108 年度數位設計與

資訊管理系專題成果報告

3D 列印-多功能義肢

指導老師：曾雅芬

班級：數資三 A

專題生：謝瑋瓴、劉冠賢、

王若蕎、陳亞倫、吳承峰

中華民國 109 年 6 月 12 日

0

目錄

第一章 緒論 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.1 創作動機---------------------------------------------------------------------------------------- 3

1.2 創作目的---------------------------------------------------------------------------------------- 4

1.3 創作流程與架構------------------------------------------------------------------------------ 5

第二章 文獻探討---------------------------------------------------------------------------------------- 7

2.1 3D 列印介紹 ----------------------------------------------------------------------------------- 7

2.2 多功能義肢介紹---------------------------------------------------------------------------- 14

2.3 Tinkcard 軟體介紹 ------------------------------------------------------------------------- 16

2.4 設計原則、技術---------------------------------------------------------------------------- 29

第三章-多功能義肢製作過程 --------------------------------------------------------------------- 33

3.1 3D列印介紹 -------------------------------------------------------------------------------- 33

第四章 成果 -------------------------------------------------------------------------------------------- 39

4.1 製作成果-------------------------------------------------------------------------------------- 39

4.2 未來發展-------------------------------------------------------------------------------------- 40

4.3 結論與建議 ---------------------------------------------------------------------------------- 41

4.4未來成果 -------------------------------------------------------- 錯誤! 尚未定義書籤。

參考資料網址------------------------------------------------------------------------------------------- 41

1

圖目錄

圖 1 創作流程............................................................................................... 5

圖 2 創作流程............................................................................................... 6

圖 3 基層製造 .............................................................................................. 7

圖 4 列印器官 .............................................................................................. 8

圖 5 PLA 示意圖 .......................................................................................... 9

圖 6 線材種類 ............................................................................................ 11

圖 7 七種 3D 列印技術比較 ..................................................................... 13

圖 8 結構樣式圖 ........................................................................................ 16

圖 9 GOOGOE SKETCHUP 軟體 ............................................................. 19

圖 10 建模 .................................................................................................. 20

圖 11 文字輸入 .......................................................................................... 21

圖 12 物件的移動 ...................................................................................... 21

圖 13 物件的旋轉 ...................................................................................... 22

圖 14 物件的顏色 ...................................................................................... 22

圖 15 物件的組合、分解 .......................................................................... 23

圖 16 物件的等比例縮放 .......................................................................... 25

圖 17 物件的挖洞開孔、切割................................................................... 27

圖 18 物件的對齊 ...................................................................................... 28

圖 19 3D 印表機類型比較 ........................................................................ 29

圖 20 熔融沉積示意圖 .............................................................................. 30

圖 21 膝上義肢 .......................................................................................... 33

圖 22 螺絲 .................................................................................................. 34

圖 23 腳肢 .................................................................................................. 35

圖 24 膝上義肢 .......................................................................................... 36

圖 25 組裝圖 .............................................................................................. 37

圖 26 腳義肢............................................................................................... 39

圖 27膝上義肢........................................................................................... 40

圖 28膝下義肢........................................................................................... 41

2

表目錄

表 1 PLA 與 ABS 比較 .............................................................................. 10

表 2 零件寬與高整理表格......................................................................... 38

