【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）精密檢測技術(shù)特色課程多媒體網(wǎng)路教材制作-電機(jī)工程

1 圣 約 翰 技 術(shù) 學(xué) 院 機(jī)械系專題研究報告 精密檢測技術(shù)特色課程多媒體網(wǎng)路教材制作 林 守 儀 副教授 中華民國九十三年一月 2 摘 要 傳統(tǒng)產(chǎn)品制程須經(jīng)由設(shè)計、制造、檢測等程序，曠日費時。逆向工程 (由原型以量測設(shè)備，量得其外型點群座標(biāo)資料，并以點資料前置處理將曲面重建后，送至統(tǒng)，做曲面修整等處理并自動產(chǎn)生 工程式 (NC 具路徑，經(jīng)由 至 具機(jī) ，以加工成品，或?qū)?由快速成型機(jī) (迅速制造出原型。 統(tǒng)可制作出任意復(fù)雜形狀或具細(xì)微結(jié)構(gòu)之原型，完全擺脫切削加工之限制，并且克服模型易失真的缺陷 ,這對制造加工而言是一項重大突破，而在開發(fā)研究一種新產(chǎn)品以 利用之工具，可大大降低經(jīng)費并縮短時間等優(yōu)點，為了進(jìn)一步降低成本，與提高原型之機(jī)械性質(zhì)，通常在施予快速模具 ( 本計畫旨在提供一系列 P/要內(nèi)容可分為三大部分： ，配合軟、硬體相關(guān)設(shè)備，加速推動產(chǎn)品設(shè)計人員之訓(xùn)練，課程中并將加入產(chǎn)業(yè)技術(shù)，以縮短產(chǎn)業(yè)人才需求及學(xué)界人才培育的距離，未來將可培育出具有產(chǎn)品設(shè)計、制作人才。 本計劃相關(guān)課程內(nèi)容將設(shè)計制作成網(wǎng)路多媒體教學(xué)，將教材藉由多媒體聲光效果及豐富的色彩圖片生動地表現(xiàn)出來，以提高學(xué)習(xí)者的興趣，藉由網(wǎng)路無遠(yuǎn)弗藉能力，可與各界人士交流。 3 目 錄 摘要 . 目錄 . 3 圖表索引 . 3 第一章 緒論 . 1 第二章 量測系統(tǒng) . 3 . 3 . 4 觸式測頭種類 . 7 接觸式測頭種類 . . 10 . 10 測軟體系統(tǒng)架構(gòu) . 11 第三章 逆向工程系統(tǒng) . 13 . 14 測系統(tǒng)設(shè)定 . 14 4 測路徑規(guī)劃 . 16 . . 17 . 17 第四章 快速成型 /快速模具技術(shù) . 19 . 19 速成型加工原理 . 19 速成型制程 . 21 速成型的應(yīng)用 . 27 速成型在模具上的應(yīng)用 . 29 . 30 第五章 多媒體教材 33 參考文獻(xiàn) . 40 5 圖表索引 圖 2觸式三次元量測儀 . 5 圖 2方向感測電子式測頭座 (. 5 圖 2械式測頭 . 16 圖 2發(fā) 式測頭 . 16 圖 2發(fā)式測頭 . 17 圖 2比式測頭 . 17 圖 3向工程流程圖 . 13 圖 3動 量測參數(shù)示意圖 . 16 圖 4種基本加工程序 . 20 圖 4作原理 . 29 圖 4快速 成 型制程 . 29 圖 4. 32 6 圖 4工示意圖 . 32 圖 4工示意圖 . 33 圖 4. 34 圖 4402C)快速 成 型件 . 34 圖 4402 建構(gòu)原理 . 35 圖 4速 成 型 在模具方面的應(yīng)用 . 38 圖 5媒體教材標(biāo)題 . 33 圖 5媒體教材： P/. 34 圖 5媒體教材： P/ ). 35 圖 5媒體教材： P/ ). 35 圖 5媒體教材： P/ ). 36 圖 5媒體教材： P/ ). . 36 圖 5媒體教材： P/ ). 37 圖 5媒體教材：精密檢測 . 37 圖 5媒體教材：精密檢測 (一 ). 38 圖 5媒體教材：精密檢測 (二 ). 38 圖 5媒體教材：精密檢測 (三 ). 39 7 第一章 緒論 類比式復(fù)制 (無法建立工件尺寸圖檔，也無法做任何的外形修改，逆向工程： 由原型以量測設(shè)備，量得其外型點群座標(biāo)資料，并以點資料前置處理將曲面重建后，送至 曲面修整等處理并自動產(chǎn)生 工程式 (NC 具路徑，經(jīng)由 至 具機(jī)，以加工成品。 