光學(xué)測量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為無需接觸或破壞產(chǎn)品之條件下，即可以獲得檢測對象的全域三維數(shù)據(jù)，以一次高速掃描取代多次又複雜的檢測作業(yè)。本文描述結(jié)合ATOS 3D光學(xué)量測技術(shù)、快速模具技術(shù)以及低壓射出成型技術(shù)的研究方法，如何在運(yùn)用低製作成本條件下，開發(fā)具備經(jīng)濟(jì)效益精密蠟型之批量生產(chǎn)技術(shù)。

模具產(chǎn)業(yè)可以代表一個(gè)國家興衰的指標(biāo)，若一個(gè)國家的模具產(chǎn)業(yè)篷勃發(fā)展，表示該國家的經(jīng)濟(jì)根基非常穩(wěn)固。根據(jù)實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，Projet MJP 3D列印機(jī)可以快速製作精密蠟型，運(yùn)用於精密鑄造[1]。然而精密蠟型的製作成本昂貴，所以開發(fā)具經(jīng)濟(jì)效益精密蠟型的批量生產(chǎn)技術(shù)成為重要研究議題。

快速模具技術(shù)[2-4]可以降低模具的開發(fā)成本，根據(jù)製程差異，快速模具技術(shù)可分為直接造模法與間接造模法。直接造模法是直接以快速製造的方式來製作模具，例如DMD、DMLS 、SLM、SLA或SLS技術(shù)，並運(yùn)用塑膠射出成型、吹氣成型、金屬粉末射出成型模具、粉末冶金成型、擠製成型或射出壓縮成型，來試產(chǎn)新產(chǎn)品；間接造模法是先製作出產(chǎn)品原型件，再以翻製方式來製作矽膠模具、金屬樹脂模具或搭配真空注型技術(shù)來試產(chǎn)新產(chǎn)品。

本研究為結(jié)合ATOS 3D光學(xué)量測技術(shù)、快速模具技術(shù)以及低壓射出成型技術(shù)，開發(fā)具備經(jīng)濟(jì)效益精密蠟型的批量生產(chǎn)技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)方法與步驟

圖1為研究流程。本研究的使用材料，包括聚乳酸線材（filament）、矽膠主劑、硬化劑。

圖1 : 研究流程[5]

本研究所使用軟體包括用GOM inspect檢測軟體、Creo Parametric、Microsoft Visio、Cura切層軟體（Ultimaker）以及Microsoft Excel軟體。至於使用的硬體與設(shè)備，包括Projet MJP 3D列印機(jī)（3D system Inc.）、熔融沉積成型3D列印機(jī)、場效發(fā)射式掃描電子顯微鏡（field-emission scanning electron microscope；FE-SEM）、X光繞射儀（X-ray Diffractometer；XRD）、萬能試驗(yàn)機(jī)、紅外線溫度感測儀（infrared temperature sensor）、金相顯微鏡、白光干涉儀（White Light Interferometers；WLI）、能量色散X-射線光譜儀（energy-dispersive X-ray spectroscopy；EDS）、精密電子秤、金相顯微鏡、數(shù)位多段式真空注蠟機(jī)以及3D光學(xué)量測ATOS Core 80。圖2為熔融沉積成型3D列印機(jī)的實(shí)體圖，圖3為Projet MJP 3D列印機(jī)的實(shí)體圖。

圖2 : 熔融沉積成型3D列印機(jī)的實(shí)體圖

圖3 : Projet MJP 3D列印機(jī)的實(shí)體圖

本研究選用卡榫（Latch）為研究標(biāo)的物，圖4為卡榫之3D CAD模型與幾何尺寸，卡榫設(shè)有D1、D2、D3、L1以及L2等五個(gè)關(guān)鍵尺寸，尺寸分別為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm。

圖4 : 卡榫的3D CAD模型與幾何尺寸[5]

研究成果

圖5為第一次研究運(yùn)用矽膠模具所翻製的卡榫蠟型平均值，與運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形，兩者於五個(gè)關(guān)鍵尺寸的誤差量。

圖5 : 第一次研究運(yùn)用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個(gè)關(guān)鍵尺寸的誤差量[5]

關(guān)於卡榫的五個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸分別約為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm，運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形五個(gè)關(guān)鍵尺寸分別約為42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm，PLA 3D列印件五個(gè)關(guān)鍵尺寸分別約為42.84 mm、24.9 mm、19.78 mm、29.69 mm以及11.7 mm，翻製卡榫蠟型平均42.33 mm、24.20 mm、18.88 mm、28.83 mm以及10.98 mm，如與運(yùn)用Projet MJP 3D列印機(jī)所列印卡榫蠟形的D1、D2、D3、L1以及L2等五個(gè)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行比較，D1、D2、D3、L1以及L2的誤差量，分別為-0.35 mm、-0.48 mm、-0.83 mm、1.03 mm以及-0.89 mm。

圖6為第二次研究運(yùn)用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個(gè)關(guān)鍵尺寸的誤差量。卡榫五個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸分別約為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm，運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形五個(gè)關(guān)鍵尺寸則分別約為42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm。

運(yùn)用第一次設(shè)計(jì)變更卡榫尺寸以PLA材料所列印3D列印件五個(gè)關(guān)鍵尺寸，分別約為42.92 mm、25.01 mm、19.92 mm、29.95 mm以及11.99 mm，翻製卡榫蠟型平均 42.36 mm、24.21 mm、18.99 mm、29.01 mm以及11.11 mm。