3

第一章 緒論

1.1 創作動機

3D列印是利用基層製造的技術原理，有別於2D平面列印，將材料不斷重複

堆疊直至3D切層，人們將3D列印技術運用的活靈活現，將平面的圖像轉化為實

物，可運用在醫療、食品、製造業、文創產業等，還可以創造卡通、動漫等模型。

傳統義肢因為製作成本高，耗費的時間較久，誤差值大，…..，而在醫療運用上，

可以透過3D列印製作義肢樣本的時間短，成本也很低，所以有值得開發的商機。

4

1.2 創作目的

透過 3D 列印製作的多功能義肢，相較一般傳統型義肢，擁有下列優點：

1. 採用人體工學的角度，使用方法便捷。

2. 為行動不便者提升他們的生活品質。

3. 減輕行動不便者身體重量負荷。

4. 可快速製作樣本，成本低。

5. 可進行客製化。

6. 結構的設計自由度較高。

7. 擁有矯正效果。

多功能義肢:，相較於傳統義肢一體成形，多功能的義肢在使用上能讓截肢者走

路步態與正常人相同，使用起來相當方便。

5

1.3 創作流程與架構

首先我們將每位組員發表的想法與意見串連而成，接著使用Google sketchup

設計3D模型，針對3D物件進行3D圖檔資料建置，並且進行問題評估，再將3D圖

檔轉換STL檔，最後列印模型與組裝(如圖1)。

圖 1 創作流程

6

本文共有四章，第一章為緒論，說明研究動機、目的及創作流程。第二章為

文獻探討，說明3D列印介紹、多功能義肢介紹、軟體介紹。第三章為多功能義

肢製作過程，說明模型介紹。第四章為成果，說明製作成果、未來發展、結論與

建議(如圖2)。

圖 2 創作流程

第一章

緒論

研究動機&

目的

第二章

文獻探討

3d列印軟

體及義肢

介紹

第三章

結構分析

圖介紹

多功能義肢製作

過程

第四章

成果

未來發

展、結論與

建議等

7

第二章 文獻探討

2.1 3D 列印介紹

2.1.1 3D 列印機原理

透過電腦輔助設計或電腦動畫建模軟體建模，再將建成的三維模型「分割」

成逐層的截面，從而指導印表機逐層列印，接著印表機讀取檔案中的橫截面訊

息，再利用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來，最後將各

層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。

3D Printing又稱「快速成型」，可以「列印」出真實物體的一種設備，而它

參照傳統印表機的複製技術原理，兩者列印過程十分相似，3D列印以平面列印

為基礎，一層一層不斷堆疊，因此又稱做「基層製造」(AdditiveManufacturing)，

進而列印出一個立體三維的形狀。也就是說，如果將傳統的印表機墨水替換成噴

出後即可硬化固定的材質，再把噴頭從原本的 2 維移動（噴墨頭左右移動視為

X 軸、紙張饋紙視為 Y 軸），改為 3 維移動（加入噴墨頭高度的 Z 軸），就是

目前 3D 印表機的基礎原理。也就是3 Dimensions名稱的來源，三個維度、三個

座標，及長、寬、高，由X、Y、Z三個軸所組成的空間概念。

圖 3 基層製造

8

2.1.2 3D 列印的應用

技術不斷的進步，在材質及應用上也越來越廣泛，而隨著價格持續下降，也

讓3D印表機開始走入消費市場，以醫療機構為例，醫師透過這些最先進且成熟

的技術，醫生將可實際拿著病人頭顱、骨骼的3D立體模型，做最精準的判斷，

直接進行療程安排、手術模擬。

圖 4 列印器官

9

2.1.3 3D 列印常用材料

PLA(聚乳酸 Poly Lactic Acid, PLA)

