台灣3D列印的現況與發展

侯帝光

機械工程學系教授

學生事務長

國立聯合大學台灣

2016.11.28

2

侯帝光 Max T. Hou

• 1991學士，中原大學機械系• 1993碩士，清華大學動機系• 1993-95陸軍步兵少尉• 1995-97助理工程師，慶眾汽車

• 1997-99副研究員，石材工業發展中心

石頭水槽石材加工用CNC

Volkswagen T4

車體焊接

3

侯帝光

• 1999-2003博士，清華大學動機系

• 2003-04博士後，清華大學動機系

• 2004-06助理教授，中華科技大學

• 2006-10助理教授，中華科技大學

• 2010-15副教授，聯合大學• 2015-Now教授，聯合大學

微機電系統MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems

微機電系統之應用

四旋翼飛機

微致動器

4

大綱

• 3D列印• 技術種類• 應用• 學術研究• 台灣3D列印的現況• 未來發展

5

3D列印

• 3D列印(3D printing)詞彙出現前，更常被人提及的是快速成型(RP，rapid prototyping)

• RP：正式開模前，製作樣品，並檢驗樣品，以確認設計是否有問題

• 1981年，名古屋市工業研究所小玉秀男利用光硬化聚合物增材製造三維塑膠模型

• 1984年，美國人查克赫爾(Chuck Hull)發明立體光刻(stereolithography)，用紫外雷射固化高分子光聚合物，將原材料層疊起來

6

3D列印

• 技術百家爭鳴– FDM、DLP、SLA、LOM、SLS、SLM、EBM…

• 早期RP僅存在於專業廠商~購置與維護成本高

• 現今使用者增加~專業玩家、代印業者及興趣人士

• 未來~一般民眾

7

技術種類

8

Fused Deposition Modeling (FDM)溶融沉積法

溶融沉積法FDM [1]FDM成品、半成品

線材

材料捲軸

加熱噴頭

溶化材料

固化模型平台

FDM製品機械強度較佳，但表面粗糙，須後處理。

9

Digital Light Processing (DLP)數位光處理

工作平台

馬達

數字光處理

光源

光敏聚合物

DLP運作過程[4]

DLP 製造的立體物件細緻，外觀無須打磨，但機械強度較差。

鏡頭

數字光處理[3]

Stereolithography (SLA)光固化

DLP：將物件逐步拉出光固化樹脂SLA：將物件逐步沉入光固化樹脂兩者使用的光源不同

掃瞄系統 雷射

雷射光束

光敏樹酯

已固化樹酯的層

SLA運作過程[6]光固化[5]

10

Laminated Object Manufacturing (LOM)層狀物體製造

層狀物體製造[7]LOM運作過程[8]

雷射光束

加熱圓棒

LOM利用雷射或刀具將塑料薄膜切成所需形狀，再一層層使用膠水黏貼，堆出立體物件。

11

原料供給

Powder Bed + Inkjet Head 3D printing粉末式3D列印

粉末供給

平整圓棒

粉末進給活塞

建構活塞

粉末床台

黏合劑進料器

噴墨打印頭

粉末式3D列印[9]運作過程[10]

在平台上鋪一層粉末，利用印表機噴頭噴出膠水，將所需部分黏著在一起；接著再往上鋪一層粉，再度噴出膠水將粉末黏著。最終未被噴到膠水的粉末被吸走回收再利用，被膠水黏住的部分即立體物件。

12

Selective Laser Sintering (SLS)雷射燒結

掃描鏡雷射

滾筒

粉末製造平台

活塞雷射燒結[11]SLS運作過程[12]

SLS利用雷射加熱，粉末內的黏合劑超過一定溫度，會使粉末黏著在一起；材料：塑料、金屬粉末皆可。

13

Selective Laser Melting (SLM)選擇性雷射溶化

選擇性雷射溶化[13] SLM運作過程[14]

分層使用高能量雷射使粉末完全融化並結合在一起，如此一層層堆疊出高密度的材料。

雷射

固化之金屬結構

溶化區粉末層

掃描方向

14

Electron Beam Melting (EBM)電子光束溶解法

1.高壓電纜2.白熾陰極3.偏壓杯4.初次陽極5.電子束6.聚焦線圈7.偏轉線圈8.焊縫9.工作區10.真空室

電子光束溶解法[15]

EBM運作過程[16]

電子束可以控制轉向，使作用區域覆蓋整個加工區域，加熱到一定溫度時就會發射電子。

15

應用

醫療與牙醫

3D列印義肢(人身運用)[17] 3D列印義肢(運用於動物)[18]

[19]3D列印牙齒模型 [20]3D列印人的面容 17

印製出人耳、肌肉及骨骼組織

資料顯示研究人員將 3D 列印的人耳移植到老鼠身上，經過兩個月，耳朵除可維持正常形狀外，血管及軟骨組織也已經形成。

18

藝術 / 設計 / 雕像

3D列印燈罩(PLA)[21]

