｜熔融沉積成型積層製造控制系統

摘要：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）控制系統，乃是將ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）塑膠或PLA （Polylactic Acid）生物可分解玉米材質等條狀膠條，經加熱熔化通過微細孔徑熱擠壓頭，擠壓沉積成型在列印底板上，透過切層軟體控制，層層堆積成3D物件。本文包含熔融沉積成型技術與專利、積層製造軸控與溫控技術、3D物件切層軟體等簡介，可應用於模具開發驗證、文創設計/教學與3D相關產業應用上。

Abstract: The fused deposition modeling (FDM) additive manufacturing control system means that filament made of ABS plastic or biodegradable corn material (PLA, Polylactic Acid) is heated to melt through a tiny aperture nozzle head, deposited by extrusion onto the print plate, and sliced by software control. Then 3D objects are formed by layer by layer addition. In this article, fused deposition technology and patent, additive manufacturing motion control, temperature control technology, and 3D object slicing software will be introduced. It can be applied to fused deposition modeling, the design and teaching in the cultural and creative sectors, and industries related to 3D applications.

關鍵詞：積層製造、三維列印、熔融沉積成型

Keywords：Additive Manufacturing, 3D Print, Fused Deposition Modeling, FDM

前言
3D積層製造技術採用加法原理，與傳統CNC的減法加工不同[1]，可以層層堆積製作出形貌複雜的產品，亦能直接做出免組裝之活動工件如板手等，減少繁瑣的組裝工作，其應用從早期的輔助設計的模型製作、客製化製作驗證產品功能，演變到目前零組件或具功能性產品的直接製造，廣泛地應用在機械業、模具業、玩具模型、航太、文化創意、汽（機）車、醫療、珠寶飾品等諸多領域。透過3D積層製造技術，無論是否具有機械製造背景的人，都可以導入該產業，把公仔、玩具、遙控汽車、自己想像的創意物品或研發的新產品“列印”出來。結合電子及電機零組件，製作出具有各種功能的產品，因此目前在歐美掀起一股製造者運動（Maker movement） [2]。

2012年美國國家科技委員會發布「國家製造創新網路」（NNMI）中所提到的發展先進製造業，就把3D列印列為重點發展技術，再加上RepRap開源計畫的推動下，成本較低的個人化桌上型積層製造設備在2013年蓬勃發展，其技術大概可區分為兩類，分別為熔融沈積快速成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技術，與採用光固化成型技術（Stereolithography, SLA），其中又以FDM設備的機械結構最為簡單，製造成本、維護成本及材料成本較低，所以成為目前市面上最暢銷的桌上型機種，如MakerBot推出導桿與皮帶傳動方式的Replicator 系列機種，如圖1所示，及3D Systems所推出滑軌或導桿傳動方式的Cube系列機種[3]，而工業等級FDM機器，主要以Stratasys公司產品為代表[4]，工業等級的SLA機台則以3D Systems公司產品為代表。

熔融沈積成型技術與專利
熔融沈積成型技術，乃是將3D物件經由切層軟體程式變成許多2D平面，並經由數學演算法尋找最佳的運動軌跡，透過加熱器將圓柱線型膠條加熱融化，再經過一個直徑約0.3~0.4 mm的微小孔徑的熱擠壓頭，透過擠壓方式將材料擠擠出來，然後沿運動軌跡沉積在列印底板上，當溫度低於熱塑溫度後開始塑化成型，最後逐層堆積成三維實體造型[5]，如圖2所示。因此如何設計熱擠壓頭使膠條不會斷料或阻塞，選擇強度強、後置處理容易的材料，控制積層的精度與速度成為FDM開發技術的重點[6]。FDM機台由於成本低廉，因此廣泛應用在各領域，如快速成型、公仔玩具、食品列印到生物科技領域等。