圖 5 PLA 示意圖

玉米澱粉樹酯、Polylactide，是一種丙交酯聚酯，具生物可降解性，在溫度

58~70ﾟC、相對溼度90%的條件下，可在2~6個月內分解為二氧化碳和水等較無

害物質，材料是由玉米提煉而得，理論上是塑料界中最環保的一種材料，號稱

綠色塑料。當然PLA材料作為列印耗材，具有變形小、氣味小，並且有多種顏

色，產品表面油亮感強等這些優點仍為一些3D列印機用戶喜選材料。

2.1.4 ABS 素材

ABS 材料是一種工程塑料，在現實生活中是應用最廣泛的塑料材料之一，

材料強度高、變形小，因此應用於很多場合，ABS列印的產品，支撐部分比較

容易剝離，耐溫也比 PLA 高，光澤度也相對較好，但缺點是加熱時，產生的

味道臭且有毒。ABS塑料應用廣泛，最大應用領域是汽車、電子電器和建材行

業等。

10

PLA 與 ABS 的比較

PLA 3D 打印材料比 ABS 脆，但表面比 ABS 硬，所以在後期打磨時會比較吃力。

相反，ASB 表面比較軟，所以打磨 ABS 模型時比較輕鬆。至於上色，兩者都

可以。而要將兩個 3D 模型互相粘貼時，不論是 ABS 或 PLA。用超能膠就搞定。

如想將模型的表面變得平滑光亮，ABS 可以用 Acetone（丙酮），而 PLA 可以

用 Smooth-On 的 XTC-3D。

表 1 PLA 與 ABS 比較

PLA 線材 ABS 線材

一般性質 PLA 是由植物（玉米、小麥、甘蔗）

澱粉提煉出的生物塑料，屬環保材

料，但 PLA 的回收是需要關注的議題

ABS 是樂高玩具使用的材料，

由石油提煉而得，屬工業上可回

收的材料

列印溫度 190~220 度 210~240 度

底板溫度 不用 60 度以上

味道 加熱時有微甜味 加熱時有異味

毒性 無毒 不宜吸入 ABS 的煙霧

平滑度 列印物件的平滑度較 ABS 者為差 列印物件具有平滑表面

捲曲 PLA 在列印過程中較不易捲曲，須用

風扇使其快速冷卻以固定形狀

ABS 固化快速，列印過程中須

使用加熱台，避免其捲曲

維護 未使用時要保持乾燥 未使用時要保持乾燥

線材

通常都是以重量為單位，品質的好壞決定價格，一般售價PLA是450~600

元/kg，而ABS則是500~600元/kg，一般粗度為1.75mm，也有3mm的，主要得依

照3D列印機的噴嘴孔徑作為參考。

11

圖 6 線材種類

成形技術

3D列印是以3D列印機根據設計好的3D模組，一層一層射出元件，並加以

堆疊、黏合的技術，列印成本與成品形式根據使用的材料與硬化技術，而有很

大的差別。由於3D列印目前主要為提供高單價客製化產品，還難以達到量產、

商業化的規模。

依照製程來分，3D列印有7種常見技術：FDM（熔融擠製）、LOM（層狀

製造）、3DP（粉末噴墨）、DLP（數位光處理）、SLA（光固化）、SLS（選擇性

雷射燒結）、SLM（選擇性雷射熔化），以下分別進行簡介與比較。

（一）FDM：此技術最常採用的材料為塑膠，又以ABS樹脂與PLA

（Poly-Lactic Acid）最常見，ABS具有高強度、低價格且耐熱的優點，但在高

溫下會產生有毒氣體，採FDM技術時，材料會被加熱至半熔融狀態並在平台上

擠出，再因溫度下降而固化，如此反覆地向上堆疊。這種技術是最常見的3D列

印技術，價格也最低。

12

（二）LOM：LOM是將材料薄膜切割成需要的形狀，然後再一層層透過

膠水黏貼，所以LOM除了可採用塑料外，也能使用紙張作為原料，也被叫做紙

張積層（Laminated Paper）。這種技術的列印速度較快，但會產生較多的廢料。

（三）3DP：原文為3D Printer，或稱為Plaster-Based 3D Printing。製成原理

是在平台上鋪上粉末，然後再從噴頭噴出黏著劑，將需要固化部分的粉末黏在

一起，層層重複到最後將未黏住的粉末回收、完成成品。原理類似噴墨印表機，

所以也被稱為粉末噴墨或膠水固化噴印。3DP採用灰白色的石膏粉體材料，可

在形成時噴上彩色膠水，其性質相對其他材料安全且價格低廉，但模型表面會

帶有沙粒感的顆粒狀，且結構強度會相對較差。

（四）DLP：這種技術用DLP的投影功能，將一層層圖片照射在光固化樹

脂上，逐層堆疊製造出成品。成品的細緻度較高，但材料較昂貴、硬度偏低，

應用領域與FDM相反。