如與運(yùn)用Projet MJP 3D列印機(jī)所列印卡榫蠟形的D1、D2、D3、L1以及L2等五個(gè)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行比較，D1、D2、D3、L1以及L2之誤差量分別為 -0.32 mm、-0.47 mm、-0.72 mm、-0.85 mm以及 -0.76 mm。

圖6 : 第二次研究運(yùn)用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個(gè)關(guān)鍵尺寸的誤差量[5]

圖7為第三次研究運(yùn)用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值與運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個(gè)關(guān)鍵尺寸之誤差量。卡榫五個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸分別約為43 mm、25 mm、20 mm、30 mm以及12 mm，運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形五個(gè)關(guān)鍵尺寸分別約為42.68 mm、24.68 mm、19.71 mm、29.86 mm以及11.8 7mm。

圖7 : 第三次研究運(yùn)用矽膠模具所翻製卡榫蠟型平均值，與運(yùn)用Projet MJP 3D列印卡榫蠟形於五個(gè)關(guān)鍵尺寸的誤差量。[5]

運(yùn)用第二次設(shè)計(jì)變更卡榫尺寸，以PLA材料所列印3D列印件五個(gè)關(guān)鍵尺寸分別約為43.38 mm、25.44 mm、20.41 mm、31.17 mm以及13.22 mm，翻製卡榫蠟型平均 42.78 mm、24.78 mm、19.68 mm、30.15 mm以及12.45 mm。

如與運(yùn)用Projet MJP 3D列印機(jī)所列印卡榫蠟形之D1、D2、D3、L1以及L2等五個(gè)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行比較，D1、D2、D3、L1以及L2之誤差量分別為0.1 mm、0.1 mm、-0.03 mm、0.29 mm以及0.58 mm。

此結(jié)果顯示，運(yùn)用第二次設(shè)計(jì)變更卡榫尺寸所翻製卡榫蠟型五個(gè)關(guān)鍵尺寸。與運(yùn)用Projet MJP 3D列印機(jī)臺直接列印蠟型的關(guān)鍵尺寸非常接近，這一些誤差均在工業(yè)界可以接受0.5 mm誤差範(fàn)圍內(nèi)。而當(dāng)精密蠟型尺寸於10 mm至45 mm之內(nèi)利用，蠟型設(shè)計(jì)圖於橫軸與縱軸分別增加0.75 mm以及1 mm，即可以在低成本與快速方式批量生產(chǎn)精密蠟型。

為了驗(yàn)證本研究方法的經(jīng)濟(jì)效益，運(yùn)用傳統(tǒng)方法與提出的研究方法製作二十件精密蠟型，比較總製作成本的結(jié)果，如圖8所示。運(yùn)用Projet MJP 3D 列印機(jī)列印精密蠟型為臺幣750元（以下計(jì)算幣值為臺幣），批量列印20件精密蠟型的總製作成本約為15,000元，而運(yùn)用本研究方法翻製精密蠟型的總製作成本僅需2,174元，總製作成本涵蓋205 g PLA線材為137元、350 g矽膠為257元、8小時(shí)人工成本為1280元以及3,600 g K512蠟材500元。

圖8 : 運(yùn)用本研究方法與傳統(tǒng)方法製作二十件精密蠟型的總製作成本比較圖[5]

從比較結(jié)果顯示，本研究整合ATOS 3D光學(xué)量測技術(shù)、快速模具技術(shù)以及低壓射出成型技術(shù)，開發(fā)出精密蠟型的批量生產(chǎn)技術(shù)具備經(jīng)濟(jì)效益，製作二十件精密蠟型總製作成本約可以大幅節(jié)省86%。

結(jié)論

本研究結(jié)合ATOS 3D光學(xué)量測技術(shù)、快速模具技術(shù)以及低壓射出成型技術(shù)，開發(fā)具備經(jīng)濟(jì)效益精密蠟型的批量生產(chǎn)技術(shù)，具備工業(yè)實(shí)用價(jià)值與產(chǎn)業(yè)利用性，本研究成果可以提供精密鑄造產(chǎn)業(yè)於研發(fā)階段所需批量精密蠟形的試作。如與傳統(tǒng)方法製作20件精密蠟型總成本進(jìn)行比較，運(yùn)用本研究所提出之方法，其總製作成本可以節(jié)省約86%。

當(dāng)精密蠟型尺寸於10 mm至45 mm之內(nèi)利用，蠟型設(shè)計(jì)圖於橫軸與縱軸分別增加0.75 mm以及1 mm，再運(yùn)用上述的研究方法，即可以在低製作成本條件下進(jìn)行精密蠟型的批量生產(chǎn)。當(dāng)中補(bǔ)正的主要方向?yàn)檠a(bǔ)償PLA材料縮水率、機(jī)臺誤差、矽膠縮水率以及蠟材縮水率。其中，X方向與Y方向之總製程縮水率分別約為1.75%與3.34%。

（本文作者郭啟全¹、蔡昀叡²、陳名揚(yáng)²、顏?zhàn)C育²為¹明志科技大學(xué)機(jī)械工程系暨智慧醫(yī)療研究中心教授、²機(jī)械工程系專題生）

參考文獻(xiàn)

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[4]N. Hopkinson, R. Hague, P. Dickens, "Rapid manufacturing: An industrial revolution for the digital age", 2006.

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