3D列印雕像[22]

3D列印玻璃燈罩[23]

19

食物

3D列印披薩[24]

3D列印特殊形狀的食物[26] 3D列印巧克力[27]

3D列印餅乾[25]

20

建築

3D列印建築模型[28] 3D列印房子[29]

3D列印複雜形狀的房子[30]

21

荷蘭3D水泥列印房子

水泥 3D 列印機類似高架上行進的天車，搭配一個可上下移動並可轉動的 3D 列印噴頭，只是原料改為混凝土，並透過軟管來輸送混凝土原料。

22

服裝

3D列印服裝[31]

3D列印頭飾[32]

背包[33]

23

航太

3D列印噴射引擎模型[34] 運作過程[35]

3D列印金屬模型[36]

24

珠寶

3D列印金屬戒指[37] 3D列印手環[38]

3D列印耳環[39]

25

本田3D列印電動車

3D 列印汽車有：快捷、易客製化…等特點，但成本較高，無法大批量生產，所用材料在特定環境下可能釋放毒素。

26

學術研究

列印絨毛玩偶

列印泰迪熊過程

CAM模型

羊毛氈

針

成品

28

不同材料

此研究使用的針

使用羊毛氈列印泰迪熊3D模型成品。

列印食物

列印巧克力模型

29

不同材料

使用材料為奶油、糖、蛋黃，依照不同的比例印製出房子以及飛機的模型，其最右邊圖為油炸出的成品

列印食物

活塞

擠出噴嘴

配方後之“墨水”

沉積自身支撐

30

不同材料

列印玻璃

成品

印製過程

印製過程

31

不同材料

列印房子

材料：混凝土，無鋼筋

運作過程

成品

32

不同材料

3D列印有機電子元件

列印架構

噴塗導電層

33

不同材料

施加電壓時，會產生溫度變化，上圖為熱影像照片，右邊為實際成品。

3D列印藥用膠囊

CAD繪圖檔案使用FDM法之3D列印

工作圖

線材製程

螺桿

藥物釋放與時間之關係圖

34

不同材料

HPC線材

3D列印高導電性石墨烯軟性電子

使用FDM技術，列印材料為石墨烯，印出具有彈性之電路。

35

不同材料

3D列印於生醫的應用

NIR雷射

殘存腫瘤細胞

光熱療法，骨頭重新生成

成骨細胞

師法淡菜的奈米結構

36

不同應用

3D列印生物陶瓷支架，有一奈米層表面，可支持骨細胞的附著和增生。此奈米表層具優異之光熱效應，運用雷射可由體外誘導殘存腫瘤細胞死亡，避免復發。

3D列印於海洋學上的應用

使用3D列印出跟珊瑚相似性質的模型，來替代海洋中的珊瑚。

自然

電腦生成

列印

3D列印成品

37

不同應用

瑞式古菱齒象骨骼系統之3D列印

斷層掃描出化石的3D模型，再將其模型印製出來。

38

不同應用

微小結構之3D列印

使用EHD電流體動力3D列印技術，其材料為相變油墨，不同的電壓值使滴液直徑跟著改變，可印出10um的微小結構。

電壓供給加熱頭

基材

背壓

接地電極

平移平台

Z軸平台

EHD實際運作過程

39

不同尺度

五軸3D列印

5軸3D列印機

運作過程

成品40

機台技術

3D列印件的機械性質加強1

使用玻璃纖維材包覆在列印件外層，來強化列印件的強度。

使用手工包覆

玻璃纖維

列印方向

3D列印圓柱體 使用玻璃纖維加強3D列印圓柱體

41

機械性質

RC1:第1層玻璃纖維RC2:第2層玻璃纖維RC1-1:第1層玻璃纖維及內部插入5mm深度1mm厚度寬的玻璃纖維RC1-2:第1層玻璃纖維及內部插入5mm深度2mm厚度寬的玻璃纖維

3D列印件的機械性質加強2

列印時，加入碳纖維，增強列印件強度。

碳纖維擠出頭

列印平台

PLA線材 碳纖維導管

噴嘴

元件部件

PLA導管

液化

42

機械性質

不同列印方式之機械性質

以不同角度列印試件，用拉伸試驗機與抗壓試驗機實測試件之應力應變，與理論值比較，驗證理論與實驗值差異不大。

個別的結果

理論的結果

平台列印角度

單軸向強度

43

機械性質

44

台灣3D列印現況

45

世界3D列印產業現況

市場預測

46

Wohlers協會預測：2017年以前，積層製造將有60億美元之全球市場。

根據Wohlers協會市場調查：2012年，全球積層製造(additive manufacturing)市場達22億美元。其中美國佔38%，日本10%，台灣2%。