（五）SLA：SLA類似DLP，同樣以光固化樹脂為材料，透過雷射一層層

掃過液態的光固化樹脂使其硬化成型，再讓硬化的部分下移，重複硬化製成以

覆蓋先前的液態光固化樹脂。與DLP的差別在於DLP是逐步將模型拉出樹脂，

而SLA則是往下沉浸。SLA的成品同樣具備細緻特色，且透過雷射掃射可快速

製造大型物件；光固化樹脂成本較高也是同樣的缺點。

（六）SLS：SLS製程是類似3DP及SLM固化粉末堆疊的技術，差別在於SLS

和SLM採用雷射而非接著劑，所以從速料到金屬粉末都可作為SLS的材料，只

需以雷射加入粉末內部的黏合劑，將粉末黏在一起成形；但因採燒結成型製成，

所以成品的晶粒結構和特性等都會與原本粉末有所差異。

（七）SLM：SLM以金屬粉末為主要材料，透過更高功耗的雷射將金屬粉

末加熱成液態，然後與其他材料結合再冷卻固化。SLM特色在於成品強度高，

且能夠直接列印金屬零件，適用於航太零件印刷。但SLM的機台設備也比較

貴，材料選擇也較少。

13

圖 7 七種 3D 列印技術比較

原理與演進

20 世紀初期，美國憑藉製造工業實力成為世界上最大的經濟體，隨著工資

逐漸升高， 1970 年代後期其製造業開始大量轉移到工資較便宜的中國以及東南

亞國家，造成國內嚴重的失業問題。

一般認為一個製造工作可以產生10個工作機會，其中6個出現在供應鏈中，

其餘4個則在為製造業服務的金融服務業工作。

到了2013年，各先進國家都體認到製造業才是國家經濟長期發展的根本，因

此美國總統歐巴馬喊出「讓製造業重返美國」的政策，其中的重點產業就是3D

列印。

14

快速原型（rapid prototyping）以及3D列印技術萌芽自1980年代，這些年來

其製程不斷 地突破創新，在這波發展的浪潮中，開放硬體（open-source hardware）

社群扮演著重要推手的角色，因為自從 3D 列印的軟硬體由社群中開放之後，

世界各地的優秀工程師得以參與集體創作，共同完成讓 3D 列印技術普及到一

般家庭中的理想。

根據 Wohlers Associates Inc. 的報告，3D列印機以及其周邊服務在2012年已

經達到 22 億美金的規模，與2011年相比，更是成長了29％。快速原型技術其實

已經行之多年，2009年美國材料試驗協會（ASTM）把它正名為積層製造（additive

manufacturing）技術，其原理是建立數位化電腦模型檔案後，運用金屬粉末或3D

列印的發展現況快速原型以及3D列印技術萌芽自1980年代，這些年來其製程不

斷地突破創新。

3D 列印技術則採用層層堆疊的加法方式製作，避免不必要的浪費，塑膠材

料利用加熱使其呈現熔融可塑狀態，再透過一層層堆疊列印以產生工件的技術，

3D列印技術原本只是其中的一個分支，由於其在各種積層製造技術中應用最廣

泛，也因此積層製造與3D列印這兩個名詞在一般民眾的觀念中也就合而為一。

3D列印技術就是把工件的3D電腦模型轉換成2D的分層切片，再按照這個分

層 切片把材料堆疊到欲成型的位置，重複堆疊動作直到工件成型。傳統的加工

方式是採用大塊材料慢慢切削雕琢的減法方式製作，常會造成材料的浪費而3D

列印技術則採用層層堆疊的加法方式製作，避免不必要的材料浪費，目前3D列

印的商業模式仍處於少量客製化，以處理具有特殊形狀且傳統技術不容易加工的

產品為主，未來則可以朝量少價高的高技術產品發展。

2.2 多功能義肢介紹

2.2.1 研發目的

15

研發多功能義肢的目的並不僅僅是為了減輕傳統義肢在配戴過程中義肢的

一個螺絲生鏽、斷裂，就影響了整隻輔具功能，讓身障朋友無法走路的痛苦，還

要減少截肢者在義肢製作方面投入的勞動成本,甚至還將改變整個義肢市場的銷

售模式(Ex:主要產業趨勢、整體手術數量、裝機量、新銷售數、平均銷售價格

等)(ok)。在美國，人們想要安裝義肢必須要到專業機構訂製,當義肢有瑕疵或需

要修正時很不方便。採用統一的仿生接口之後，人們無需訂製,可直接通過電商

等網絡渠道郵購義肢。寄送之前，截肢者可以隨時與廠商溝通，為義肢增添功能、

改換設計，滿足使用者對義肢的不同需求。

目的:多功能義肢不僅能當義肢使用，只要控制較熟練or需要更好的功能時，可

以容易的更換其他義肢零組件，免除過去傳統義肢的人為意識或變更失誤所產生

與實體不符之狀況，使其尺寸能相容(ok)

