表 1-2 工作分配表 ... 3
1
第1章 緒論
1.1 前言
首先我們研究的動機在於在三年級時經由老師介紹後有機會能操作學校 內教資中心的 cube3D 列印機器。在一邊學習的操作中，我們產生了對 3D 列 印學習的慾望並將這項技術藉由這次的機會寫成一篇專題論文記錄下來，內 容除了原理、也熟悉學校不同機型的 3D 列印機操作。3D 列印技術在 2015 年 以經漸漸普及與受推廣，外國除了更要求這項加工技術的精度和運用外也推 崇這項技術的自由發揮。而我們從無到有，去研究和學習。1.2 研究動機
接觸機械這門課程已經有 6 年多的時間了，我們這次專題決定向 3D 列印 發展。現代科技相當成熟，已經不是像是之前的傳統加工，近年來已加法是 竄升起來的逆向工程也被許多人重視到，因時代進步，我們的知識不能局限 在傳統加工中，應該要更能夠熟知多款軟體加以應用，希望能藉此次專題讓 學生在創意設計上有更多認知。1.3 研究目的
本專題是以行星齒輪的概念和理論進行探討，程式方式包括：Solidwork、 123D Design、Meshmixer，設備包括：Kinec、UP3D 印表機為主要方式。本 專題的主要目的可以分為以下三點： (1)提升機構設計能力。 (2)了解各種軟 體的應用。 (3)齒輪多項應用及概念。1.4 時間進度管制表
本專題研究內容共分為資料收集及研究、問題分析與討論、行星齒輪機 構組分析、Solid Works 程式研究與操作、UP 程式研究與操作、購買材料、列 印成品與組裝、結案報告撰寫與製作，各工作項目時程進度如下表所示。2 表 1-1 時間進度管制表 月次 工作項 目 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 第 12 月 備 註 1.資料 收集 及研 究 2.問題 分析 與討 論 3.行星 齒輪 機構 組分 析 4.Solid Work s 程 式研 究與 操作 5.購買 材料 6. UP 程 式研 究與 操作 7.列印 成品 與組 裝 8. 結 案 報 告 撰 寫 與 製 作 預定進 度累計 百分比 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 85% 95% 100% 預定進度實際進度
3
1.5 工作分配表
表 1-2 工作分配表 姓名 分配項目 王育仁 林建綸 王奕程 鄧家臻 備 註 討論專題內容 ˇ ˇ ˇ ˇ 查詢資料 ˇ ˇ ˇ ˇ Solid Work 繪製工件 ˇ ˇ UP 軟體 ˇ ˇ ˇ ˇ 紀錄列印工件 ˇ ˇ ˇ ˇ Word 製作 ˇ ˇ PPT 製作 ˇ ˇ4
第2章 研究方法
2.1
3D 列印技術介紹
3D 列印技術起源於美國，又稱增材製造，屬於快速成形技術的一種。可 以基本製造任意形狀三維實體。3D 列印運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料， 通過逐層堆疊累積的方式來構造物體，即「積層製造」。3D 列印與傳統的機 械加工技術不同，後者通常採用切削或鑽孔技術（即減材工藝）實作。過去 在模具製造、工業設計等領域，3D 列印技術常常被用於製造模型，現正逐漸 用於一些產品的直接製造。 3D 列印通常是採用數位技術材料印表機來實作。這種印表機的產量以及 銷量在近年以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降，也因為如 此現今有許多設計師與玩家可以自行生產出屬於自己的作品。 圖 2-1 傳統加工技術與逆向工程方式 1.除料式 (減法式): 傳統的加工方法是利用設備進行減法的方式利用車、銑、刨、磨、 鑽加工出所需的產品。 2.加法式: 積層製造是利用加法的方式利用噴塗、擠塑、堆疊等製造出的產品。5
2.2 3D 列印成型種類
(1)熔融沉積成型（Fused deposition modeling，FDM）
分類於擠出成型，使用 FDM 技術的 3D 印表機通過將熱塑性材料(ABS、 PLA 等...)加熱到半液體狀態並沿電腦控制的路線進行擠壓逐層構造零件。
因為 FDM 的相關建置門檻較低，因此成為目前民用市場頗受歡迎的 3D 列印技術。
(2)層狀物體製造（Laminated Object Manufacturing，LOM）
將色帶換成塑料薄膜、撞針替換成雷射或刀具，利用雷射或刀具將塑料 薄膜切成所需形狀，再一層層使用膠水黏貼，堆出立體物件，此種製造方式 的廢料較多。
(3)數位光處理（Digital Light Processing，DLP）