3D列印在工業上的用途

47

工業/商業機台

航太

汽車

消費性產品/電子產品

醫療/牙醫

學術機構

政府/軍事

建築 其他

48

台灣金屬3D列印的發展

工研院

49

2015-05-21工研院發表金屬3D列印設備，可製作10公分及25公分立方體積工件，以金屬粉末經雷射燒熔層層疊加成型，成品精細度可達50毫微米(µm)、緻密度達99%，以鈦合金粉末製作，拉伸強度達950MPa以上，已達醫材等級規格需求，可用於製作結構繁複的金工飾品、金屬模具、醫材和零組件。

工研院

50

2016-04-21工研院結合六家業者成立「雷射披覆表處試製聯盟」，率先採用先進LMD 3D列印製程，導入金屬模具與金屬製品元件的表面金屬披覆試製，以綠色加法製程提昇製程效率及產品競爭力。

51

3D列印 vs創客

消費型3D列印機

52

da Vinci 1.1 Plus

層厚列印精度: 0.1 mm機台重量: 27kg

Atom 2.0

層厚列印精度: 0.05 mm機台重量: 8kg

消費型3D列印機近來相當熱門，不斷有新機種推出。但機型架構都差不多。

Atom外型設計美觀，列印高度達31.5公分，列印體積達8000立方公分，列印層高精度達0.05 mm，列印出的物件外觀更平滑。

ATOM 2.0

53

ATOM機身零件多數為台灣製造，雖成本較高，但品質較佳。ATOM優勢在於其簡單、乾淨的造型，穩定、快速精準且安靜的印製過程。創新的冷卻系統、皮帶調整器、模組化噴頭設計等特點。

ATOM固定噴頭組方式使用強力磁鐵，方便更換其他模組。

250mw半導體雷射模組

列印成品

54

55

3D列印 vs工程教育

機台製作(結構與機構)

鋁型材 GT2時規皮帶 同步輪 軸承 聯軸器

線性滑軌 T型螺桿

角件、螺絲、T型螺母

經過校正後完成後的架構。

在機械部分學生可學習機台基本架構、進給、加工單元、元件精度對機台組裝的影響、振動對加工的影響。

機台製作(電機部分)

3D列印的控制核心部分其中包含(1)arduino mega 2560 (2)擴充板ramps1.4s (3)LCD液晶面板 (4)A4988步進馬達驅動器 (5)USB線

42型L38步進馬達

在電機部分學生可學習如何編譯Arduino，更改參數，以及調整A4988的電壓電流大小，調整其適當值，使得馬達在運作時不會失步。

限位開關 加熱噴頭組

變換加工單元

龍門型3D列印機之基本功能為3D列印。若將擠料噴頭換成雷射，則成為雷射雕刻機。

印製義肢

雷射雕刻哆拉A夢

四旋翼腳架

實際運作情形

58

會做機台就能維修機台

59

上圖為本校建築系欲報廢之木工雕刻機，接手時三軸不能動且控制板與現行電腦不相容。學生藉著3D列印機組裝經驗，將其拆解、置換馬達、控制板，並做調整與保養，完成修復並製作木雕作品。

木作雅集的雕刻圖

浮雕作品：龍

不同架構之機台製作

Delta型3D列印機

印製小船

印製西洋棋組

大部分機台均有進給與加工單元，並以控制器進行機電系統整合。學生製作龍門式3D列印機之經驗，亦可用於Delta型3D列印機之製作。 60

代印服務

61

工設系設計的高跟鞋，左上角為列印的成品，以及經過後處理的成品

土木系設計的固定蓮蓬頭3D模型

固定蓮蓬頭3D列印成品( 橘 色 為 PLA ， 紅 色 為EVA)

為客戶印製的恐龍骨架模型

3D列印訓練班

62

師資由本實驗室碩士生與大四生組成，學員為來自本校各系所之學生。用14小時的課，建立學員對於3D列印機之概念，並可自行設計3D模型(電腦繪圖)，交由專業人員進行代印。

日本訪問生製作3D列印機

錫焊限位開關 量測馬達驅動器電壓值大小

日本生製作完成的3D列印機，正在印製手機座

64

未來發展

未來發展

• 金屬3D列印機是未來產業發展的重點– 高功率雷射– 材料技術

• 創客運動促進消費型3D列印機市場– 機台可靠度須提升– 代客列印商業模式可進一步發展

– 材料選擇侷限須突破

• 機械工程教育可以3D列印機之設計與實作作為capstone課程– 機械工程科系學生驗證機械系課程理論

– 工具機產業的入門課– 用代印與其他領域接觸並深刻認識機械工程師之定位

– 整體提升機械工程科系畢業生之技術實力

65