16

2.2.2 義肢的結構與特性

結構:螺絲 16個

足部義肢

膝上義肢

膝下義肢 1.腳部能彎曲，方便移動

2.小腿義肢有 16卡榫能支撐大腿義肢

圖 8 結構樣式圖

2.3 軟體介紹

2.3.1 SketchUp 軟體

我們使用SketchUp繪圖軟體製作，SketchUp繪圖軟體能簡易的建模，從中學

習到如何建立一個物件把它立體化，SketchUp使用者包括建築師、都市計畫專

家、製片人、遊戲開發者以及相關專業人員的3D建模程式，它用於Google Earth

上的建模也十分方便比其他三維CAD程式更直觀，靈活以及易於使用。

17

SketchUp基於便於使用的理念，它擁有一個非常簡單的介面，在SketchUp

世界中一個眾所周知的特性便是3D Warehouse。用戶可以利用他們的Google帳戶

來上傳建立的模型，並且瀏覽其他的元件和模型。

Last Software，AEC設計團體革新3D建模的開發者發佈了SketchUp一種新的

3D模型設計工具。它並不像其他的3D設計軟體，它允許AEC工程師更多的來注

意設計，而不用太注重技術就好像用筆和紙設計一樣。

Last Software的在SketchUp軟體的發展上是根據AEC工作者的需要來進行改

進的。大多數的使用者發現簡短的範例讓他們覺得用SketchUp非常的得心應手，

SketchUp可以讓用戶非常容易的在3D空間中劃出邊界，並且能夠自動的進行填

充成3D圖形。

這個產品是一個智慧化的產品，它避免了其他的一些3D軟體要求有戶輸入

非常多的命令和許多複雜的概念。SketchUp這個建模系統還有"基於實體"和"精

確"的特性，它沒有其他的軟體的複雜性。SketchUp的智慧化和簡潔性可以使用

戶跟奪得來注重設計，不必在操作上浪費太多的時間。另外在簡潔性方面，

SketchUp 還允許用戶輸入和輸出 DWG 和 DXF檔。

SketchUp 介紹的這些新的和獨特的方法，一些已經被申請專利。AEC工作

者可以非常流利的從3D實體得到2D圖形，SketchUp的新特徵也可以讓用戶非常

容易的把2D圖形轉化為3D模型。

1. 獨特的介面

SketchUp 的介面可以非常容易的建立，修正和瀏覽3D模型。他的介面核心

在於操作非常簡單，祇需拉出模型的邊緣就可在3D空間中產生模型，就像我們

之前使用的鉛筆和紙。他會非常聰明的自動判斷出，決定線的性質並"填充"形狀

產生出3D立體物件。

2. 引導技術

引導技術可以讓使用者很快地產生出模型以特定視野為基礎的短動畫。這些動態

18

的幻燈片顯示或遊走越過一個模型，可以對客戶作非常生動陰影的研究呈現。這

種技術的最關鍵是動畫能在大約數分鐘內或一小時內產生出來。

3. 專利的推拉技術

推拉技術，如同名字所暗示的一樣，能讓使用者在以各種不同的形狀以推動

/拉出方式來產生 3D立體物件。大幅度的超過僅僅是擠出工具，這能讓使用者藉

由拉或推的方式，將 2D shape 和邊緣很快地產生複雜的 3D立體物件。

4. 插入和輸出DXF及DWG格式

設計一開始時可以插入DWG格式的地形平面圖。自Sketchup來產生3d模型

後輸出成 DWG格式到AutoCAD，ACAD LT或其他的CAD系統來建立細部圖。

5. Piranesi Epix 輸出和 3DS 輸出

空間彩繪專家Piranesi鎖定(Lock)功能能夠根據任一近似的顏色、面、材料

(Material)、或者組合上述各選項，選擇任意範圍，不需像目前一樣要在複雜領域

中進行選擇，可以只在需要的部分彩繪。例如牆壁特定面要變更材質、在面積非

常小的玻璃上彩繪、或者如扶手或鐵絲網等複雜形狀上上彩，均能方便分別塗

