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CHAPTER 4
實體自由曲面成型
製造與快速成型
1
4.1 實體自由曲面成型製造技
術 (SSF)
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3
4
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6
7
8
9
4.1
實體自由曲面成型製造技術 (SSF)
• 如同第二章一開始所提及的「市場採納圖
(market adoption S-shaped curves)」所示，
實體自由成型製造領域 (Solid Freeform
Fabrication, SSF) 之興起主要是由於大量
的廣告宣傳所致。實體自由成
型製造過程有時可描述如下：
• 工件的需求
• 藝術工件化
• 桌上型的加工
• 快速成型
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4.1
實體自由曲面成型製造技術 (SSF)
• 鑄造是一個特例，應用在特殊訂單只做一
個的原形製造上
• 對於訂單批量在10至500個時，使用立體石
版印刷製作模具，則是一種非常有成本效
益的方法；機械加工 (machining) 也可以被
使用來只製作一件的原型上。
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4.1.1 實體自由成型製造與快
速成型製程一覽
12
4.1.1
實體自由成型製造與快速成
型製程一覽
於商業上平常使用：
• 立體石版印刷 (SLA)
• 選擇性雷射燒結成型技術 (SLS)
• 薄片疊層法成型技術 (LOM)
• 熔融沉積成型技術 (FDM)
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4.1.1
實體自由成型製造與快速成
型製程一覽
比較偏向研究及發展階段之技術：
• 使用塑膠、陶瓷、及玉米澱粉之三維噴印法
• 使用塑膠材料之三維噴印法，再利用機械加工進
行平面化處理
• 實體底面連續固化法 ( 類似立體石版印刷 )
• 實體沉積建模 ( 是一種加與減的組合 )
非實體自由成型製造技術 ( 傳統式 )
• 機械加工 (machining)
• 鑄造
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4.1.1
實體自由成型製造與快速成
型製程一覽
• 克萊斯勒 (Chrysler) 公司曾在1990年代做了比較，
結果顯示立體石版印刷比其非傳統的原型製造競
爭技術，在成本及精度上有著相當的競爭力 ( 該
向探討並不含機械加工與鑄造之評估與比較 )。
• 在過去十年中，立體石版印刷 (SLA) 已然成為實
體自由成型製造技術 (SFF) 中最常使用的方法，
特別是應用於鑄造與射出成型模具中產生原型樣
模時，更是如此
– 雷射燒結成型技術 (SLS)、融熔沉積成型技術 (FDM)、
薄片疊層法成型技術 (LOM) 均是繼立體石版印刷 (SLA)
之後，非常可行的原型製造方法。
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4.1.2 實體自由成型製造技術
的歷史
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4.1.2 實體自由成型製造技術的歷史
• 第一套商業化的「實體自由成型製造技術
－立體石版印刷」的問世，也伴隨著表示
CAD物件之「.STL」標準格式的建立；
「.STL」是一種改良過的CAD格式，可作
為後續進行分層切割之基礎，也可以運用
在SLA、FDM、及SLS等原型製作機器之雷
射掃描路徑上。
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4.1.2 實體自由成型製造技術的歷史
• 足球是不是一個圓球呢？這個答案隨著量
測之方式而異；從表面上來看，它是一個
完美的球體；然而，如果吾人從近距離來
觀測，就會發現它其實是由二十個小的六
角形與一些五邊形的皮革綴面所縫製成的；
實際上，它只是近似一個球體。
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4.1.2 實體自由成型製造技術的歷史
• 如圖4.1所示，格子化的CAD實體模型將會被分層
切割成如同紙張堆疊之形式，就如同3D System
公司SLI檔案或者是切片檔。其他快速原型製作的
機器也會使用相同的分層切割技術，但是也會定
義出自己的檔案格式與附加檔名。
• 如果這個物件是顆足球的話，每一個切割出來的
層都會是圓形；然而，由於有了格子化的過程，
切割出來的並非是一個完美的圓；每一次的切割，
都會通過在邊界上的三角形，因此切割出來的每
一層 ( 或圓盤 )，實際上，將會是一個有外接圓
(bounding circle) 的多邊形，這個多邊形的邊數
取決於格子化的精度要求。
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4.1.2 實體自由成型製造技術的歷史
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4.2 立體石版印刷：概述
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4.2.1 背
景
• 立體石版印刷 (Stereolithography, SLA)」的商品
化在1987年開始於3D Systems Inc. 公司 ( 請參
見Jacobs, 1992, 1996)。這項技術的製程請參見