利用儀器的 DLP 投影技術，將切片後的一片片圖案照射在光固化樹脂上， 一層做完後就將物件稍微提高，再次投射下一層的圖案，如此反覆堆疊就會 形成物件。
優點：製造的立體物件精細度相當不錯，不用打磨即可立即販售。 缺點：光固化樹脂的硬度受到許多變因影響，耗材貴。
(4)立體平板印刷（Stereolithography Apparatus，SLA）
SLA 身為第一種實用化的快速成型方式，其列印方式和 DLP 類似。利 用雷射照射光固化樹脂後形成一片硬質切片，接著將模型往樹脂內部沉浸， 再用雷射照射硬化下一層。 (5)3D 列印（3D printing，3DP） 首先在平台上鋪上薄薄的粉，利用印表機噴頭噴出膠水，將所需的部分 黏著在一起；接著再往上鋪一層粉，再度噴出膠水將粉末黏著。最終膠水四 周未被噴到的粉末被吸走回收再利用，被膠水黏住的部分就會是立體物件。 (6)選擇性雷射熔化（Selective Laser Melting，SLM）
這種 3D 列印技術主要的材料以金屬為主，將金屬粉末以高能量雷射加 熱到變成液態，便可和附近的材料融合在一起，優點為機械強度高，幾乎和 開模澆鑄產品相同，列印出來後即可直接使用。
6 (7)積層製造（Additive manufacturing，AM）
將一定厚度的材料反覆列印在平台上，迴圈往復，直到生成整個成型件。
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2.3 設備介紹
2-3-1 UP3D 列印機簡介
圖 2-3UP 3D 列印機 。模型成型尺寸：長 140mm，寬 140mm，高 135mm。 。定位精度：0.01~0.02mm。 。層厚設定：0.15/0.20/0.25/0.30/0.35/0.40 ㎜。 。成型技術：熔融堆積成型技術（FDM）。 。成型方式：實體、空心。 。檔案格式：STL。 。傳輸介面：USB。 。硬體：PC 。作業系統：WindowsXP,Vista,Win7,Win8,WIN8.1。 。電力需求：單相 110 -240 VAC , 50/60 Hz, 180W。 。機台尺寸：245mm x 260mm x 350mm。 。外觀重量：淨重約 5 kg。8
2-3-2 UP3D 列印機部位介紹
圖 2-4-1 UP 3D 列印機機台介紹(1)
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第3章 行星齒輪
3.1 行星齒輪介紹
行星齒輪的概念製造最早是由公元前８７年，古希臘的安堤基特拉機械， 原本為高精密的機械而應用在計算年歷顯示行星及月球運動軌跡的儀器，在 １９０１年位於安提凱特拉島被發現之後再１５８８年義大利軍是工程師阿 戈斯蒂諾拉梅莉（Agosyino Ramelli）。就齒輪機構而言，可以概分為定軸齒輪系（ordinary gear train）及動軸齒 輪系。行星齒輪系或又稱周轉齒輪系（planetary gear train or epicyclical gear train）即屬動軸齒輪系。定軸齒輪系意指所有齒輪皆繞固定軸自轉；周轉齒輪 系中則有某些齒輪繞固定軸自轉，某些齒輪除自轉 4/18 外，並繞固定軸公 轉。 傳統的機械原理中，用以傳輸拉力與推力的元件，不外乎是鏈輪、齒輪、 皮帶輪與摩擦輪。其中皮帶輪與摩擦輪傳動會有能量的損失，鏈輪與皮帶輪 則有需要一定空間來進行配置安裝，齒輪則是具備了高傳達效率與狹小空間 即可發揮功用。應用齒輪傳輸的減速機可增加轉矩、降低轉速以達到精密的 控制，在工業界裡佔有一定的使用率與地位。 圖 3-1 行星式齒輪
10
3.2 行星齒輪優缺
行星齒輪減速機優點整理如下: 1.結構緊湊、體積小。 2.減速比範圍大。 3.傳動效率高。 4.運轉噪音小。 相對著也具備下列敘述的缺點: 1. 結構較複雜。 2. 零件加工條件較精密。 由於行星式減速機興教於一般減速機，運轉起來較為精密，且多個行星 齒輪將所承受的負載分散出來，這將可降低對內部齒輪的衝擊跟疲勞破壞； 配合上伺服馬達，可以強化三個主要性能: ●依照減速比而增加驅動扭矩。 ●提高轉速解析度，可使伺服馬達的動作更為精準。 ●大幅提高馬達可承受負載的慣量。 在整理出上述的行星減速機特性後，可以清楚的了解: 行星齒輪可以發揮小體積不佔空間、增加轉矩的靈活性，並且有足夠的 強度與剛性可以保護設備。對於使用者來說，既可免除傳統減速機的不便， 還可發揮更大減速機功能性，在伴隨著製程技術的提升、加工成本的減少， 配合上伺服馬達與步進馬達，勢必提升工業的技術力與發展性。11
3.3 行星齒輪應用