繪。用他獨特的格式Epix來轉換。

19

圖 9 GOOGOE SKETCHUP軟體

2.3.2 Tinkercad 軟體

Tinkercad 是一個線上版的 3D 建模網站，由著名建模軟體 AutoDesk 推出，

以 HTML5 撰寫，可用瀏覽器開啟。目前完全免費使用，讓免費與娛樂化解決學

習意願低落的問題。其操作方式力求簡單直覺，並且擁有詳細的教學，許多元素

也都已經內建完整。使用者可以運用社群來分享點子給朋友，不論大人或是小孩

都可以輕鬆學習 3D 建模，目前雖然功能未像專業軟體一樣完整，但若是想試試

何謂 3D 建模，則非常適合用來入門學習。

Tinkercad 的操作介面設計得很簡潔易懂，整個畫面幾乎都是編輯區，在預

設好的工作平面右半邊設置了一條工具列，由上至下依序是我的最愛、匯入、模

型產生器、小幫手、Tinkerplay 元件、幾何圖形、挖洞器、文字、數字、符號和

其他；在模型產生器中分為 Tinkercad 提供、社群上傳、自製模型；Tinkerplay

元件則有連接器、身體關節與骨架。工具列上方設置了小幫手、幾何圖形、挖洞

器、文字、數字及符號的快捷鍵，可以快速地使用這些工具不需要用滑鼠慢慢在

工具列上拖曳選擇；除了匯入和小幫手外，把滑鼠游標移至任何其他工具上，都

會在右上角出現一個星形符號，只要點一下就能將該工具設為我的最愛。編輯區

右上方是功能列，從左至右分別為復原、重做、調整、群組、取消群組，其中調

整有對齊和鏡射兩個項目；左上方有設計、編輯、幫助鍵，設計鍵裡的選項主要

是針對整個檔案，編輯鍵則是提供製作過程中的一些操作指令。

20

2.3.3 繪圖軟體比較

建模

3D列印模型可以使用電腦輔助設計軟體包三維掃描器生成，手動搜集製作

3D圖像所需的幾何資料過程同雕塑等造型藝術類似，通過3D掃描，可以生成關

於真實物體的形狀、外表等的電子資料並進行分析。以3D掃描得到的資料為基

礎，就可以生成被掃描物體的三維電腦模型。

無論使用哪種 3D 建模軟體，生成的 3D 模型都需要轉換成.STL 或.OBJ 這類印表

機可以讀取的格式。

圖 10 建模

21

Tinkercad 常用工具

1.文字輸入：可以點選 TEXT，選擇你要的字母或是直接輸入你需要的文字。

圖 11 文字輸入

2. 物件的移動:點選物體，滑鼠左鍵按著拖拉，即可移動物件。

圖 12 物件的移動

22

3.物件的旋轉:依靠物件上方所顯示的旋轉曲線去進行旋轉，把滑鼠移到這些圖

案上，按住滑鼠左鍵即可旋轉。

圖 13 物件的旋轉

3. 物件的顏色:每個物件內建都會設定一個顏色，而這個顏色也是可以更改的，

只要點選實體的圖案，下方就會跳出預置顏色選擇的色票。

圖 14 物件的顏色

23

4.組合、分解

圖 15 物件的組合、分解

24

4. 等比例縮放物件 Shift+白點

25

圖 16 物件的等比例縮放

26

5. 挖洞開孔、切割

27

圖 17 物件的挖洞開孔、切割

28

6. 對齊

圖 18 物件的對齊

29

2.4 設計原則、技術

不同增量工藝主要區別在於層疊方法和使用的材料。有些工藝通過熔化或軟

化材料分層，例如雷射選區熔化技術（SLM）或直接金屬雷射燒結術（DMLS）、

選擇性雷射燒結術（SLS）、熔融沉積成型（FDM）或熔絲製造（FFF），工藝運

用不同技術加工液體原料，例如立體光刻技術（SLA），在分層實體製造技術

（LOM）下，原材料（紙張，聚合物，金屬等）被切分成層以供重組。

圖 19 3D 印表機類型比較

擠壓沉積過程