圖4.2。
• 這項技術的發展歷程而言，可以經由光凝化
(photocurable) 的液體之開發乃是為了用在印刷
工業 (printing industry) 以及傢俱之漆封上的。而
用在傢俱之漆封上的時候，為了避免致癌溶劑
(carcinogenic solvents) 之使用，紫外線
(ultraviolet, UV) 凝化製程乃被開發了出來。
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4.2.1 背 景
23
4.2.1 背 景
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4.2.1 背
景
• SLA是如何從這些發展出來的：SLA的發明
者一定已經看過了光凝化液體是如何的被
一層一層的塗在椅腳上以形成固態形狀之
流程。然後，因為使用氦鎘 (HeliumCadmium) 雷射可以提供比簡易型紫外線弧
光燈更集中的能量型態，並且1980年代早
期微處理器價格的急遽降低也幫了很大的
忙，使得在SLA機器上的雷射控制以及
CAD資料的格子化 (tessellation) 程式的開
發更加方便。
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4.2.1 背
景
• 就生產製程而言，一旦第一層凝化了，升降設備就可以依
照所要求的精度下降約50到(0.002到0.008吋 )，以產生另
一層，而不同層之間可以藉由其自身的熔化結合在一起。
製程結束的時候，升降設備可以將整個零件昇高並進一步
凝化。
• 在這個零件真正可以被使用之前，後續的凝化 (postcuring)
製程 ( 大概是隔夜的時間 ) 是有必要的。也可以進行手工
研磨以去除該零件外形的階梯形狀 (stair-stepping)。
• 要注意的是，圖4.2中的物體懸空的部分大約是其高度的
一半，在實際成形的時候，必須使用很細的結構支撐，而
這些支撐物可以在完成之後被去除，並加上一些手工研磨
加強表面的美觀；如果沒有這些支撐物，水平的部分將會
下垂。
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4.2.4 立體石版印刷詳述：樹
脂
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4.2.4 立體石版印刷詳述：樹脂
• 雷射提供了更直接的能源，如果施加在可以經由光凝化
(photocurable) 的液體上，而且電腦在建構格子化的時候
速度夠快的話，就可以實現SLA製程。跟SLS ( 使用二氧
化碳雷射 ) 比較起來，SLA使用的能源較低。
• 光聚合作用 (photopolymerization) 被定義成將許多小分子
( 單體 ) 與由許多小分子構成的較大的分子 ( 聚合物 ) 連結
起來之過程。乙烯基 (Vinyl) 單體乃是由具雙鍵的碳 (C=C)
鍵結並且依附在複雜的群體“R”上。在原來的樹脂中，單
體群之間只有微弱的凡得瓦力 (van der Waals bonds) 鍵
結而已。
• 當雷射作用在鍵上的時候，C=C雙鍵就斷裂，然後彼此連
結形成長鏈 ( 參見表4.3)。
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4.2.4 立體石版印刷詳述：樹脂
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4.2.4 立體石版印刷詳述：樹脂
鏈之間的鍵結會產生三種主要的效果：
• 液態的凝膠會固化
• 密度增加
• 剪強度增加
原來的乙烯基 (Vinyl) 單體雖然已經有了交叉
的連結，長鏈中的共價鍵之形成，使得鍵
結力量更大。
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4.2.5
立體石版印刷詳述：
SLA製程
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4.2.5 立體石版印刷詳述：SLA製程
• 為了產生個別的薄層
– 首先，利用雷射追蹤每一層的邊界，這稱為建立邊界
(Bordering)。
– 第二，可想像將橡皮圈或環圈套於表面上，再利用類
似建立剖面的方式或者是類似編織圖樣的方式在整個
表面上交叉。
– 第三，充填該區域以生成最後的膠化與固化。
• 在每一層形成後，雷射掃描就可以移至下一層；
然而，如果要產生幾千分之一英吋的精度時，就
必須考慮一些細部的製程規劃，以便控制精度，
如圖4.5所示。
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4.2.5.1 第一步驟：準備工作
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4.2.5.1
第一步驟：準備工作
• 工件建構時，必須設定加工精度。一般而
言，每一層的平均建層厚度為100微米
(0.004英吋 )，然而，隨著期望之準確度的
改變，其厚度範圍可為50微米至200微米。
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4.2.7 選擇性雷射燒結成型技
術 (SLS)
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4.2.7
選擇性雷射燒結成型技術 (SLS)
• 另外一種非常普及的方法是DTM公司將之商業化的雷射燒
結成形技術。除了雷射是用來燒結與熔合粉末而不是光凝
固高分子液體外，在許多方面上，SLS與SLA非常相似。
• 一個步驟，必須準備如前面所提過的「.STL/SLI」檔案。
