廖運炫臺灣大學：機械工程學研究所張均豪Chang, Chun-HaoChun-HaoChang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61452摘 要 SLA （Stereolithography apparatus）系統為現今市售機型中精密度與市場佔有率最高者。為解決現有SLA快速原型製程在製造複雜的幾何結構並具功能性的機械結構與組合件的過程中，放置並包覆嵌入件時所遭遇的問題，如：雷射遮影、刮板干涉、定位及支撐等問題，本論文提出嵌入件輔助支撐演算法並發展一“SLA嵌入製程”技術，期能處理SLA製程於置入嵌入件時，幾何形狀的限制和減少研發複雜機型的成本負擔。 由實驗結果得知，經由嵌入件輔助支撐演算法設計製作的RP件側定位與底部支撐結構能有效的定位嵌入件，置入嵌入件於RP件後，填充光硬化樹酯於預留凹穴中再進行後照射處理，能避免SLA製程在製作嵌入件時所遭遇雷射遮影與刮板干涉的問題，並可固定具功能性元件。本嵌入製程亦可製作與具傳動功能的嵌入件（導螺桿）達成良好配合的RP件，導螺桿與RP件可自成一組運動對，用以提升快速原形成品的功能性。並於製程中完成無須另行組裝的具功能性成品，以降低組裝時所產生的定位與配合公差。 本研究的結果證實了，利用SLA嵌入製程配能有效的解決傳統SLA製程在製作嵌入件時所遭遇的問題，並建立輔助支撐演算法以提供往後研究上的參考依據。 （關鍵詞：快速原型、SLA、嵌入件、輔助支撐演算法）Abstract Stereolithography apparatus (SLA) machines are capable of producing an intricate design with high precision and constitute the largest share of the worldwide market. To solve the problems in the process of fabricating assembly parts such as working mechanisms, complex structures, etc. by SLA, such as Laser shadowing, recoating the vat and support structures, a new SLA-embedded process and a rule of support, dubbed as “assistant-support algorithm” are proposed in this paper. The main idea of this new process is to design the side-fixed and bottom-supported structures inside the cave of the RP part in which the insert is embedded. Then the cave is filled with the resin before post-curing. This can eliminate the shortcomings of the conventional SLA embedding process and fix the functional elements. The new process improves the function of rapid prototype the RP parts possessing the mobility of transmission shaft can be fabricated. Furthermore, it has advantage of fabricating complex, functional system in one step without requiring assembly. As a result, accuracy of the RP part is improved. The result of this study proves that the proposed new SLA-embedded process can solve the problems encountered when the insert is been embedded in the RP parts with conventional SLA process. Guidelines for designing and the selection of process have also been established to help designers. （Keyword：Rapid Prototype, SLA, insert, assistant-support algorithm）目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 目錄 Ⅲ 圖目錄 Ⅴ　　 表目錄 Ⅹ 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 1 1-3 研究目的 7 1-4 本文內容 8 第二章 立體成型製程（SLA）之加工原理 9 2-1 SLA的加工原理 9 2-2 光聚合物 12 2-3 加工參數對於成型件外觀尺寸的影響 12 第三章 線上嵌入製程與輔助支撐演算法 16 3-1 線上嵌入製程之步驟說明 16 3-2 特徵結構輔助支撐演算法 23 3-2-1 嵌入件側面輔助定位法則 24 3-2-2 嵌入件底部輔助支撐法則 32 3-2-2-1嵌入件表面輪廓點資料取得與處理 32 3-2-2-2 STL格式與三角網格法向量之擷取 33 第四章 實驗 39 4-1 實驗設備 39 4-2 實驗材料 43 4-3 實驗規劃 44 4-4 實驗步驟 45 4-4-1 SLA製程製作固定式嵌入件 45 4-4-2 SLA製程製作可動式嵌入件 50 4-4-3 SLA製程製作嵌入式組合件 53 