20世紀80年代晚期 S.Scott Crump 發明了熔融沉積成型（FDM）技術，1990

年斯特塔西公司將這一技術應用於生產。此技術專利到期後形成了一個大型的開

放資源，允許商業或個人使用應用此技術3D列印機。

FDM技術製作模型或部件的方法是使用一種細珠，可以即時硬化形成分

層，纏繞在捲軸上的熱塑絲或金屬線逐漸展開並輸送向擠壓噴嘴，擠壓噴嘴將其

加熱輸出，通常情況下會使用步進馬達或伺服馬達操控擠壓噴頭和調控材料輸

30

出，噴頭橫縱均抽取式，通常使用微控制器當中的電腦輔助製造（CAM）軟體

包對噴頭輸出過程進行監控。

ABS樹脂、聚碳酸酯（PC）、聚乳酸（PLA）、高密度聚乙烯（HDPE）、PC/ABS、

聚苯礬（PPSU）和高抗沖聚苯乙烯（HIPS）等高分子聚合物都會在過程中被使

用。一般情況，這些聚合物都被用純樹脂粘接起來，呈絲狀。

運用FDM技術生產的模型在造型上會有些許限制。例如鐘乳石樣的造型就

很難生產出來，因為列印過程中沒有對被列印物體的支撐。因此，該技術必須設

計出一種支撐物，不能太厚，並且在成品完成時可以將其打碎剝離。

熔融沉積成型：

1 注射熔體塑料噴嘴

2 沉積材料（模體）

3 抽取式操控台

圖 20 熔融沉積示意圖

顆粒材料結合

另一種3D列印技術就是先融合部分材料，將其放入工作區，加入另一層顆

粒材料，重複上一個過程，直到一個完成的部件被生產出來。這一過程使用未融

合的材料作為媒介來支撐懸掛的或材質較薄的膏體，減少了生產過程中臨時輔助

支撐材料的使用，過程中還會使用雷射來將液體的媒介燒結，例如選擇性雷射燒

結（SLS）技術，會同時運用金屬和聚合物（如聚醯胺（PA）、玻璃纖維增強聚

31

醯胺（PA-GF）、玻璃纖維（GF）、聚醚醚酮（PEEK）、甲苯（PS）、Alumide、

碳化物、彈性體），和直接金屬雷射燒結（DMLS）技術。

雷射選區熔化（SLM）技術並不採用燒結融合粉末顆粒的做法，而是分層使

用高能量雷射使粉末完全融化，產出高密度的材料。這樣生產出的材料與用傳統

方法生產出的金屬機械效能類似。

電子光束溶解法（EBM）也是一種類似的增量製造技術，用於製造金屬部

件（鈦合金等）。EBM技術在真空中用電子束逐層的熔化金屬粉末。但與需要在

低於熔點的溫度下採用的金屬燒結工藝不同，EBM技術生產出的部件密度大，

無氣泡，硬度強。

另一種方法需要採用一種3D噴墨列印系統。印表機平鋪一層粉末（石膏，

樹脂等），運用類似噴墨列印的方法製作出一部分部件，再將橫截面粘合起來，

每次生產一層模型。這個過程一直重複下去，直到模型的所有層次都列印出來。

這種技術可以列印全彩物體和懸空以及彈性物體。通過注入蠟或熱固性聚合物可

以提高粉末列印物的粘合力。

壓層

一些3D列印機可以使用紙張進行低成本的3D列印。20世紀90年代，一些公司開

始推廣一批新型的3D列印機。這些印表機使用二氧化碳雷射束切割出一部分有特殊

塗層的紙張，然後再層層壓合在一起。

2005 年，Mcor 科技有限公司發明了一種不同的方法，採用碳化鎢刀片切割普通的

辦公室紙張，對其加壓，選擇性地沉積粘合材料組合出成品。

光聚合

1986年查克·赫爾取得立體光刻技術（SLA）專利。1974年Mitsubishi's Matsubara

發明出光聚合技術，SLA主要採用的就是這種技術，從液體從分離出固態成品。該

技術大大改進了1860年 François Willème (1830–1905)發明的「光雕塑」技術。這種

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「光雕塑」技術需要從不同的等距角度對物體進行拍攝，將每張相片嵌入螢幕中，