在SLS機器中，先舖置一薄層的可熔化粉末，接著，在加
熱室中利用紅外線加熱板，將粉末材料加熱至恰為熔點以
下。然後利用雷射燒結與熔合粉末以產生預期之工件圖案
的第一個薄層。
• 下一個步驟為，將第一個薄層下降，利用滾軸均勻的被覆
上一層粉末，再重複剛剛所描述的製程 ( 如圖4.7)。
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4.2.7 選擇性雷射燒結成型技術
(SLS)
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4.2.8 薄片疊層法成型技術
(Laminated Object Modeling,
LOM)
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4.2.8 薄片疊層法成型技術
(Laminated Object Modeling, LOM)
• 薄片疊層法成型技術 (LOM) 是由Helisys公
司所發展出來的，正如同SLA與SLS一樣，
也是在1987至1990年間被商品化的產品。
• 在薄片疊層法成型技術中，雷射主要是切
割逐層堆疊膠合的紙張之最上層，當每一
層形狀經雷射切割後 ( 如圖4.8所示 )，紙張
的滾子會往前轉動，將新的一層堆疊並膠
合至最上層，此過程被一再重複到結束為
止。
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4.2.8 薄片疊層法成型技術
(Laminated Object Modeling, LOM)
40
4.2.9 融熔沉積成型技術 (Fused
Deposition Modeling, FDM)
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4.2.9 融熔沉積成型技術 (Fused
Deposition Modeling, FDM)
• 圖4.9顯示的是材料是以細線的型態從線軸上供應，
這種設計很容易使人聯想到蛋糕的糖衣；當細線
流經一個被加熱的送料頭 (delivery head) 時，會
立即熔化，再經出口噴嘴形成一個薄的帶狀物，
噴嘴由數值控制 (CNC) 碼所控制引導，而具有黏
度的高分子細帶物，將會逐步由無固定裝置的底
盤建構形成。
• 於控制方面，FDM比SLA或SLS更類似CNC加工
機。對較簡單的工件，不需要夾治具即可一層一
層建構成形。若要產生較複雜的工件，如具有內
凹處，奇特的雕刻曲面或懸吊特徵時，就需要有
支撐的基座。
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4.2.9 融熔沉積成型技術 (Fused
Deposition Modeling, FDM)
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4.2.9 融熔沉積成型技術 (Fused
Deposition Modeling, FDM)
• 支撐材料可用手加以破壞之，因此需要適度的拋
光處理。然而，儘管從控制的觀點來看FDM與
CNC加工機相似，在實體自由成型製造技術家族
中使用最多。
• 類似的熔沉融積的機器，例如實體製造3D繪圖機
(Model-Maker 3-D plotter) 已經為Sanders公司所
發展出來了；在Sanders的機器上，噴嘴用來沉
積有黏度的高分子，它要控制有黏度的高分子的
流量，而得到均勻的分佈塗層較為困難，如同控
制牙膏流量於平面上而得到均勻的厚度一般。故
每形成一層表面層時，可先利用銑削刀具進行平
面加工，再進行下一層之成形。
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以下比較偏向研究及發展階段之技術
4.2.10
三維噴印法成型技術
有些機器也可以被使用在工業界的設計工作室中，讓從事設
計的人員，能夠在短時間內製作或重複製作設計原型，使設
計者在設計案進行過程中，能獲得較佳的感官效果 (Look
and Feel)；例如：
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4.2.10
三維噴印法成型技術
玉米澱粉之三次元噴印，它主要是由，逐層噴塗有機黏合劑
(Binder)，並使粉末凝固，其工作原理乃是由Z-公司的設備
(Z-Corporation machine) 所提供的。首先，如圖4.10(a) 所
示，由粉末槽中沾集粉末，並將其均勻滾壓鋪覆成在成型床
台的表面上形成一薄層，再使其硬化凝固成特定外型，硬化
凝固不像SLS採用雷射，而是利用有機黏著劑 (Binder
Phase) 配合連續噴嘴，以極細的噴霧滴粒，類似傳統噴墨
式印表機的方式，直接噴塗在NC控制的xy床台上的粉末薄
層上，薄層以特定幾何區域凝固，固化後的層則下沉一個層
厚的高度，繼續重複進行下一層的鋪覆凝固成型，直到產品
整體原型完成後，再搗除週邊未凝結的粉末，即可取出實體
原型產品。
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4.2.10 三維噴印法成型技術 (3D
Printing and Plotting Processing)
• 另一種比較精確的三維噴印製程是由麻省
理工學院Sachs跟其同僚所研發的，他同時
也是三次元噴印製程的原創者，如圖4.10(b)
所示，這種製程可以用來製造金屬鑄造用
的陶瓷模具與塑膠射出成型的粉末金屬模。
這種三維噴印製程的商業化應用價值正持
續成長當中 (Smith, 2000; Sachs et al.,
1992, 2000)。