在各種工業機器或機械應用上，齒輪傳動機構經常被採用，如紡織機、 汽車變速箱、航空器、旋轉加工機台、產品輸送帶、風力發電系統、儀器、 儀表等。 圖 3-3-1 Nordex N90 行風力發電系統 圖 3-3-2 汽車後視鏡調節裝置裡的複合行星齒輪12
圖 3-3-3 機械式自動變速箱
13
第4章 製作過程
4.1 零件圖
圖 4-1 工作圖(1)
14 圖 4-1-3 零件 1
圖 4-1-4 零件 2
15 圖 4-1-6 零件 4
圖 4-1-7 零件 5
16 圖 4-1-9 零件 7
圖 4-1-10 零件 8
17 圖 4-1-12 零件 10
圖 4-1-13 零件 11
18 圖 4-1-15 零件 13
19
4.2 製作過程
圖 4-2-1 製圖過程(1)
20 圖 4-2-3 小組討論
21
圖 4-2-5 打開 CURA 軟體
22 圖 4-2-7 參數設定
23
圖 4-2-9 3D 列印過程(2)
24
圖 4-2-11 3D 列印成品(1)
25
圖 4-2-13 行星齒輪組模型零件(1)
26
圖 4-2-15 行星齒輪組模型零件(3)
27
. 圖 4-2-17 行星齒輪組組裝完成
28
4.3 行星齒輪實驗測試
減速比=(內齒輪齒數/行星輪齒數)+1 例:減速比 10:1 10=(108/行星輪齒數)+1 行星輪齒數=108/(10-1)=12 齒 測試結果 電壓 3V 轉數 10500 rpm 內齒輪 48 齒行星輪齒輪 16 齒 (48/16)+1=4 轉速比 4:1 內齒輪 48 齒行星輪齒輪 12 齒 (48/12)+1=5 轉速比 5:1 5:1 X 5:1 X 4:1 X 4:1 減速比=400:1 10500/400=26.25 rpm29
第5章 結論
5.1 結論
1.對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻: 3D 列印技術正顛覆傳統設計、原型開發及製造流程，早期採用者有機會 在產品設計與上市時程方面獲得比競爭對手更多的優勢，並且掌握零件製作 的實際材料成本與時間。預估到了 2016 年，企業級 3D 印表機價格將降至 2,000 美元以下，達到各規模企業都能投資的水準。企業應該開始試行採用 3D 列印 技術來改善傳統的產品設計與原型開發作業，並利用這個機會來開發全新的 產品線和市場。此外，3D 列印技術還將透過電子便利站或印刷輸出服務提供 給一般消費者，這位零售業及其他產業開創一個全新商機。 顧能研究總監貝西里耳(Pete Basilere)表示，儘管 3D 列印的流程及材料背 後所牽涉的材料學仍在不斷進步，平價 3D 印表機已逐漸降低製造業的進入成 本，如同電子商務降低了商品銷售與服務的進入門檻一般。因此，3D 印表機 市場將從利基市場（一種具有相似興趣的人們組成，而且是一群尚未被滿足 的淺在消費者）逐漸轉向大眾市場，其背後的動能包括更低的印表機價格、 可能節省下的成本和時間、更強大的功能，機構需要的強度，以及可創造的 效益和市場強化等效能。 3D 列印已廣泛應用在各種產業，從汽車製造、消費產品到軍事領域，以 及醫療與製藥產業。企業可運用 3D 列印設計個性化商品、開發中原型、建築 模型等等，透過全新、互動的方式來推銷其品牌及產品。再依些全新型態的 產品商機當中，消費者所買到的商品正是由 3D 印表機所製作成品。 故能預估，到了 2016 年，企業級 3D 印表機價格將降至 2000 美元以下。 早期採用者只需負擔很少的資本與時間風險就能嘗試 3D 印表機的應用，還有 機會在產品設計與上市時程方面獲得比競爭對手更多的優勢，並且掌握零件 製作的實際材料成本和時間。 此外，隨著 3D 掃描功能的提升與設計工具的進步，再加上商用及開放原 始碼的設計軟體讓 3D 列印更具實用性，因而使得 3D 印表機在企業內的應用30 更加廣泛。顧能認為 3D 列印應用的商務市場將進一步深入到建築、工程、醫 療等用途以及短期製造領域。 2.對於參與專題研究之工作人員，預期可獲得之訓練: 經由這專題研究 3D 列印的應用方式，並嘗試自行設計，3D 列印的強大 經由本次專題讓我見識到了，結合 Kinect( 感應器是一個外型類似網路攝影機的 裝置)更是讓專題多了點趣味性，除了共同學習執行團隊能力與培養之外，此 專題研究提升了我們對此專題成品製造成型工件架構與創意設計能力。也提 升我們對製造另一技術的層面了解以及 3D 列印的未來趨勢。 3.經由本專題製作了解到 3D 列印的優點： (1)簡單的製造步驟。 (2)省力的製造過程。 (3)製造方便，客制化可能性高。 (4)費用低，日後人手一台 3D 列印機。
5.2 未來展望
1.