統(tǒng)可制作出任意復(fù)雜形狀或具細(xì)微結(jié)構(gòu)之原型，完全擺脫切削加工之限制，并且克服模型易失真的缺陷 ,這對制造加工而言是一項重大突破，而在開發(fā)研究一種新產(chǎn)品以 利用之工具，可大大降低經(jīng)費并縮短時間等優(yōu)點。當(dāng)一概念之設(shè)計完成于電腦之 3D 體后，經(jīng)一介面程式將此 成 或依不同 型有不同接受之格式，再經(jīng)過一 體計算將 轉(zhuǎn)換成一層一層之 2D 剖面加工程式，再傳入器后，工件就被一層一層的加工、堆迭并結(jié)合起來，如此一來即可制成 3D 之 統(tǒng)，首先把原始模型懸空固定后圍上模框，依照比例調(diào)制好所需之硅膠量，置于真空中預(yù)抽脫泡，將硅膠倒入模框內(nèi)，再置于真空中脫泡，硅膠硬化后以手術(shù)刀將硅膠割開，取出模型再將硅膠組立起來即得到所需之硅膠模 ;以 的方法 ;所翻制出來的硅膠?？梢阅脕砉嘧⑴D型、 與 質(zhì)相近的 如此便能很容易復(fù)制出。 本計劃相關(guān)課程內(nèi)容 (P/計制作成網(wǎng)路教材，將教材藉由多媒體聲光效果及豐富的色彩圖片生動地表現(xiàn)出來，以提高學(xué)習(xí)者的興趣，藉由網(wǎng)路無遠(yuǎn)弗屆能力，可與各界人士交流，并擴(kuò)大教學(xué)效果。 9 第二章 量測系統(tǒng) 測系統(tǒng)介紹 三次元量測系于 1968 年日本三豐公司推出二次元游標(biāo)讀取方式之 座標(biāo)測定機(jī)，而接著于 1971 年英國 司推出全方位接觸式之探針 ，而逐漸發(fā)展為數(shù)位式三次元座標(biāo)量測機(jī)，結(jié)合數(shù)控床臺及其他測量方式（如光學(xué)）至今日三次元量測系統(tǒng)。 1、 2、 3、 4。 目前三次元量測儀之種類基本上分為接觸式與非接觸式兩大類，接觸式主要以觸發(fā)式測頭為主，非接觸式主要是利用光學(xué)感測元件與影像處理系統(tǒng)為主。 近年來三次元量測之廣泛受到重視，一方面三次元量測儀的量測精度接近微米的水準(zhǔn)；另一方面，三次元量測儀可以廣泛量測到不同的工件尺寸及誤差。目前三次元量測操作，已從簡單與手動的量測指令，逐漸朝自動化的提升和 配合，使得三次元量測的彈性和精度可 以充分發(fā)揮和利用。 量測系統(tǒng)在逆向工程中扮演舉足輕重的角色，一組規(guī)劃良好的量測數(shù)據(jù)，可以明顯減少后處理的困難度和資料處理時間，這對于復(fù)雜造型的工件尤其重要，所以需要個案規(guī)劃其最適當(dāng)?shù)牧繙y方式。 10 次元量測儀測頭 使用三次元量測儀進(jìn)行尺寸量測時，測頭可說是最重要的部份之一。在量測的過程中，使用不同種類的測頭，會直接影響到量測精度與量測所需的時間。以下就三次元測頭與量測表面交互作用的關(guān)系，將測頭分為兩類，做一介紹： 5、 6 (一 ) 接觸式測頭 接觸式三次元量測儀 （ 如 圖 2作動方式是利用一個可以作多方向感測的電子式測頭座，如 圖 2著三軸的移動來量測。量測時，當(dāng)測頭與工件表面碰觸，達(dá)到特定壓力時即可觸發(fā)信號，擷取測頭的 X、 Y、 Z 方向相對基準(zhǔn)點的座標(biāo)。經(jīng)由電腦計算處理，可得到測頭與真實尺寸的關(guān)系，進(jìn)而紀(jì)錄點資料作為后續(xù)逆向工程或相關(guān)工作使用。接觸式測頭量測優(yōu)缺點如下： 優(yōu)點： (1) (2) (3) (4)不規(guī)則曲面點資料。 (5)決量測定位的問題。 (6)易量測 3D 工件。 (7)所得到的點資料可直接用來建構(gòu)曲面。 缺點： (1)能得到工件表面之點資料。 (2)量測任意位置，但量測速度慢，自動 11 圖 2觸式三次元量測儀 圖 2方向感測電子式測頭座 (量測時，只能量測單一方向點位置且耗時。 (3)：塑膠或軟質(zhì) 材料），會因接觸力造成物體表面發(fā)生變形，而得到錯誤的點資料。 (4)須作量測規(guī)劃。 (5)以曲面接合處 若沒有圓角處理，則在交接的尖角處，將無法量得點資料造成量測死角。 