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研究生:詹勝欽
研究生(外文):Sheng-Chin Chan
論文名稱:金屬快速原型流程改善之研究
論文名稱(外文):Process Improvements for Metal Rapid Prototype System
指導教授:陳維隆陳維隆引用關係
指導教授(外文):Wei-Long Chen
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:數位化產品設計產業研發研究所
學門:設計學門
學類:產品設計學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:116
中文關鍵詞:CAVRE精密鑄造電腦輔助工程CAE電腦輔助檢測與驗證金屬快速原型
外文關鍵詞:computer-aided engineeringRECAEComputer-aided detection and verificationMetal Rapid PrototypingCAVinvestment casting
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近年來科技不斷的進步,產業結構的改變,環保意識抬頭,加上產品有著少量多樣及研發時程的縮短,金屬材料已有被大量採用的趨勢,而在製作金屬快速原型如欲與世界市場競爭,需要導入先進數位化系統加以改善金屬原型的良率及縮短研發時間。而使用精密鑄造攻法的快速原型,至今依然無法由其他的製程所取而代之,國防工業、航空業、汽車業,至今依然有許多複雜關鍵零組件,皆都使用此法製作,而此法所產生的變形,往往都可能大於公差範圍,而產生重新製作或進行整型,將會造成資源、時間等等的大量浪費。
本研究用二個案例藉著導入CAD/CAE/RE/CAV等先進製程,在CAD完成後,先經CAE模擬分析方式,事先預測金屬原型之變形趨勢,再透過RE全面檢測,進行CAV比對,先確認RP、蠟型正確性,最後在以CAE與鑄件驗證,CAE所變形趨勢的正確性,藉以提高金屬原型的良率,事先預知變形趨勢,進而達到研發時程的縮短。並作為未來金屬原型進行製作時之參考方針,以達到精準及快速符合產業界所需的產品。
In recent years, with the advance of technology, changes of industrial environments, awareness of environmental issues, metal products with low volume and short life cycle has become a trend in manufacturing prototype and production parts.

To achieve competitiveness in the field of metal rapid prototype processes, a process integrating superior information technology system that will result in high yield rate and shorter lead time in the prototype development is especially important.

Although investment casting RP (rapid prototype) process has been widely adopted in manufacturing key components in defense, aviation and auto industries, investment casting parts inherent the nature of casting defects such like shrinkage and warpage which cause difficulties in controlling tolerance and results in rework work.

In this study, various integrated CAD/CAE/RE/CAV systems and processes are used to advance the prototype yield rate and tolerance control are investigated and proposed. In the proposed process, casting process is simulated and evaluated right after the preliminary design to predict the deformation of metal prototype. Secondly, calibrated model CAD file used to manufactured metal RP is compared with RP or wax form to minimize the model discrepancy. In the last stage of the process, CAV tools are used to compare two results to verify the accuracy of RP and wax.

Under the framework of integration of advanced analysis tool and high accuracy of RP & wax manufacturing system, it seems controlling of casting deformation become more feasible and therefore enhance the part yield rate with shorter development time which meet the current trend in metal prototype requirements.
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究之重要性 3
1.4 研究方法與流程 6
第二章 文獻探討 8
2.1 有限元素分折 8
2.1.1 有限元素法基本概念 9
2.1.2 元素種類 10
2.1.3 電腦輔助工程分析於鑄造中之應用 11
2.1.4 熱傳 12
2.1.5 流動 12
2.2 快速原型 12
2.2.1 快速成型加工原理介紹 13
2.2.2 快速成型系統分類介紹 15
2.3 掃描量測技術與CAV(Computet Aided Verification)檢測 21
2.3.1 量測硬體分類介紹 22
2.3.2 量測硬體分析比較 22
2.3.3 三角法量測技術 25
2.3.4 CAV檢測 28
2.4 精密鑄造法 28
2.4.1 脫蠟鑄造法的優點與特色 29
2.4.2 脫蠟鑄製造法概論 30
2.4.3 主模型 32
2.4.4 射蠟成型金屬模 32
2.4.5 射蠟 33
2.4.6 心型 33
2.4.7 組樹 34
2.4.8 沾漿與淋砂 35
2.4.9 脫蠟燒結與澆鑄 35
2.5 RP Quick CAST 36
2.5.1 RP中空化 38
2.5.2 RP中空內部液態光敏樹脂脫除技術 39
2.5.3 RP燒失技術 40
第三章 研究方法 41
3.1 研究方法 41
3.2 電腦輔助工程分析軟體之分析比較 43
3.3 快速成型系統分析比較 46
3.4 BREUCKMANN 3D光學掃瞄系統 48
3.5 逆向工程專業比對軟體Geomagic Qualify 50
3.6 鋁合金材料 50
第四章 結果與討論 53
4.1 案例一.RP Quick CAST 53
4.1.1 CAD建立標準件 54
4.1.2 CAE分析 56
4.1.3 RP Quick Cast製作 62
4.1.4 掃描量測(RP QucikCast) 66
4.1.4 CAD與RP比對 69
4.1.5 RP QucikCast鑄件製作 73
4.1.6 鑄件量測 77
4.1.7 CAE與鑄件比對 80
4.1.8 案例一CAD、CAE、RP、Casting比對 85
4.2 案例二改良式傳統精密鑄造 88
4.2.1 CAE分析 88
4.2.2 蠟件製作 93
4.2.3 掃描量測(蠟件) 95
4.2.4 CAD與蠟件比對 98
4.2.5 掃描量測(鑄件) 102
4.2.6 CAE與鑄件比對 104
4.2.7 案例二CAD、CAE、蠟件、Casting比對 109
第五章結論與未來展望 112
5.1 結論 112
5.2 建議 113
參考文獻 115