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4.2.10 三維噴印法成型技術
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4.2.10 三維噴印法成型技術 (3D
Printing and Plotting Processing)
49
4.2.11 實體底部連續固化法
(Solid Ground Curing, SGC)
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4.2.11
實體底部連續固化法 (Solid
Ground Curing, SGC)
• 利用光罩，使聚合物依預先定義的圖樣，
逐層的凝固成型，而且最先被凝固的薄層，
就是實體模型的最下層基礎平面層 (Ground
Layer)。
• SGC與SLA的主要差異在於SLA是採用雷射
點光源來掃描光罩並透過光罩使聚合物凝
固，而SGC則採用完全平行的紫外線平板
燈光經由光罩對聚合物進行直接曝曬並使
其凝固。
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4.2.11
實體底部連續固化法
• 圖4.11左方的光罩製作迴路中，首先由CAD檔傳入切層
資料，再依照傳入之數據製作各單層的光罩，並在光罩
上塗佈樹脂與調色劑，在此同時於右方的迴路中也在成
型區塊的表面塗上一層光化學聚合樹脂的薄層，並與光
罩同時送至曝曬單元，使樹脂依造定義的光罩圖案硬化
凝固，使用過後的光罩則在左方流程中繼續清除樹脂與
再次光罩圖案定義的重複步驟，而後續的製程 ( 如該圖
之右方所示 ) 將會拭除 (wiping) 多餘而尚未凝固的光化
學聚合物、在孔隙間填入支撐下一層光化學聚合物的熔
蠟、熔蠟的冷激固化、表面銑削平坦化以及最後階段的
表層烘烤硬化等，至此，才算完成實體原型的單層成型；
如此週而復始的重複兩個交錯的光罩製作與疊層建構製
程，直到整個產品的原型建構完成後，再將包覆在實體
原型的固狀蠟加溫熔脫，即可獲得原型產品。
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4.2.11 實體底部連續固化法 (Solid
Ground Curing, SGC)
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4.2.12 實體沉積法製造 (Shape
Deposition Manufacturing, SDM)
54
4.2.12 實體沉積法製造 (Shape
Deposition Manufacturing, SDM)
• 另一種快速原型技術運用的成功案例，稱為實體
沉積製造 (Shape Deposition Manufacturing,
SDM) (Weiss, 1990; Weiss and Prinz, 1995;
Weiss, 1997; Weiss and Prinz, 1998)。
• SDM的主要目標在於結合SFF製程之優點 ( 例如，
容易設計規劃、不需特殊夾持、任意複雜外型均
可，並可進行異質成份材料成型等 ) 以及機械加
工之優點 ( 例如，具有良好表面光滑度、適合大
尺寸元件加工、並且加工精度高等 ) 而開發出來
的一種快速原型製作技術。
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4.2.12 實體沉積法製造 (Shape
Deposition Manufacturing, SDM)
• 在SDM技術中，先將物件的CAD幾何模型結構加
以切層，各層以近淨型 (Near-Net Shapes) 的方
式沉積，再以機械切削進行淨型加工 (Net Shape
Machining)，如此根據CAD定義的各層幾何外廓，
重複的進行一連串的近淨型沉積與外廓淨型切削，
如圖4.12所示。因為SDM技術是逐層的定義元件
的外廓，所以這種成型方式對於有內切或凹陷的
元件成型，極為有利。
• SDM也可以採用焊接填料或擠製的方式來沉積材
料，但是在這些被沉積出來的光滑薄層之間，也
會累積許多層與層的殘留應力，對於這些殘留應
力的消除，將是一個頗具挑戰性的議題。
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4.2.12 實體沉積法製造 (Shape
Deposition Manufacturing, SDM)
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4.3 各種原型製程之比較
(Comparisons Between
Prototyping Process)
58
4.3.1 成型材料 (Materials That
Can Be Formed With The Various
Process)
59
4.3.1
成型材料 (Materials That Can
Be Formed With The Various Process)
• 雖然利用光硬化聚合物經立體石版印刷 (SLA) 製
作出來的原型，強韌性不高，但是SLA仍然可以
算得上是實體自由曲面成型家族 (SFF) 裡，最能
夠掌握成品精度的製程，這個技術儼然已經成為
工業界在製作壓鑄模或射出模具之母模型
(Master Pattern) 的標準製程了。
• 當一個原型要求經得起破壞試驗或需要能夠直接
長期使用時，則可以考慮採用緻密的高強度塑膠
ABS或金屬當作成型的材料。
• 在要求強度且批次量少，如只需做一、二件原型
時，則融熔沉積法 (FDM) 不失為最佳選擇
60
4.3.1
成型材料 (Materials That Can
Be Formed With The Various Process)