12 (二 ) 非 接觸式測頭 非接觸式量測系統(tǒng)則以雷射掃描儀為代表，由于視覺（ 及雷射 （ 技術(shù)應(yīng)用在量測領(lǐng)域之研發(fā)已有顯著成果，傳統(tǒng)的接觸式測頭，對于易變形和復(fù)雜，微小的工件有量測困難，故非接觸式量測系統(tǒng)的使用亦逐漸增加。 雷射量測儀是應(yīng)用距離影像技術(shù)，利用 雷射光源經(jīng)聚光透鏡直射待測工件物體，反射之光線經(jīng)由感測器可以偵測到位置座標(biāo)值。接觸式測頭量測優(yōu)缺點如下： 優(yōu)點： (1)細(xì)小或軟性材質(zhì)的工件；即量測時，不受物體表面材質(zhì)的影響，也不會造成工件表面的傷害。 (2) 200,000 個資料點 /每分鐘 ） ，不須人為逐點量測，可在最短時間內(nèi)完成物體掃描，且得到龐大的點資料。 (3)受測頭半徑的限制，亦不會磨損測頭本身。 (4)利用此方式進(jìn)行量測。 缺點： (1) 表面太差，則反射之光線之光線不易聚焦，會導(dǎo)致座標(biāo)有平移現(xiàn)象；若表面太暗，則反射光線太弱，會使感測器得不到資料。 (2)差，對于幾何特征（如孔、槽等）及幾何誤差（垂直度、同軸度等）之資料，無法量測。 13 (3)產(chǎn)生聚焦方面的問題，造成量測精度降低。 (4)陡峭面），雷射光無法照射，造成資料遺失的現(xiàn)象發(fā)生。 (5)利于量測。 (6)件難量測（不易做座標(biāo)定位，須有特制之輔助軸，否則雷射光無法照射到整個立體工件）。 (7)常還需要復(fù)雜的處理，才可以得到量測物體之曲面外型。 為了獲得最佳的量測效果而言，需依據(jù)量 測工件幾何形狀的不同，選擇適當(dāng)?shù)臏y頭。以下針對接觸式與非接觸式量測系統(tǒng)，所使用的測頭種類作一介紹。 觸式測頭種類 (一 ) 機(jī)械式測頭： 圖 2括：球型、圓形、圓柱型及萬能型等。 以手動方式移動測頭接觸工件表面，并配合使用腳踏開關(guān)做為觸發(fā)，擷取座標(biāo)點資料，將資料傳回處理器。 接觸式量測系統(tǒng) (接觸式測頭 ) 機(jī)械式測頭 觸發(fā)式測頭 類比式測頭 14 圖 2發(fā) 式測頭 測 針 (二 ) 觸發(fā)式測頭： 圖 2發(fā)式測頭無論在任何位置及方向，只要其 測針 偏離原來的中心位置至某一程度時，立即產(chǎn)生一個檢測信號，它是由英國 司發(fā)展出來的，已廣泛被世界各主要制造三次元量測儀之廠商所采用 。 (觸發(fā)式測頭 圖 2示 ) (三 ) 類比式測頭： 圖 2頭接觸工件時，會有側(cè)向的位移，由可變線圈感應(yīng)或是由光學(xué)尺感應(yīng)，將電壓變化轉(zhuǎn)成可解析的數(shù)位訊號，并可求出與座標(biāo)間的關(guān)系。在量測時，工件與測頭必須保持接觸，不可中途離開工件表面，不適用于曲率變化過大之待測物量測。 圖 2械式測頭 15 圖 2發(fā)式測頭 圖 2比式測頭 16 接觸式測頭種類 (一 ) 雷射位移量測： 雷射探頭量測的原理以三角法 （ 為主，而 其量測的原理與結(jié)構(gòu)，雷射光由雷射二極體 （ 產(chǎn)生，經(jīng)聚光透鏡投射到工件表面。 (二 ) 向式量測 由于光電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，突破了傳統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造的設(shè)計方式，利用數(shù)位的式 基礎(chǔ)的快速視覺輪廓量測法因此產(chǎn)生。 合三種形式的雷射光源產(chǎn)生的量測方法有：單點雷射、線雷射和面雷射的量測方式。 觸式測頭量測方式 使用接觸式測頭做曲面量測時，量測方式的選擇對于量測結(jié)果有很大的影響。通常使用于曲面量測的 觸發(fā)式測頭 ，其量測方式的型態(tài)可分為觸發(fā)式與連續(xù)式量測兩種。 非接觸式量測系統(tǒng) (非接觸式測頭 ) 雷射位移量測式 像式 17 (一 ) 觸發(fā)式 量測 一般三次元量測儀最常使用觸發(fā)式量測，當(dāng)觸發(fā)式測頭觸發(fā)并產(chǎn)生訊號時，既表示測頭與待測物間的接觸力大于設(shè)定值時，使接觸點轉(zhuǎn)向，線圈上的電阻會產(chǎn)生變化，進(jìn)而送出一觸發(fā)訊號到位置檢測器，三軸位置檢測器收到訊號后，將各軸座標(biāo)的位置紀(jì)錄下來，利用此一方式量測的速度較慢。 (二 ) 連續(xù)式量測 連續(xù)式量測常用于曲面掃描，利用測頭和工件接觸時所產(chǎn)生的三軸位置變化量傳送到控制器上，以使測頭能沿著曲面的高低起伏作自動掃描量測。 測軟體系統(tǒng)架構(gòu) 量測軟體系統(tǒng)架構(gòu)主要可分為三部分：系統(tǒng)設(shè)定、基本量測及計算、掃描量 測。 (一 ) 系統(tǒng)設(shè)定 與量測有關(guān)的前置準(zhǔn)備或報表均屬此類。 例如：校正探針，選擇探針，工作面設(shè)定，機(jī)械歸零，報表和量測參數(shù)設(shè)定等。 系統(tǒng)設(shè)定雖非扮演主要角色，但對量測的方便性及精確性，卻提供不少助益，每一次操作中均要使用。 (二 ) 基本量測及計算 可進(jìn)行各種形狀量測（點、線、面、圓、圓錐、圓柱等），尺寸計算（距離、角度）及幾何公差檢測（平行度、垂直度 . 18 等等）。 (三 ) 掃描量測 主要針對逆向工程之需求而發(fā)展，因此量測功能不在求簡單，而是求完整，希望能提供逆向工程所需之各項量測功能。 掃描量測的功能又可分為系統(tǒng)設(shè)定及量測 兩類：與系統(tǒng)設(shè)定有關(guān)的功能，包括座標(biāo)系統(tǒng)設(shè)定，座標(biāo)系選用，掃描方式及參數(shù)設(shè)定；而與量測相關(guān)的功能，包括等高度，等半徑，3D 曲線量測，所有資料均需經(jīng)測頭半徑補正，以獲得正確的工件表面點資料。 19 樣 品 3D 輪廓量測 資料 處理 面建構(gòu) 外形修飾 生 逐 層產(chǎn)生 模具加工 速成型 模具成型 量產(chǎn)復(fù)制 圖 3向工程流程圖 第三章 逆向工程系統(tǒng) 逆向工程是結(jié)合三次元量測和 術(shù)已達(dá)到 加工制造出成品。一般而言，簡單造型 型的問題由于尺寸容易定義，可以由 接建立，對于具有造型復(fù)雜或具有功能性需求的曲面零件，則必須透過逆向工程來處理。 目前所有的逆向工程是針對一現(xiàn)有 件，利用三次元量測儀器，將 3以建構(gòu)曲面，經(jīng)編輯、修改后，傳至 由 生 工程式 （ NC 送至 具機(jī)，以加工出成品或者送到快速成型機(jī) （ 將樣品制作出來，如 圖 3示 【 9】 。 20 測規(guī)劃 首先，針對工件的幾何特性研擬曲面模型重建的方式，進(jìn)行三次元量測系統(tǒng)設(shè)定，包括測頭校正，座標(biāo)系統(tǒng)設(shè)定及掃描參數(shù)設(shè)定。而后進(jìn)行量測路徑規(guī)劃，包括劃分量測區(qū)域，掃描方式的選擇，取樣密度。 量測規(guī)劃，為逆向 工程技術(shù)中重要的一環(huán)，量測結(jié)果會依據(jù)量測規(guī)劃而得到。對曲面而言，量測資料的分布對曲面連續(xù)性的影響更是重要。也因此會影響后續(xù) 建立。 測系統(tǒng)設(shè)定 (一 ) 工件擺放 量測前須考慮模型如何擺放，才可得到最佳量測，以避免產(chǎn)生量測死角。當(dāng)然模型擺放與掃描所采用的方式也有直接的關(guān)系。 (二 ) 測頭校正 一個工件在不同的量測區(qū)域，可能需要不同的探頭及角度，必須事先審慎決定探頭的型式及角度，將其校正，以避免往后的量測過程中產(chǎn)生撞針現(xiàn)象。 (三 ) 座標(biāo)系統(tǒng)設(shè)定 有時在量測中會受到探頭角度的限制，需要 改變工件挾持的位置，因此工件座標(biāo)設(shè)定是重要參考。 座標(biāo)系統(tǒng)可分為工件座標(biāo)系統(tǒng)及機(jī)械座標(biāo)系統(tǒng)。機(jī)械座標(biāo)系統(tǒng)為預(yù)設(shè)的固定座標(biāo)系統(tǒng)，只提供座標(biāo)參考之用，一但 21 定位點 待測點 移動速度 定位點 定位距離 量測速度 定位距離 測定界限距離 待測點 圖 3動 量測參數(shù)示意圖 使用于工件量測，會因工件挾持位置之變化，造成量測資料無法整合，失去量測的意義；而工件座標(biāo)系統(tǒng)為固定于工件或夾治具上的座標(biāo)系統(tǒng)，即使工件挾持位置變化，只要再次設(shè)定座標(biāo)系統(tǒng)于同一位置上，便可將各次量測之資料整合在一起。 (四 ) 自動掃描參數(shù)設(shè)定 量測規(guī)劃中，不讓探針碰撞到工件，是必須要注意。因此，在自動量測進(jìn)行前，有些參數(shù)必須要設(shè)定 (圖 3 (1)度：測針在空間中，由一點快速移到另一點的速度。 (2)針由定位點朝待測點移動的速度。 (3)針定位點與待測點間的距離 (量測之后退距離 )。 (4)過待測點的距離。此一參數(shù)可使測針移動超過接觸點預(yù)設(shè)的距離時，若尚未碰到工件面即自動停止。 22 測路徑規(guī)劃 (一 ) 劃分量測區(qū)域 執(zhí)行逆向工程的首要工作就是將物體的幾何圖形數(shù)值化，也就是進(jìn)行表面量測。不過，在進(jìn)行表面量測之前，必須依照外型特性和量測機(jī)具，規(guī)劃適當(dāng)?shù)牧繙y區(qū)域，才能使量測資料足以代表量測表面的 幾何特征，并保持一定的精確度以便進(jìn)一步的處理。 (二 ) 掃描方式的選擇 對于矩形區(qū)域或 狀的量測，可使用往復(fù)式掃描；當(dāng)待測物為回轉(zhuǎn)體形狀，可使用對稱方式掃描；另外，當(dāng)待測物表面變化具極座標(biāo)特性時，能以葉片弧線量測方式量測該區(qū)域，其量測資料較能表現(xiàn)出曲面的特征。 (三 ) 掃描密度的決定 當(dāng)量測路徑型態(tài)確立后，再來就要考慮取樣的密度，取樣密度的決定并沒有特定的法則，通常由操作者依待測物表面復(fù)雜程度來決定。 目前以固定距離量測法為最常采用方式，由操作者決定量測路徑后，隔固定距離擷取資料點。量測距離較小 ，雖可減少曲面重件的失真程度，但卻會在工件表面平坦處，量測到多余點，造成量測時間增加，而且資料過于龐大難以處理；相反地，若量測距離大，雖可減少量測時間，但卻易造成重建的曲面因資料點不足產(chǎn)生誤差，尤其在物體曲率變化較大處，缺少關(guān)鍵量測點，更會使重建的曲面偏離原始的形狀。因此，量測間距必須根據(jù)曲面變化加以適當(dāng)調(diào)整。 23 測資料處理 在逆向工程的點資料量測過程中，常常因為許多因素造成所得到的點資料有缺陷，這些因素包括： (1) (2) (3)恰當(dāng)，造成工件表面波浪狀或局部的凹陷。 (4)探針靈敏度的問題。 這些因素造成點資料的不完整情形，包括： (1) (2) (3) 因此，點資料處理的項目主要有點資料的重整，重新取點，亂點濾除，平滑化等，可將掃描過程中，所產(chǎn)生的缺陷、亂點或雜訊予以抑除，得到較正確且易處理的資料點，以利于曲面系統(tǒng)的重建工作。 面及 體模型重建 應(yīng)用在 的數(shù)學(xué)模型類別有好幾種，例如 線、線 和 線。 線可以做出比 線具更高階數(shù)的曲線；而 線具有 線所欠缺的區(qū)域控制性，所以 線比 線和 線具有更大 24 的使用彈性。目前大多數(shù)商用軟體均采用此種架構(gòu)。 本文直接采用 軟體來構(gòu)建曲線、面與 體 模型 。 重建實 體 模型的方式，采用現(xiàn)成的 體： 。 透過三 次元量測儀，將外型曲線輪廓點資料直接輸入到 統(tǒng)中，進(jìn)行點資料編修及曲面模型建構(gòu)，再轉(zhuǎn)為實體模型。針對如圓柱、孔、圓 錐等 統(tǒng)可直接處理的標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀，可以使用三次元量床直接量測幾何參數(shù)資料，再于 統(tǒng)中直接繪制，建立完整的 型。 所建立的 型，稱為實體模型，其建構(gòu)方式就是將數(shù)個曲面模型接合成封閉曲面，曲面模型的編修，接合及轉(zhuǎn)換上主要是利用 的 能加以完成，但有時經(jīng)由 處理后，局部形狀會發(fā)生扭曲變形，此時需要改變曲面模型建構(gòu)的方式。曲面模型轉(zhuǎn)為實體模型前，各個曲面須接合良好稍有破洞或縫隙，即會影響實體模型的成型。 