表目錄
表2.1.1量測硬體分析比較表 23
表3.2.1 目前常用之流動分析軟體 [17] 45
表3.3.1 RP設備優劣分析表 47
表3.6.1 鋁合金脫臘鑄件的綜合收縮率(殼模材料矽酸乙酯,多層殼模)[21] 52
表4.1.1 CAD與RP比對的公差範圍與點群偏差 69
表4.1.2 CAD與RP比對公差百分比分佈表 71
表4.1.3 CAE與鑄件比對的公差範圍與點群偏差 81
表4.1.4 CAE與鑄件比對公差百分比分佈表 83
表4.2.1 CAD與蠟件比對的公差範圍與點群偏差 98
表4.2.2 CAD與蠟件比對公差百分比分佈表 100
表4.2.3 CAE與鑄件比對的公差範圍與點群偏差 105
表4.2.4 CAE與鑄件比對公差百分比分佈表 107

圖目錄
圖1.1.1 高單價金屬原型 1
圖1.4.1 論文流程圖 7
圖2.1.1 元素形狀 10
圖2.2.1 快速成型加工程序 14
圖2.2.3 3D System公司SLS系統[7] 17
圖2.2.4 西德EOS公司EOS系統[8] 17
圖2.2.5 3D System公司SLA7000系統[7] 18
圖2.2.6 SLA加工原理 19
圖2.2.7 以色列的OBJECT系統[9] 19
圖2.2.8 FDM快速原型系統加工原理[6] 20
圖2.2.9 FDM快速原型系統加工原理[6] 21
圖2.3.1 接觸式,CMM 3次元量床[11] 23
圖2.3.2 非接觸式,工研院4軸雷射掃瞄系統[12] 24
圖2.3.3 非接觸式,BREUCKMANN 3D 光學掃瞄系統[13] 24
圖2.3.4 各種形式結構光[6] 26
圖2.3.5 Gray碼結構光投影法 27
圖2.3.6 Gray碼圖案 27
圖2.4.1 傳統之精密鑄造流程 31
圖2.5.1 RP精密鑄造流程 37
圖2.5.2 RP蜂巢網狀中空度結構 38
圖2.5.3 RP樹脂脫除離心設備 39
圖2.5.4 RP燒失曲線 金屬工業發展中心 提供 40
圖3.1.1 研究流程 43
圖3.4.1 掃描資料攫取過程[9] 49
圖3.6.1 由許多原子組成的面心立方結構體[22] 52
圖4.1.1 本實驗3D CAD Model之規劃流程 54
圖4.1.2 本實驗2D草圖設定 55
圖4.1.3 本實驗STP檔所呈現之輪廓線架構及著色後圖形 55
圖4.1.4 鑄件網格 57
圖4.1.5 殼模網格 57
圖4.1.6 澆鑄分析圖1 58
圖4.1.7 澆鑄分析圖2 58
圖4.1.8 凝固分析圖1 59
圖4.1.9 凝固分析圖2 59
圖4.1.10 凝固分析圖3 60
圖4.1.11 凝固分析圖4 60
圖4.1.12 分析輸出檔案與原始CAD比對圖 61
圖4.1.13 3D Lightyear軟體,材料選取及機台設定之前製作業 62
圖4.1.14 對工件進行長支撐,並進行Sliciing 63
圖4.1.15 Lightyear軟體Sliciing完成後,輸出BFF檔以供RP機器製作 63
圖4.1.16 於SLA機台製作2%狀況 64
圖4.1.17 於SLA機台製作41%狀況 64
圖4.1.18 RP Quick Cast切層狀況 65
圖4.1.19 RP Quick Cast 完成圖 65
圖4.1.20 Breuckmann光柵實際量測RP狀態 66
圖4.1.21 掃描系統擷取RP工件多筆影像資料 67
圖4.1.22 在2個分片選取3個特徵疊合 67
圖4.1.23 RP工件疊合一 68
圖4.1.24 RP工件疊合二 68
圖4.1.25 CAD與RP比對整體偏差報告 69
圖4.1.26 CAD與RP比對的各個視角 70
圖4.1.27 CAD與RP比對公差百分比分布圖 71
圖4.1.28 CAD與RP A~F斷面比對位置 72
圖4.1.29 CAD與RP A~F斷面詳細比對圖 72
圖4.1.30 沾漿與淋砂後的RP QucikCast,放入爐內準備燒結 74
圖4.1.31 RP QucikCast放入爐內安定處 74
圖4.1.32 RP QucikCast放入爐內燒結1小時,準備取出 75