• 當批次量在2~10之間時，則這種低批次量
的原型成形方式便可以利用CNC來切削。
一旦幾何外形變化趨於複雜，致使CNC都
不能勝任時，則金屬粉末的選擇性雷射燒
結 (SLS) 即為最佳的製作方式。
• 如果批次量超過10以上時，便可以考慮用
少量的鑄造方式進行製造，當然用鑄造的
方式精度的要求就會比切削的方式稍差。
61
4.3.2
精度 (Accuracy)
62
4.3.2 精度 (Accuracy)
精度是檢視各種原型製程的另一個重點。以下列出幾個關於SFF
製程與某些只針對少量成型之傳統製程的精度比較：
• 熱鍛、開模鍛：±1250微米 (0.05吋 )
• 薄片疊層法 (LOM)： ±250微米 (0.01吋 )
• 包模鑄或脫蠟鑄造： ±75微米 (0.003吋 )
• 選擇性雷射燒結 (SLS)： ±75～125微米 (± 0.003 ～ 0.005吋 )
• 立體石版印刷 (SLA)： ±25～125微米 (± 0.001 ～ 0.005吋 )
( 依幾何外型複雜性而定 )
• 金屬模的射出成型： ±50～100微米 (± 0.002 ～ 0.004吋 )
• 粗切削： ±50微米 (0.002吋 )
• 精切削： ±12.5微米 (0.0005吋 )
• 放電加工 (EDM)： ±2.5微米 (0.0001吋 )
• 表面拋研： ±2.5微米 (0.00001吋 )
63
4.3.2
精度 (Accuracy)
• 傳統的成型技術以切削方式的精度最高(±25微米 ) ，若經
由技術精良的技師加工，精度更可能加倍提升。
• 其次是以金屬模的射出成型技術，精度也可達±50微米
• 而SLA與SLS製程精度約在±50微米到±150微米之間，這
種數據與前面所列出的是有一段差距，理由是SLA設備供
應商，是以典型線性元件的加工精度的最佳值，當成該設
備的規格，有商業廣告作用，實不為過；
• 但不論如何，如果有客戶以類似複雜的電腦外殼或媒體螢
幕來要求廠商，那很有可能會因為產品各處所產生的繞曲
或收縮現象 (Warp and Shrink) 使得SLA的製程精度惡化
到±375微米 。
64
4.3.2
精度 (Accuracy)
• 另一種SFF精度的考量為曲面的鋸齒階梯現象 (StairStepping)。想像一個表面光滑的足球，漸近的以薄片分
層一一堆疊成一個圓球，半徑最大的層片在球的赤道部分，
而半徑最小的層片則在南北極兩端。
• 參考Jacobs (1996) 圖4.13所示，圓球曲面的近似情況，
愈接近兩極愈糟，這些失去的表面精度與曲面的仿真度，
很明顯的與切層切的厚度有關，切層愈薄表面的精度與曲
面的仿真度則愈高，所幸SLA的製程技術隨時在精進，目
前薄層切削厚度可以薄到±20～25微米，鋸齒階梯現象減
少，但在曲面精度提升的同時，製程耗費之時間成本也相
對的變高。
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4.3.2 精度 (Accuracy)
66
4.3.2
精度 (Accuracy)
• 脫蠟鑄造精度表列為，算是一種高精度的
精密鑄造技術，但如果只要製造使用時間
短的暫用原型模具時，則可考慮採用精度
約在±125微米的金屬模射出成型，若再經
由人工磨光修蝕，這種射出成型模具的精
度也可以到達脫蠟鑄模的水準
67
4.3.3 原型製程的前置時間
(Lead Time of Prototypes)
68
4.3.3
原型製程的前置時間 (Lead
Time of Prototypes)
• 一個公司內部專屬的FDM機器，可以在24小時之
內完成一部原型工件。而對於正在進行設計案的
設計小組而言，將一系列的原型工件，包括次元
件與其組合，都必需逐一的進行查核與裝配，而
這些工件的製作，則屬FDM製程最為理想。
• 一套廠內CAD/CAM整合的機械切削系統，可以在
一個值班的時間之內，完成一個簡單的元件，但
是倘若元件的幾何外型過於複雜，則機械切削將
可能需要二到三天的時程才能達成。
69
4.3.3
原型製程的前置時間 (Lead
Time of Prototypes)
• 與消費者建立一種所謂的交貨緩衝期
(Turnaround Time) 的消費關係是必要的，透過
與顧客或委製廠商的協商，並以定期電腦檔案進
行稽核確認，將交貨緩衝期契訂在二到三個星期
或更久，否則一旦公司的SLA機器不能在短期內，
即時有效的供應約定的產品給客戶，則公司的服
務部門面對經爭激烈的市場經濟，勢必手忙腳亂。
畢竟，快速原形廠商所販受的不是「仿真」而是
服務與快速。
70
4.3.3
原型製程的前置時間 (Lead
Time of Prototypes)
• 小批量 (10到500) 的塑膠射出元件，顧客可能
要求3到6個星期的交貨緩衝期，其時程內的
步驟概略可分成
– (a) 網際網路傳達SDRC/IDEAS或Pro-Engineer的
電腦輔助設計檔
– (b) 設計檔案的稽核、修改
– (c) 利用SLA製作母模型
– (d) 鋁質金屬模具鑄造
– (e) 最後的ABS塑膠射出成型品。
71
4.3.4 批量大小 (Batch Size)
72
4.3.4 批量大小 (Batch Size)
• 如第二章所陳述批次量的影響因素，以一
個單一元件的實體自由曲面成型的製程而
言，立體石版印刷 (SLA)、融熔沉積製造
(FDM)、選擇性雷射燒結 (SLS) 或者是切削
加工都是可行的選擇。
• 小批量 ( 約50~500個工件 ) 的產品原型製
造，則可採用金屬鑄造或射出成型。
73
4.3.5
成本 (Cost)
74
4.3.5
成本 (Cost)
• 一般而論，提高快速原型製程的仿真度與
尺寸精度是必要的，設計精度需求愈高，
電腦中STL檔的網目解析度則愈細，切層薄
片的厚度將會愈薄，雷射光束的掃描路徑
會更長，耗時與成本也會增加。
