快速成型技術(shù) -3D印刷製程 組員：宋明峰 黃介宏 詹勳旻 沈恩瑋 陳竑志 RP (Rapid Prototyping) 是一種可以在數(shù)小時內(nèi)從所建 構(gòu)的模型直接製作出正確尺寸雛形的 新製造技術(shù)。 快速原型系統(tǒng) 可製作出任意 複雜形狀或是細微機構(gòu)的雛形，完全擺脫 切削加工的限制，克服手工模型易失真的 缺失，並能 節(jié)省昂貴 的模具製作費用。 下表來比較 CNC加工機與 RP成型機適用性 RP (Rapid Prototyping) RP所賦予的主要效益包括： 1.縮短加工階段所需時間 。 2.將 概念實體化 ，以減少設(shè)計時的可能錯誤修正。 3.將 設(shè)計實體化 ，以減少組合時的尺寸錯誤修正。 4.製作樣品 ，測試機構(gòu)運動干涉、功能強度測試。 5.樣品確認尺寸 ， 減少 尺寸錯誤而需修改模具費用。 6.成品快速實體化 ，直接生產(chǎn)少量多樣成品。 立體列印技術(shù) (3D Printing)是快速原型技術(shù)的一種， ZCorporation公司於 1993年乃針對立體列印技術(shù)有別於 他 RP系統(tǒng)的多項優(yōu)勢進行研發(fā)工作。 並於 1996年推出 Z Printer系統(tǒng)。它是一種簡單的快速成 型技術(shù)，主要的成型概念與一般的 RP系統(tǒng)均相同，均 是將 3D模型進行分層切割（ SLICING） 後再做分層處理 來 堆疊 出 3D成品，而 Z Corporation在進行分層處理的 過程中，乃 利用印表機列印的原理對分層切割後模型材 料進行分層列印 。 新一代快速原型系統(tǒng) ZCorporation 立體列印技術(shù) (3D Printing) -工作原理 1 置放粉末 首先將左側(cè)的粉末供應(yīng)活塞降至最底層，右側(cè)的 堆疊活塞則提升至最上層，並將粉末狀的模型原 料至放於供應(yīng)容器中。 立體列印技術(shù) (3D Printing) -工作原理 2 塗敷粉末 當粉末供應(yīng)活塞上升之後堆疊活塞會同時下降 ，並利用上層的滾輪將粉末供應(yīng)盒中的原料往 右?guī)е脸尚涂臻g中。 立體列印技術(shù) (3D Printing) -工作原理 3 收集粉末 當滾輪將左右容器的高度舖平之後多餘的粉末 會掉落至收集容器內(nèi)，而這些粉末原料在工作 結(jié)束之後，都可以回收再使用。 噴塗黏著劑 再回程中，上層的噴頭會再在模型的分層斷面 範圍內(nèi)對粉末進行 黏 著劑的噴敷，並藉此黏著劑將粉 末結(jié)合。 立體列印技術(shù) (3D Printing) -工作原理 4 重複步驟，直到模型堆疊完成 當粉末供應(yīng)活塞再度上升之後堆疊活塞會同時 下降，每一階段都重複進行去程的塗敷粉末以 及回程的噴敷黏 著劑動作，藉此 達到模型的堆疊 成型。 立體列印技術(shù) (3D Printing) -工作原理 5 請觀看 01影片 Z Printer的機構(gòu)概述 下圖代表 Z Printer系統(tǒng)的設(shè) 備機構(gòu)概念，伺服馬達控制上 部的粉末塗敷滾輪及粘著劑噴 頭進行 XY方向的移動，而在 Z方 向則控制了供料活塞及堆疊活 塞的上升及下降動作，當左側(cè) 的粉末供應(yīng)活塞上升後，右側(cè) 的堆疊活塞會同時下降，利用 滾輪將粉末供應(yīng)盒中的原料往 右?guī)е脸尚涂臻g中，並再往左 的回程中以噴頭在模型分層斷 面 範圍內(nèi)對粉末進行粘著劑的 噴敷。 模型製作流程 請觀看 02影片，內(nèi)容從建模到使用 3DP來製成模型到完成 Z Corp系統(tǒng)與其他 RP系統(tǒng)均相同，在製作 RP模型之前必 須都要有 三維資料圖檔 ，而這些三維資料圖檔的來源必須 仰賴 3D軟體建構(gòu)或者藉由逆向工程設(shè)備的掃瞄 來生成，但 對於大部分的 RP的使用者來說，他的需求在於 希望夠快速 的得到一個概念性的實體模型 ，而這個概念大部份仍存在 於設(shè)計者的頭腦當中，因此 對於一個還沒有產(chǎn)生實體模型 的概念，利用逆向工程的方式建?？赡鼙容^不適當 ，因此 若以 RP需求作為考量，大部分的 RP使用者還是會選擇 利用 3D軟體進行建模 ，目前 3D軟體廠商眾多，功能性也都很 強，而現(xiàn)在開發(fā)出來的 3D軟體都以 Windows介面為基礎(chǔ)， 加上以 Solid Model為核心架構(gòu)，因此操作十分簡單，也幾 乎都支援 RP格式（ STL）。 模型製作流程 1. 