3D 列印技術目前已經步入了飛速發展的時代，3D 列印被賦予了「第三次工 業革命」的大背景，快速成型技術以 3D 列印技術為代表，被看作是引發新一 輪工業革命的關鍵要素。目前，在 3D 列印技術領域，雖然國內與國外存在較 大的差距，但是，國內在某些方面尚需努力，並且大眾對 3D 列印技術給予了 高度的關注和極大的熱情，這為提升整體實力提供了一個絕佳的機會，為 3D 列印的普及應用與深化發展提供了一個良好的平台。2.3D 列印技術未來趨勢之一——設備向大型化發展
配合國家政策從航太工業、汽車製造、生化領域以及工具機製造等工業 領域，對鈦合金、高強鋼、高溫合金以及鋁合金等大尺寸複雜精密構件的製 造提出了更高的要求。目前現有的金屬 3D 列印設備成形空間難以滿足大尺寸 複雜精密工業產品的製造需求，在某種程度上制約了 3D 列印技術的應用範圍。 因此，開發大幅面金屬 3D 列印設備將成為一個發展方向。3.3D 列印技術未來趨勢之二——材料向多元化發展
31 3D 列印材料單一性在某種程度上也是制約了 3D 列印技術的發展。以金 屬 3D 列印為例，能夠實現列印的材料僅為不鏽鋼、高溫合金、鈦合金、模具 鋼以及鋁合金等幾種最為常規的材料。3D 列印仍然需要不斷地開發新材料， 使得 3D 列印材料向多元化發展，並能夠建立相應的材料供應體系，這必將極 大地拓寬 3D 列印技術應用場合。
4.3D 列印技術未來發展趨勢
是美國政府機構中較早研究使用 3D 列印技術，已利用 3D 列印技術生產 了用於執行載人火星任務的太空探索飛行器（SEV）的零部件，並且探討在該 飛行器上搭載小型 3D 列印設備，實現「太空製造」。「太空製造」是 NASA 在 3D 列印技術方向的重點投資領域。為實現「太空製造」，美國已在太空環 境的 3D 列印設備、工藝及材料等領域開展了多個研究項目，並取得多項重要 成果。5.3D 列印技術未來發展趨勢
3D 列印技術的快速發展和遠程控制技術為空間探測提供了新的思路。月 面設施構件 3D 列印技術是利用月球原位資源,採用 3D 列印技術就地生產月面 設施構件,是未來建立大型永久性月球基地的有效途徑。該方法能夠最大限度 地利用原位資源製造 3D 列印所需的粉末材料，繼而採用 3D 列印設備直接列 印出月面設施構件，大大降低地球發射成本，並可利用月球基地的原位資源 探索更遠的空間目標。6.3D 列印技術未來發展趨勢
隨著 3D 列印技術的不斷發展與成本的降低，3D 列印技術走入千家萬戶 不無可能。也許，未來的某一天，你便可以在家裡給自己列印一雙鞋子；也 許，未來某一天，在你的車子裡就放著一台 3D 印表機，汽車的某個零件壞了， 便可以及時列印一個重新裝上，讓你的車子繼續飛奔起來，而不是站在路邊 苦苦地等著別人來把你的車子給拖走…3D 列印正因為它的獨特魅力逐漸融入 我們的生活；3D 列印正因為它的獨特優勢逐漸改變這個世界；3D 列印正因為 它的無所不能可以讓你的「異想天開」變得「實實在在」；3D 列印正因為它 的快速高效可以讓你的「駕車旅遊」不再孤單；3D 列印正因為它的巨魔力讓 建立高大建築物不再是一個夢想，這就是「3D 列印」。32
參考文獻
1.范憶華，機構學，高立出版社，2014。 2.許佩佩，材料力學， 全華圖書公司，2016。 3.江元壽，機械材料，台科大出版社，2012。 4.朱朝煌 ，精密量測，全華圖書公司，2013。 5.朱敏德，機械元件設計，新文京出版社，2003。 6.許中原， SolidWorks 2012 基礎範例應用，全華圖書公司，2012。 7.光灼華，機械設計，全華圖書公司，2015。8.影片來源 You Tube: https://youtu.be/0hCAEkh-pRU。 9.參考網址:http://www.ifuun.com/a20164712544/。 10.參考網址:https://read01.com/0e5OKj.html 11.3D 列印維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/3D%E6%89%93%E5%8D%B0 12.減速器維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%87%8F%E9%80%9F%E5%99%A8: 13.行星齒輪模型，田宮株式會社，2014