• 此外原型製程 (SFF或切削 ) 通常都需再經
過手工研磨、噴砂處理與去毛邊等作業，
設計者對於表面精度的要求愈高，當然上
述的作業成本也將更大。
75
4.3.5
成本 (Cost)
• 所以原型製程技術必需審慎的考量造型複
雜度、表面光製、精度需求與成本高低四
項因素彼此間的相互關聯性。再如圖4.14所
示，倘若元件本身具有外伸式的構型，因
此在進行SLA原型製程之時，顯然需有明確
的輔助支撐，待產品固化成型後，再將支
撐移除，移除後表面殘留的小結蒂，再利
用噴砂處理才可確保產品表面的光滑。
76
4.3.5
成本 (Cost)
77
4.3.6
附加成本 (Ancillary
Cost)
78
4.3.6 附加成本 (Ancillary Cost)
• 表4.4是快速原型的機器成本，這些成本也包含了
保固與安裝等雜項成本；舉例來說，Helisys
2030H (LOM) 機器成本為275,500美元，其中已
包括第一年的售後服務保證，另外安裝預估費用
3000美元，訓練費用2000美元，與附加選項如反
應室加溫模具組4490美元，套裝軟體5995美元；
因此總計一整套的設備可能高達292,494美元。這
個例子只是說明LOM機器在市場上的售價計算的
實際情況，並非是要為它背書或多作挑剔。
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4.3.6 附加成本 (Ancillary Cost)
• 所有機器的所謂基本售價，如SLS在安裝時，
尚需追加置放空間的防塵與通風設備材料
費，因此成本的比較必需參考表4.5的使用
材料對照、與表4.6的產品元件尺寸大小、
與表4.7單一產品的總成本與圖4.15精度的
對照等，諸多因素做綜合性的比較才合理。
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4.3.6 附加成本 (Ancillary Cost)
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4.3.7 成本與產能的商情比較
(Commercial Comparisons of
Cost and Capability)
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4.3.7 成本與產能的商情比較 (Commercial
Comparisons of Cost and Capability)
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4.3.7 成本與產能的商情比較 (Commerical
Comparisons of Cost and Capability)
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4.3.7 成本與產能的商情比較 (Commerical
Comparisons of Cost and Capability)
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4.4 快速原型的鑄造方式
(Casting Methods For Rapid
Prototyping)
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4.4.1 簡介 (Introduction)
典型的機械製造教科書如DeGarmo (1997)、
Kalpakjian (1997)、Schey (1999) 與Groover
(1999) 等，其內容充實廣泛，而對於鑄造的
陳述，包括以下幾種方法：
• 脫蠟鑄造
• 陶瓷包模鑄造
• 殼模法
• 傳統的砂模鑄
• 壓鑄
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4.4.1 簡介 (Introduction)
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4.4.2 脫蠟鑄造 (Lost-Wax
Investment Casting)
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4.4.2 脫蠟鑄造 (Lost-Wax
Investment Casting)
• 原始的鑄造法在幾世紀前是由韓國人與古
埃及的藝術家所發明的，以下是脫蠟鑄造
的製程步驟如圖4.16所示，(a-c) 工程用或
藝術品的母模型，先用蠟雕型完成；(d-f)
蠟型用陶瓷泥漿包覆；(g) 加溫使蠟融化，
由底部流出，形成中空模穴；(h) 封住出蠟
口，再由頂部注入融熔金屬完全填充模穴；
(i) 融熔金屬冷卻凝固後，將外部陶瓷搗碎、
清除，完成鑄件毛胚；(j) 清潔、去毛邊與
拋光則可取下鑄件成品。
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4.4.2 脫蠟鑄造 (Lost-Wax
Investment Casting)
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4.4.2 脫蠟鑄造 (Lost-Wax
Investment Casting)
• 這種製造方式的製程技術，在第二次世界
大戰期間在製造飛機引擎零件上有長足的
進步，現在則被廣用在噴射引擎渦輪葉片
與高爾夫球桿頭的製造，在圖4.16的最上方，
蠟型式經由射出成型模成型的，並將各個
蠟型組裝成樹枝構型再沾漿而成。
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4.4.2 脫蠟鑄造 (Lost-Wax