圖4.1.33 澆鑄人員仔細檢查鋁湯 75
圖4.1.34 RP QucikCast鑄件過程 76
圖4.1.35 RP QucikCast鑄件澆鑄完成 76
圖4.1.36 Breuckmann光柵實際量測鑄件狀態 77
圖4.1.37 掃描鑄件系統擷取工件多筆影像資料 77
圖4.1.38 在鑄件量測資料在2個分片選取3個特徵疊合 78
圖4.1.39 鑄件工件疊合一 78
圖4.1.40 鑄件工件疊合二 79
圖4.1.41 鑄件完整點群資料 79
圖4.1.42 CAE與鑄件比對整體偏差報告 81
圖4.1.43 CAE與鑄件比對的各個視角 82
圖4.1.44 CAE與鑄件比對公差百分比,分布圖 83
圖4.1.45 CAE與鑄件A~F斷面比對位置 84
圖4.1.46 CAE與鑄件A~F斷面詳細比對圖 84
圖4.1.46 案例一CAD、CAE、RP、Casting比對斷面位置 85
圖4.1.47 案例一A區域CAD、CAE、RP、Casting趨勢圖 86
圖4.1.48 案例一B區域CAD、CAE、RP、Casting趨勢圖 86
圖4.1.49 案例一A區域CAD、CAE、RP、Casting局部放大趨勢圖 87
圖4.1.50 案例一B區域CAD、CAE、RP、Casting局部放大趨勢圖 87
圖4.2.1 鑄件網格 89
圖4.2.2 鑄件網格細部 89
圖4.2.3 殼模網格 90
圖4.2.4 澆鑄分析圖1 90
圖4.2.5 澆鑄分析圖2 91
圖4.2.6 凝固分析圖1 91
圖4.2.7 凝固分析圖2 92
圖4.2.8 凝固分析圖3 92
圖4.2.9 分析輸出檔案與原始CAD比對圖 93
圖4.2.10 臘模射出圖 94
圖4.2.11 蠟件成品圖 94
圖4.2.12 Breuckmann光柵實際量測蠟件狀態 95
圖4.2.13 掃描鑄件系統擷取工件多筆影像資料 96
圖4.2.14 在鑄件量測資料在2個分片選取3個特徵疊合 96
圖4.2.15 蠟件疊合 97
圖4.2.16 蠟件點群 97
圖4.2.17 CAD與蠟件比對整體偏差報告 98
圖4.2.18 CAD與蠟件比對的各個視角 99
圖4.2.19 CAD與蠟件比對公差百分比,分布圖 100
圖4.2.20 CAD與蠟件A~F斷面比對位置 101
圖4.2.21 CAD與蠟件A~F斷面詳細比對圖 101
圖4.2.22 案例2澆鑄完成後之金屬原型 102
圖4.2.23 掃描鑄件系統擷取工件多筆影像資料 102
圖4.2.24 在鑄件量測資料在2個分片選取3個特徵疊合 103
圖4.2.25 鑄件疊合 103
圖4.2.26 鑄件疊合後點群 104
圖4.2.27 CAE與鑄件比對整體偏差報告 105
圖4.2.28 CAE與鑄件比對的各個視角 106
圖4.2.29 CAE與鑄件比對公差百分比,分布圖 107
圖4.2.30 CAE與鑄件A~F斷面比對位置 108
圖4.2.31 CAE與鑄件A~F斷面詳細比對圖 108
圖4.2.32 案例二CAD、CAE、蠟、Casting比對斷面位置 110
圖4.2.33 案例二CAD、CAE、蠟、Casting趨勢圖 110
圖4.2.34 案例二CAD、CAE、蠟、Casting局部放大趨勢圖一 111
圖4.2.35 案例二CAD、CAE、蠟、Casting局部放大趨勢圖二 111
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[11] 精實盟科技有限公司網站,http://www.jingsh-meng.com.tw/。
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[20] 機械工程手冊/電機工程手冊編輯委員會,〝機械工程手冊3 金屬材料〞,五南圖書出版股份有限公司。
[21] 張士林,任颂贊,〝簡明鋁合金手冊〞,上海科技文獻出版社。
[22] 陳文照,曾春風,游信和,〝材料科學與工程導論〞,高立圖書有限公司。
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