3D CAD建模 在 得到 3D模型之後 ， 接下來我們必須將之轉(zhuǎn)換為 RP設(shè)備所能夠接受的檔案格式 ， STL是一般 RP 系統(tǒng) 所共同使用的檔案格式 ， STL格式的轉(zhuǎn)換原理 ， 是 將 CAD Model用無數(shù)的三角形來模擬趨近 CAD Model， 這有點類似 CAE軟體在運算之前要對模型做 的網(wǎng)格劃分 ， 除了 STL 之外 ， Z Corp系統(tǒng)也支援 ZBD、 BLD、 PLY、 ZCP、 SFX、 ZEC、 VRML等格式 ， 而 VRML格式可對模型外觀定義色彩 ， 因此 Z Corp系統(tǒng)可藉由 VRML檔案進行彩色模型的列印 ， 值得一提的是 ， 目前市面上所有的 RP系統(tǒng)當中 ， 也 只有 Z C o r p 系 統(tǒng) 可 製 作 全 彩 的 模 型 。 模型製作流程 2. 檔案轉(zhuǎn)換 在 列印模型之前，我們會使用 Z Corp系統(tǒng)所提 供的 Z Printer6.2進行模型的排列和傳輸，排列 模型的主要目的除了 防止模型超出列印範圍 之 外，並可在模型 不互相干涉 的情況下，將模型 排列至最高密度進行列印，以避免分次列印而 浪費時間，除此之外， Z Printer6.2也可對 模型 進行旋轉(zhuǎn) ， 縮放 ，以及 模型表面的文字貼附 。 在輸出列印之前還可預(yù)估列印時間以及 比對模 型和現(xiàn)有原料高度 ，以確認機器中的原 料是否 足夠，當所有設(shè)定動作完成後即可進行列印傳 輸。 模型製作流程 3.排列模型 在 模型輸出列印指令之後之後， Z Printer6.2中 的模型資料便傳輸?shù)?Z Printer設(shè)備進行列印動作 ，而 Z Printer6.2與 Z Printer之間的連線方式 可 使用 TCP/IP和 Serial Port進行列印的傳輸，尤其 是透過 TCP/IP的網(wǎng)路連線方式，更可達到遠端 遙控列印的效果。 模型製作流程 3.排列模型 在此是可順道一提的是， Z Corp系統(tǒng) 是唯 一不需進行 模型支撐 (Support)的系統(tǒng) ， 因為在 列印完成後模型完全被包覆在粉末 原料當中 ，這些粉末成為最好的支撐材料 ，因此我們只 需清除這些粉末即可取出 模型，因此完全可以免去清除支撐材料的 困擾，清除過程中你可使用刷子、吸塵器 、噴槍等工具將模型外的粉末清除，而這 些清除下來的粉 末材料都可以加以回收 後再利用。 模型製作流程 5.去除粉末 在 此是可順道一提的是， Z Corp系統(tǒng)是 唯一不需進行 模型支撐 (Support)的系統(tǒng) ，因為在列印完成後模型完全被包覆在粉 末原料當中，這些粉末成為最好的支撐材 料，因此我們 只需清除這些粉末 即可取出 模型，因此完全可以免去清除支撐材料的 困擾，清除過程中你可使用刷子、吸塵器 、噴槍等工具將模型外的粉末清除，而這 些清除下來的粉 末材料都可以加以回收 後再利用。 模型製作流程 5.去除粉末 模型製作流程 6.硬化處理 為 了強化模型的 強度 與 韌性 ，或者想要 的讓模型具有如同橡膠般的彈性特型， Z Corp除了提供各種粉末原料之外，另外需 搭配不同的硬化劑，讓模型得到不同的材 質(zhì)效果，模型在清除粉末之後即可加入 硬 化劑 ，而硬化劑的使用分為 滲透 、 塗刷 、 噴灑 、 浸泡 等各種方式，使用者可依模型 外觀決定適合的方式。 Z Printer的應(yīng)用優(yōu)勢 1.無可匹敵的印刷速度 2.多樣化的材料特性 3.無須支撐用耗材可節(jié)省粉末 4.強悍的系統(tǒng)軟體 Z Printer6.2 5.便利與簡易的操作與維修 6.網(wǎng)路相容 Z Printer的應(yīng)用範圍 結(jié)論 Z Corporation 公司所生產(chǎn)的 3D實體印刷 (3D Printer)快速原型 (Rapid Prototyping) 設(shè)備系統(tǒng)，可以提供任何一個設(shè)計團隊進 行更為廣泛的建模需求。 請觀看 03影片，以電腦 3D來模擬 3DP之過程作。 感想 3D模型實物的製作上，從 汽車研發(fā) 、 航 空製造 、 消費性電子 產(chǎn)品設(shè)計 、 建築 、 地理資訊 、 醫(yī)學(xué)工程 與學(xué)術(shù)教育上的原型 實物製作上，都得到相當廣泛的應(yīng)用，其 需求範圍包括可以從快速的概念性模型產(chǎn) 生，到完全以功能作為 測試目的的原型 製作，讓所有的產(chǎn)品設(shè)計在省時節(jié)費的技 術(shù)下得到實現(xiàn)。 資料來源： 實威科技 CAD/CAM 技術(shù)部捷銳 2003/12/20 本文發(fā)表於 CADesign雜誌 2004年一月刊