Investment Casting)
• 沾完矽酸鹽膠漿 (Slury Coating) 的樹脂模組結構，先浸入
細顆粒 ( 網目號碼250篩 ) 的鋯石粉流化槽 ( 床 ) 中，進行
第一層較厚的被覆，再浸入矽粉 ( 網目號碼30篩 ) 槽中被
覆一層薄層，最後再浸入粗晶矽粉與酸性硬化液的混合流
化槽中，完成多層塗泥被覆 (Stucco Coating)，並放置在
充滿氨氣的環境中乾燥，至此製模的工作才算告一段落，
完成製模的樹枝模組結構則可移至壓力鍋中倒掛並加熱到
上下，利用熱蒸氣逼入模穴中並劈裂內部凝結蠟使之完全
熔出，熔蠟流出之後仍持續加壓溫到左右，烘烤模組約兩
個小時後，將模組結構擺正，澆口朝上，再進行鋼或鋁的
融熔金屬澆鑄 (Pouring)。
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4.4.2 脫蠟鑄造 (Lost-Wax
Investment Casting)
總體而言，現代的脫蠟鑄造法，因為其蠟型是經由精度良好
的機械模製造出來的，因此它可以稱得上是鑄造法當中公差
精度掌控精良的鑄造法之一。目前的公差控制技術可以高
達，並且鑄件表面光滑幾乎不需要在經人工修飾，另外尚有
其他優點如下：
• 蠟型若是先經過手工拋研光製，則鑄件根本不會出現分模
線 (Parting Line)。
• 經由蠟型表面圖騰，直接表現鑄件紋路，如高爾夫球桿頭
的凹紋圖案。
• 配合沾漿與塗泥被覆的自動化，可降低製作成本。
• 經單一方向凝固與長晶方向的控制可增強渦輪葉片的機械
性質。
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4.4.3 陶瓷包模鑄造程序
(Ceramic-Mold Investment
Casting Procedures)
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4.4.3陶瓷包模鑄造程序 (Ceramic-Mold
Investment Casting Procedures)
• 陶瓷包模鑄造 (Ceramic-Mold Investment Casting) 有別
於此，它是採用可重複使用的膠質模型 (Rubbery Pattern)
來取代消耗性蠟型的一種鑄造方式；其基本製程步驟如下：
– 1. 凸 (positive)：利用立體石版印刷 (SLA) 或機械切削製造原始模
型 (Original Master Pattern)。
– 2.凹 (negative)：利用硬化樹脂在凸起的原始模型上，製造凹陷的
殼狀模型模組 ( 兩個硬化樹脂模型以分模線分隔 )。
– 3.凸：利用硬化樹脂模型模組，製造可以重複使用的膠質次模型
(Submaster Rubbery Molds)。
– 4.凹：在兩個膠質次模型上，用陶瓷材料製造可搗碎的陶瓷模型、
模組。
– 5.凸：利用可棄式的陶瓷模型來澆鑄融熔金屬，凝固後，搗碎陶
瓷外殼，去除澆鑄口、澆道與毛邊，即可獲得鑄件成品。
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4.4.3陶瓷包模鑄造程序 (Ceramic-Mold
Investment Casting Procedures)
•
當然立體石版印刷或者利用黃銅、青銅與鋼材經過切削
加工，都可以用來製造原始模型，也可以在步驟3中，直
接以SLA的方式來製造類似膠質次模型的製作，但是顧及
不對模形造成損害起見，快速原形廠商大都慣以有分模線
的硬化樹脂模型組來進行膠質次模型的製作，因為硬化樹
脂模型具有較佳的尺寸穩定性。
• 一旦硬化樹脂模型模組製作完成，再經由接合劑與硬化劑
的填入，凝結再取出，則可以不需拔模角的迅速取出膠質
次模型。
• 利用這個膠質模型，填入鋁矽陶瓷粉末、乙基矽黏土與異
丙基醇，固化形成具有內凹模穴的模型，經過加溫烘烤強
化後，即可進行融熔金屬的澆注。
• 金屬融熔固化後，把陶瓷模型搗碎取出元件清潔殘渣、去
除毛邊後，雖會留有分模線鑄痕，但一般精度也可以達到
到之間。
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4.4.4 殼模法 (Shell Molding)
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4.4.4 殼模法 (Shell Molding)
• 常用的高精度鑄造方式為殼模法 (Shell
Molding)，金屬製的模型率先預熱到之間，
並在模型表面噴塗一層5~15 mm厚度的樹
脂矽砂離型劑、酚甲醛樹脂及其他添加劑，
與矽砂的調和是要保持離型劑矽砂層的熱
固性，接著進行烘烤、去水乾燥確保澆注
金屬精度後即可澆鑄融熔金屬，同樣的待
金屬凝固，搗砂取出工件，精度通常也都
可以到達左右。
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4.4.5 傳統砂模鑄造
(Conventional Sand Molding)
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4.4.5
傳統砂模鑄造 (Conventional
Sand Molding)
• 較粗糙便宜的鑄造是以木模或石膏模型來進行的，吾稱之
為砂模鑄，鑄砂在模型周圍搗壓密實，並留有澆道
(Sprue)、澆口 (Gate) 與冒口 (Riser)，金屬融熔鑄件成品
精度可以到達左右；但新的技術改良如：
– 高壓的搗振壓實方法 (Jolt-and-Squeeze Method)：利用氣壓向上
搗振與機械擠壓頭向下壓實，出力高達400 psi，使鑄砂與模型壓
實密度增大且均勻，使砂模在澆注前的公差受到最佳的控制。