再用比例繪圖儀在塑形粘土上繪出輪廓。

在使用光聚合技術時，要求將一桶液體聚合物置於安全燈的可控光照射下，暴

露在燈光下的液體聚合物的表層漸漸固化，此時將已經固化的模板向下移動，再次

將液體的聚合物暴露在燈光下，再次固化。如此重複直到整個模型成型。將剩下的

液體聚合物控出，剩下的就是固體模型了。EnvisionTEC Perfactory就是DLP快速制

模系統的使用案例。

諸如ObjetPolyJet之類的噴墨印表機系統採用的方法是將光聚合物噴灑在極細

的一層托盤上（16至30微米之間），每層光聚合物在被噴出之後需要紫外線進行固化

加工，這樣可以使最終固化的模型可以立刻投入使用而不再需要後期固化。用於支

撐複雜形狀模型的凝膠樣的支撐材料可以手工或噴水去除。該技術同樣適用於彈性

體原料。

運用多光子光聚合技術的3D微加工可以製造超小微粒，該技術採用聚焦雷射束

將凝膠變成需要的3D模型。因為光激發是非線性的，凝膠只會在雷射照射的地方固

化，剩餘的則可以直接丟棄。無論是小於100奈米的微粒，還是有移動交叉的複雜模

型，這種技術都可以輕鬆做出。

另一種技術則需要用到經LED燈固化的人造樹脂，遮罩圖像投影立體光刻技術

將3D電子模型水平分割成片狀，每片都會被轉化成二維遮罩圖像，將遮罩圖像嵌到

光固化樹脂的平面，打上燈光，就能把樹脂固化成每片模型的形狀。 有些模型包含

多種材料，凝結速率不同，有些公司在製作這些模型時就採用了該技術。研究發現，

將光束從下方照射，可以使樹脂快速均勻地分布，這樣，生產時間就從數小時縮短

到了數分鐘。商業化的Object Connex等裝置採用噴嘴噴灑樹脂。

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第三章-多功能義肢製作過程

3.1 3D 列印介紹

3.1.1 膝上義肢結構分解圖

膝上義肢有 8個卡榫能連結小腿義肢，外觀呈現圓柱體，裡面是實心的

圖 21 膝上義肢

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3.1.2 螺絲結構分解圖

螺絲長5cm 高1cm ,能用來接合兩個義肢，呈圓柱形，表面有為螺紋

圖 22 螺絲

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3.1.3 腳肢結構分解圖

腳肢的設計長12公分、寬5.5公分(如圖32)，設計成可站可坐的樣式，腳

的顏色設定為紅色，腳掌之所以有縫隙，是因為能彎曲。

圖 23 腳肢

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3.1.4 膝下義肢結構分解圖

小腿義肢，長11公分、寬2.5公分及寬4公分的大小 (如圖20)，裡面是空心

的，兩邊的開口可以看到用來鎖螺絲的卡榫。

圖 24 膝上義肢

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3.1.5 組裝圖

將腳、小腿、連結點、膝，組合成一體，再將顧客所想要客製化的地方一

一製作，類似組合積木一樣，將細節和重要部分都凸顯出來。

圖 25 組裝圖

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3.1.6 各部分零件寬與高整理表格

因每位患者所需要的大小有所不同，需求也會有所不一，

以下表 2為模型義肢的長度大小

表 2 零件寬與高整理表格

零件 寬 高

腳 12 公分(cm) 5.5 公分(cm)

螺絲 5 公分(cm) 1 公分(cm)

小腿肢 11 公分(cm) 4 公分(cm).2.5 公分(cm)

膝上肢 0.5 公分(cm) 1 公分(cm)

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第四章 成果

4.1 腳

腳的部分我們顏色用紅色，關節處能彎能伸

圖 26 腳義肢

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4.2 膝上義肢

膝上義肢內部是實心的，外觀呈圓柱體，底部周圍有 8個孔，能用來栓螺絲

圖 27 膝上義肢

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4.3 膝下義肢

膝下義肢上下各有 8個孔是連接腳肢和膝下義肢的中心點

圖 28 膝下義肢

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參考資料網址

3D 列印的起源?

https://findergithub.gitbooks.io/3d-printer/content/13d/3d.html

義肢-維基百科

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BE%A9%E8%82%A2

生物科技改造傳統義肢 日行萬里不再是夢

https://kknews.cc/zh-tw/news/5mrpkyl.html

鐵鞋踏破無處修 義肢師傅顏名延難忘滿場期待的眼神

https://tw.appledaily.com/life/20181010/L4JNTJARJEQVI63O7TGNAHQINI/

膝下義肢的使用與維護保養

https://newrepat.sfaa.gov.tw/home/download-file/2c90e4c767bb6e370167c0038cda03

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