25 第四章 快速 成 型 /快速模具技術(shù) 速 成 型技術(shù) (快速成型 (稱 術(shù)，顧名思義是在一種短時間內(nèi)即能制作出所需要的 成 型技術(shù)。自 1980 年日本名古屋工業(yè)技術(shù)研究所 生首先發(fā)表以逐層光感高分子方式來制作三次元塑膠原型之后，至 1988 年 3D 司發(fā)展 統(tǒng)以來，短短十年， 術(shù)猶如一股旋風(fēng)在工業(yè)界、醫(yī)學(xué)界、寶飾業(yè)及學(xué)術(shù)研究界，形成一股研究與應(yīng)用的熱潮，并逐漸取代傳統(tǒng)實體模型制作方式，實現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計人員的夢想，將設(shè)計者腦中的 概念 (電腦繪圖技術(shù)描繪后，幾天或幾小時內(nèi)就可獲得與實際持品大小相同的 3D 實體原型 ( 速成型加工原理 傳統(tǒng)上原型的制作多半是仰賴有經(jīng)驗的技術(shù)人員以手工的方式進(jìn)行制作，既耗時又費工。盡管電腦輔助制造技術(shù) (已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在加工過程中，但是在原型之幾何形狀較為復(fù)雜時，以 作會有高成本與造型限制的問題。而快速成型技術(shù)除了可減少原型制作時間外，特別強調(diào)可產(chǎn)生傳統(tǒng)切削加工方式無法做到 的特殊造型?？焖俪尚蜁哂羞@些特性的原因是采用“材料增長”的方式 (進(jìn)行加工。 加工程序基本上可分為三類 【 10】 ： 材料除去方式、材料增長方式與成型方式，如 圖 4 26 圖 4種基本加工程序 (一 ) 材料除去方式：是利用尺寸較大的材料，加工去除多余的部分可得到符合尺寸要求的完成品，如車削、銑削加工。 (二 ) 材料增長方式：是以材料結(jié)合的方式進(jìn)行加工，以得到所需的物件，快速成型即采用此方式。 (三 ) 成型方式：是利用機(jī)械的力量或特定的形式作用在材料上，使其依所需的形狀來成型，如沖壓加工。 材料除去 方式與成型方式和材料增長方式最大的不同點，在于加工時所需的刀具、夾治具與模具會有一定的限制，對于復(fù)雜外型有加工上的困難，而材料增長方式并無這方面的限制，可以成型形狀較復(fù)雜的特殊的物體。 快速成型是以 ”材料增長 ”方式進(jìn)行加工，工作原理如下 (圖 4 當(dāng)設(shè)計者在 建構(gòu)出幾何模型后，透過電腦的運算與分析，將其分割為層狀，可取得各層的截面輪廓資料。快速成型制作系統(tǒng)接受到這些資料后，逐層將材料產(chǎn)生對應(yīng)截面外型的平面薄層，依序堆迭、固定與粘合后，產(chǎn)生與 幾何模型相對應(yīng)的實體 27 圖 4作原理 圖 4快速 成 型制程 原型。 藉由快速成型技術(shù)的發(fā)展，突破了許多制造能力的極限，對于復(fù)雜外型的物體，只要建構(gòu)出幾何模型，即可透過快速成型系統(tǒng)產(chǎn)生原型，以往傳統(tǒng)加工方式無法制造的幾何造型，如今都可能藉由快速成型技術(shù)來完成。 速 成 型制程 快速 成 型制程主要可分為四個步驟，如 圖 4示： 建立 型、資料轉(zhuǎn)換與傳輸、產(chǎn)生成型資料、建構(gòu)實體原型與后處理。 建立 何模型 切層取得輪廓資料 原型建構(gòu)與后處理 由 統(tǒng)，如 、 行 由 統(tǒng)之轉(zhuǎn)換模組完成 由快速 成 型系統(tǒng)之切層模組完成 依快速成型系統(tǒng)，決定后處理程序 轉(zhuǎn)換為 式檔 28 (一 ) 建立 型 設(shè)計者可利用許多商業(yè)軟體來進(jìn)行建立 型的工作，而建構(gòu)完善的幾何模型為進(jìn)行快速成型制作的先決條 件。 建構(gòu)幾何模型的過程中有兩個重要觀念： 第一：模型的建立必須以實體模型 (曲面模型(構(gòu)出封閉體積的模型，因為快速成型所需截面資料必須是封閉的外型。 第二：對于實際使用的成型系統(tǒng)不同，必須考慮到工作的方向和支撐的要求。 (二 ) 資料轉(zhuǎn)換與傳輸 各種 統(tǒng)所使用的資料結(jié)構(gòu)均不相同，因此在 型與快速成型系統(tǒng)間要建立共同的檔案傳輸格式。