– 石墨搗實砂箱鑄模 (Carbon Dioxide Block Casting)：用搗實的石
墨取代大部分的砂，並利用鋯石粉與細顆粒矽粉調和6% 的矽酸鈉，
並通入二氧化碳使之硬化，使鑄砂與模型接觸之介面形成厚度約
為12 mm的密實硬化層，這種方式稱之為二氧化碳鎢實砂箱鑄模，
亦稱水玻璃 (Sodium Silicate) 矽砂鑄模。
101
4.4.6
壓鑄 (Die Casting)
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4.4.6
壓鑄 (Die Casting)
• 鑄 (Die Casting) 主要是將融熔鋅合金，高壓注入
永久金屬模內，現代的壓鑄大都為以3或5軸式壓
鑄機來進行加工。金屬模具成本高，但是壓鑄出
來的成品表面光滑而且精度也可達，但是就因為
模具成本高，並不能適用於快速原型製造的範疇，
通常是用來成型大批量小尺寸元件，如：汽車零
件或一般消耗性產品。而其所使用的低熔點金屬，
如：鋅合金、鋁合金等所壓鑄出來的元件售價合
理且強度大，但目前塑膠射出成型技術 ( 請參見
第八章 ) 精進，大有凌駕並取代鋅合金壓鑄的可
能。
103
4.5 快速原型製作之機械加工
法
104
4.5.1 概
要
105
4.5.1 概
要
• 本章主要聚焦在介紹可以提供數控工具機 (CNC)
之機械切削加工成為一個「快速原型製作專用系
統 (turnkey rapid prototyping)」之CAD/CAM軟體
的技術進展。
• 目標之一乃是將電腦輔助設計 (CAD) 到製造
(fabrication) 之間的流程完全自動化，而另一個目
標則在於降低對於須要具有非常純熟與高度手工
操作技藝之技術人員的需求 ( 例如，製程規劃與
夾治具設計 )。
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4.5.1 概
要
• CyberCutTM是一個基於網際網路 (Internetbased) 的實驗性CNC機械切削加工測試平台。
• 此系統在於提供一個開放式的CNC機械切削加工
架構，使得客戶端之設計工程師，可以透過網際
網路的環境設計機械元件，並且可以將適當的檔
案上傳到遠端伺服器上以進行製程規劃以及製造；
利用快速之刀具路徑規劃、新穎的夾持設備、以
及使用感測器為基礎的精密加工技術，使原始設
計者可快速獲得具有高強度、高精度的機械切削
加工產品 (Smith與Wright, 1996)。
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4.5.2 WebCAD：用戶端可以透
過網際網路進行設計加工化
(Design for Machining) 之系統
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4.5.2WebCAD：用戶端可以透過網際網路進
行設計加工化 (Design for Machining) 之系統
• 此系統的關鍵在於使用具有「瞭解加工製
程 (process aware)」的CAD軟體工具。這
種軟體的原型系統稱為WebCAD (Kim等，
1999)；在此系統中，昇陽公司 (Sun
Microsystem) 所開發之JavaTM語言 ( 一種
類似C++ 語言，具有可攜性、物件導向的
強健性程式語言 ) 被使用來作為開發此小型
應用程式之系統架構。
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4.5.2WebCAD：用戶端可以透過網際網路進
行設計加工化 (Design for Machining) 之系統
• WebCAD也包含能夠針對機械切削加工性進行推論的專家
系統。如圖4.17上方所示，使用者正被這些推論規則所引
導以進行設計；例如，做「貫穿孔 (through-hole)」特徵
的設計時，該系統就會提供「禁止區 (forbidden zone)」
之推論規則以考慮此特徵的周圍尺寸，避免該特徵太過於
靠近工件之邊緣；在此例子中，如果設計者違反了系統之
推論規則，那麼系統會顯示適當警示視窗，並提供適當的
解決方法，例如改善半徑尺寸使該特徵能全部納入工件中
等。
• WebCAD也使用了「所看即所得 (WYSIWYG-what you
see is what you get)」的環境，明確的顯示出切削刀具的
選擇以及槽穴導角半徑等。在撰寫本書的時候，有關自由
曲面之編修以及依據加工位置之不同作為刀具的選擇依據
等功能正被開發中 (Kim, 2000)。
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4.5.2 WebCAD：用戶端可以透過網際網路進
行設計加工化 (Design for Machining) 之系統
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4.5.2WebCAD：用戶端可以透過網際網路進
行設計加工化 (Design for Machining) 之系統
• 使用「分解式實體幾何 (DSG)」特徵的主要原因
是每一個特徵形狀均可立即對應至標準的CNC銑
削程序上。這種架構就如同文書處理軟體與印表
機之間的文件可列印性關係一般。雖然吾人可以
很容易的批判使用DSG進行工件設計時會有諸多
限制，然而，這個設計環境的重要優點是在考量
「設計製造化 (design for manufacture)」的時候，
可以比傳統方法 ( 不具備任何拘束的設計，而且
在設計、規劃與製造之間的關連性非常鬆散 ) 提
供更確切的設計。
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