4-5 實驗結果與討論 56 第五章 嵌入製程公差比較之實驗 57 5-1 側定位結構於CAD Model 與 RP成品間尺寸差異之探討 57 5-2 嵌入件固化前後XY定位精度之探討 63 5-3 嵌入件固化前後Z方向定位精度之探討 66 第六章 結論與未來展望 68 6-1 結論 68 6-2 未來展望 69 參考文獻 70 圖目錄 圖1-1　垂直置入嵌入件之流程示意圖 2 圖1-2　置入水平嵌入件之流程示意圖 2 圖1-3　以SDM製作撓性嵌入件流程圖 4 圖1-4　以SDM製作撓性嵌入件之成品 4 圖1-5　SDM嵌入光纖感測器流程圖 5 圖1-6　雷射遮影 6 圖1-7　刮板干涉 6 圖2-1　SLA加工原理示意圖 9 圖2-2　SLA製程之流程圖 10 圖2-3　Trapped volume示意圖 10 圖2-4 雷射能量分佈與硬化深度示意圖 13 圖2-5　光點路徑與實際外觀尺寸之關係 14 圖2-6　尖角鈍化 14 圖2-7　採用光點補償之掃瞄路徑 15 圖2-8 未採用光點補償之掃瞄路徑 15 圖3-1　側定位與底部支撐結構示意圖 17 圖3-2 軸件嵌入過程： a.嵌入件特徵辨識 b.建立具側定位結構之 RP件c.置入嵌入件 d.灌入光硬化樹酯並進行後照射處理 18 圖3-3 Process 2 步驟示意圖 20 圖3-4 Process 3 步驟示意圖：（a）可動式嵌入件 （b）表面前處理 （c）製作RP半成品 （d）置入嵌入件並填充光硬化樹酯（e） 經後照射處理得到成品 21 圖3-5　嵌入製程流程圖 22 圖3-6 SLA所製作之嵌入件 23 圖3-7　特徵輔助演算法所製作之嵌入件 24 圖3-8 （a）平行光沿嵌入方向投影至嵌入件上（b）嵌入方向之最大 投影面 25 圖3-9 封閉曲線分割為m個點 25 圖3-10 簡單型輪廓 27 圖3-11 複雜型輪廓 27 圖3-12 混合型輪廓 28 圖3-13 曲線上各點曲度之判定 29 圖3-14 簡單型輪廓嵌入件與側定位結構 30 圖3-15 複雜型輪廓嵌入件與側定位結構 30 圖3-16 混合型輪廓嵌入件與側定位結構 31 圖3-17 嵌入件Dn＜0無變號亦無連接點側定位結構 31 圖3-18 STL檔案例子 33 圖3-19（a）自下方以平行光照射工件（b）工件產生局部遮影示意圖 34 圖3-20 向量Nn與相鄰點k的方向向量Li 內積示意圖 35 圖3-21 嵌入件凸面與底部支撐結構 36 圖3-22 嵌入件凸面與底部支撐結構 36 圖3-23 具有複雜曲面變化之嵌入件 37 圖3-24 尋找嵌入方向最大投影面 37 圖3-25 將輪廓分為數個線段的集合 38 圖3-26 於線段中點設計側定位結構 38 圖3-27 尋找有效可視面並判別表面曲度 38 圖3-28 設計底部支撐結構 38 圖3-29 製作RP件側定位與底部支撐結構 38 圖3-30 嵌入件置入RP件剖面圖 38 圖4-1 VIPER si2 System 39 圖4-2　PCA-350後照射設備之外觀圖 41 圖4-3 真空鑄型機之外觀圖 42 圖4-4　光學顯微鏡組結合影像辨識系統 42 圖4-5 範例：（a）軸承（b）橫置2/3局部嵌入之圓軸件 （c）導螺桿 44 圖4-6 （a）最大投影面輪廓線（b）有效可視曲面 45 圖4-7 （a）Dn＜0無變號亦無連接點（b）自輪廓三等分作側面 支撐點 46 圖4-8 （a）最大投影面輪廓線（b）有效可視曲面（c）Dn=0無變號 有連接點（d）自各線段中點作側面定位點 46 圖4-9 （a）Cn<0無變號有連接點（b）自各線段中點作側面定位點 47 圖4-10（a）嵌入軸承之RP件示意圖（b）RP件側定位結構 47 圖4-11（a）RP件側定位與底部支撐結構（b）嵌入圓柱件示意圖 48 圖4-12（a）僅具側定位結構之RP件（b）具底部支撐與側定位結構 之RP件 48 圖4-13 置入軸承與圓軸件於凹穴示意圖 49 圖4-14 固定式嵌入件成品 49 圖4-15（a）中空套筒之RP件示意圖（b）置入導螺桿之示意圖 50 圖4-16 真空處理設備與配置示意圖 52 圖4-17 無真空與表面處理之成品 52 圖4-18 有真空處理與表面塗佈潤滑油之成品 52 圖4-19 有真空處理與表面塗佈固態蠟之成品 52 圖4-20 嵌入式組合件CAD Model示意圖 53 圖4-21 導桿需嵌入部分示意圖 54 圖4-22（a）最大投影面輪廓與判別式（b）三等分點側定位結構 54 圖4-23 螺桿配置示意圖 55 圖4-24 軸承線上置入示意圖 55 圖4-25 嵌入件線上置入示意圖 56 圖4-26 嵌入式組合件之成品 56 圖5-1 一般圓孔造型嵌入件 58 圖5-2　具側定位結構之嵌入件 58 圖5-3　一般圓孔造型與具側定位結構試片之成品 59 圖5-4　光學顯微鏡組結合影像辨識系統擷取三側定位結構尖端邊界 點資料示意圖 59 圖5-5　試片上所擷取的資料點之位置示意圖（藍點為量測位置） 59 圖5-6　一般設計圓孔凹穴之實際量測直徑之CAD示意圖 60 圖5-7 具側定位結構凹穴之三點內接圓與邊界圓的實際量測直徑CAD 之示意圖 60 圖5-8　光點補償時尖角鈍化之誤差值示意圖 62 圖5-9　量測試片與擷取之點資料位置示意圖 63 圖5-10 固化前後中心位置之CAD示意圖 64 圖5-11 置入軸承與RP件三點支撐結構示意圖 66 圖5-12 固化前後成品量測尺寸示意圖 66 表目錄 表4-1　VIPER si2 System規格表 40 表4-2　Acurra 300 material之規格和材料性質表 43 表5-1　一般設計圓孔成品與CAD Model之間的尺寸誤差關係表 （mm） 60 表5-2　具側定位結構成品與CAD Model之間的尺寸誤差關係表 （mm） 61 表5-3　嵌入件固化前與固化後的XY定位誤差關係（mm） 65 表5-4　嵌入件固化前與固化後的Z方向定位誤差關係（mm） 67en-US嵌入件輔助支撐演算法快速原型SLAinsertassistant-support algorithmRapid Prototypethesis