目前主要的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)為 3D 司所設(shè)計的 式檔，為一種三角網(wǎng)格幾何模型。 (三 ) 產(chǎn)生成型資料 快速成型的制作原理是建構(gòu)出物體截面形狀的薄層，依序迭合后產(chǎn)生工件，因此必須取得各截面的輪廓外型。物體在轉(zhuǎn)換成 案后，透過切層 (其分割成薄片狀的截面，以得到成型所需的資料。 (四 ) 建構(gòu)實體原型與后處理 原型的建構(gòu)方式取決于快速成型系統(tǒng)， 快速 成 型技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展，至今已有數(shù)十種 型相繼上市，成型的方式也由原本的光硬化樹脂雷射照射硬化的 液態(tài) 方式發(fā)展為 半液態(tài) 、 固態(tài) 、 粉末 等多種方式： 29 以下就針對上述幾種不同的成型方式做一 介紹 : (1)圖 4方法以液態(tài)聚合物為基本材料，以雷射光或紫外光照射達(dá)到固化。商業(yè)化的產(chǎn)品前者以 3D 代表，后者以 統(tǒng)為代表。 最早商業(yè)化且世界占有率最大的系統(tǒng)，通常是以 外線雷射以上照射來固化光硬化樹脂，其制程是在液面上成型，故需要支撐。 (2)圖 4工作原理十分類似擠牙膏的方式，加工方式是以 加熱頭熔化線狀之熱塑性材料，再將熱塑性的固體細(xì)絲材料由加熱頭熔化擠出而一層一層堆積成型直到整個工件完成，此法以 司之 系統(tǒng)為代表。 (3)圖 4成型方式是以雷射或切割刀切割工件外輪廓于被覆有熱熔性粘結(jié)劑 （ 的薄片材料上，外輪廓切割好之后經(jīng)熱壓粘結(jié)于上一層已切割完成之薄片材料上，如此循環(huán)直到工件完成，此成形方法以 日本統(tǒng)為代表。 30 圖 4工示意圖 【 11】 圖 4工示意圖 【 12】 31 圖 4工示意圖 【 13】 (4) 此法是以雷射照射于粉末，被雷射照射之處粉末與粉末粘結(jié)成型，一層完成之后再照射下一層直到工件完成(圖 4 ；另一種為 使用噴嘴噴射粉末粘著劑使得粉末顆粒產(chǎn)生鍵結(jié)，并藉由添 加粘著劑以增如粉末間的鍵結(jié)力量。 其粉末的種類有熱塑性粉末、陶瓷粉末與金屬粉末，代表機(jī)型有 司的 司之 402(速 成 型系統(tǒng)。 402C) 3D Z 公司所制造的三次元模型單、彩色建造機(jī)，搭配電腦軟體 ,可將讀入之正向檔案或逆向資料，配合特別 之粉末建造出實體模型來，如 圖4外，其不需特別之環(huán)境 ,一般辦公室空間即可設(shè)置。 32 圖 4工示意圖 【 14】 圖 4402C)快速成型件 本實驗中，所采用的 統(tǒng)為 速 成 型 系統(tǒng)，其建構(gòu)原理如 圖 4示。 經(jīng)過本機(jī)器所制作的原型件必須在再經(jīng)過滲臘或是環(huán)氧樹脂，以增加其強度與耐久性。其精度與強度是以 33 選擇的材料而定強度可達(dá) 10 面中精度是 吋以內(nèi)， Z 軸的精度在 吋內(nèi)。 建構(gòu)過程： 首先機(jī)器之運作如下圖步驟 (粉末逐層分布于工作平臺上 (4)，每完成一層粉末分布 ,平臺自動往下一層之厚度 (5),即完成一層粉末制作之 ,依此步驟完成各雛型之制作。 準(zhǔn)備下層工作 圖 4402 建構(gòu)原理 34 速 成 型的應(yīng)用 現(xiàn)階段快速成型機(jī)所制做的產(chǎn)品，主要的應(yīng)用仍然是在 原型的制作，另外使用于設(shè)計結(jié)果的驗證、實驗分析用模型、樣品或外觀設(shè)計等方面也是蠻多的?？焖俪尚椭畨m用包羅萬象，介紹如下： (一 ) 產(chǎn)品研發(fā)過程中，有了設(shè)計概念后，便須制作原型，以確認(rèn)此一概念設(shè)計之正確和實用性；原型確認(rèn)后，便是模型之制作，若模型或概念原型遲遲無法確認(rèn)，勢將影響其機(jī)構(gòu)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計等等；由其是若因概念原型和模型未定而直接進(jìn)行機(jī)構(gòu)和細(xì)部設(shè)計，常常引發(fā)許多裝配成型、功能等等問題。 快速 成 型在工業(yè)原型和模型上之應(yīng)用包含有：概念、組裝、成形、功能、估價評估、市場展示?？烧f是著重于設(shè)計驗證、評估，此方 面應(yīng)用大抵上歸類 應(yīng)用，此為 高價格的 市場發(fā)展有限，故更應(yīng)著重于模具之開發(fā)應(yīng)用，另新興的虛擬實境更將占走 市場。 (二 ) 快速模具 (因快速 成 型技術(shù)之發(fā)展，使得原型件可以當(dāng)成生產(chǎn)時之母模，解決了模具制作之瓶頸，故而此項應(yīng)用被稱為快速模具。 (三 ) 小量生產(chǎn)的零件和產(chǎn)品 生產(chǎn)過程中，因機(jī)件磨損或破壞等等狀況影響到生產(chǎn)力，或有時庫存件不足或缺乏，訂制耗時又秏錢，便可 使用快速 成 型制作所需之零件。 35 (四 ) 醫(yī)療應(yīng)用 醫(yī)療用途上，特別是骨頭、牙齒的制作上十分符合快速成 型技術(shù)之發(fā)展。若依其領(lǐng)域分類可區(qū)分為： (1) 手術(shù)前模擬 (2) 損壞部復(fù)原用模型 (3) 教育培訓(xùn)用模型 (4) 牙齒模型 (5) 運動部位之動作軌跡解析 (五 ) 其他應(yīng)用 快速 成 型之其他應(yīng)用，以珠寶首飾業(yè)為最，己開始進(jìn)入設(shè)計電腦化，與原型制作快速與電腦化。 速 成 型在模具方面的應(yīng)用 快速 成 型在模具技術(shù)方面上的應(yīng)用，簡單可歸類如 圖 4示，快速 成 型技術(shù)可以直接制作樹脂模具；快速 成 型 可制作原型后經(jīng)精密鑄造技術(shù)而得金屬模具等等。 36 圖 4速 成 型在模具方面的應(yīng)用 【 15】 速模具技術(shù) (如何有效的縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，以最新、最符合市場需求的產(chǎn)品保持市場的領(lǐng)先，是各廠商不短努力的方向。因此誰能在最短時間及最少的經(jīng)費下推出新產(chǎn)品誰就是贏家。 型品 母型 硅膠模具 樹脂模具 表面噴涂 金屬模具 電鍍模具 電極 石膏鑄造 真空注塑成型 真空成形 注塑成形 橡膠成形 玻璃成形 沖壓成形 完成品 砂型 脫蠟鑄模 精密鑄造 消失模鑄造 砂模鑄造 脫蠟鑄造 金屬合金模具 37 了做裝配、設(shè)計、視覺上確認(rèn)等應(yīng)用之外，如何將其功能延伸就又是另一門重要的課題，于是快速模具就應(yīng)運而生。利用 快速的以批量生產(chǎn)出所需的產(chǎn)品，而達(dá)到快速制造的目的， 使用者就能比其它制造商早一步將產(chǎn)品推出市場，達(dá)到市 場領(lǐng)先的目的。若為試探性的產(chǎn)品，則亦可在最小成本的情況下進(jìn)行小型生產(chǎn)，藉以了解消費大眾的需求，作為公司內(nèi)決策重要參考，若試探產(chǎn)品反應(yīng)良好則接下來可進(jìn)行大量生產(chǎn)的工作。 術(shù)的發(fā)展可分為兩方面直接造模法及間接造模法： (一 ) 直接造模法 在 工時，其加工的外型就是一模具模仁，在模仁的完成之后再進(jìn)行后續(xù)處理得到模仁。 例如： 、 、 、 3D . . . . (二 ) 間接造模法 由 器加工出所需要的零件形狀 ，或直接以現(xiàn)成零件經(jīng)過翻制以得到模具。 例如：硅膠模 (精密鑄造 ( 金屬樹脂模 ( 金屬噴涂模 、 3D . . . 因快速 成 型技術(shù)之發(fā)展，使得原型件可以當(dāng)成生產(chǎn)時之母模，解決了模具制作之瓶頸 。 以 下就 ” 快速模具 ” 做一簡單介紹： (1) 其制程適于復(fù)制少于 50的工件。 38 (2)此制程和硅膠模類似，只是必須完全在真空中完成，可減少復(fù)制時間、改進(jìn)品質(zhì)且降低損壞率與消除針孔等，亦用于脫蠟鑄造用蠟型。若由環(huán)氧基樹脂混合鋁粉取代，可制作堅硬的金屬樹脂模，可直接用于射出成型模具上，可達(dá)到 1000 個零件的壽命。 (3)脫臘鑄造是快速