臺灣博碩士論文加值系統

透過CNC加工之金屬模具製造，可提供高精準度及可靠性，但同時模具製造成本較高、製程費時及小量生產的不划算，因此透過3D列印模具可縮短產品開發週期、降低成本、小批量生產及生產形狀較複雜之模具。
本研究利用熔融沉積成型(FDM)，以不同列印方向與不同表面後處理針對3D列印模具以製備聚胺脂發泡體之物性影響。其次探討3D列印導入鞋子製程中以模具後處理、中底製作、鞋墊足弓支撐片及中底結構體之特性與應用。由實驗結果證實，在列印方向不同時，抗張強度為B方向(垂直)>A方向(平行)，且延伸率為A方向(平行)>B方向(垂直)；使用環氧樹脂改善平均表面粗糙度可從19.79微米減少至0.79微米，達96%之改善；利用3D列印模具製備發泡體需注意模具溫度及發泡耐磨耗性。此外透過3D列印製成模具可縮短製程時間也將成本降低；3D列印中底可增加3D圖檔的精確性以增加研究速度、降低失敗率及成本；3D列印足弓片，彎曲強度與彎曲模數強度大小皆依序為平行>斜向>垂直，加上平行列印之變化量優異於垂直列印及斜向列印且變化量為Nylon6<PLA；透過循環壓縮中得知3D列印結構體之吸收能量值不僅能達47%且回彈又大於5%的PU慢回彈來到25%，表示此材料在此結構下能吸收能量也能提供反彈能量。

Computer numerical control is a highly precise and reliable method for fabricating metal molds. However, this method requires high costs, extensive production time, and small-batch production; hence, it is not cost-effective. By contrast, three-dimensional (3D) printing can be employed to reduce product development cycles and related costs, increase product yields, and create molds with complex shapes.
This study used fused deposition modeling (FDM) to explore the effect of printing direction and surface post processing on the physical property of polyurethane foam products created using 3D printing molds. In addition, this study explored the application of 3D printing to shoe manufacturing and investigated the characteristics of mold post processing and its application to producing midsoles, arch supports, and midsole structures. The results revealed that regarding different printing directions, direction B (vertical) enabled a greater tensile strength than direction A (horizontal), whereas direction A (horizontal) enabled a greater elongation rate than direction B (vertical). Polyurethane foam was used to reduce the surface roughness from 19.79 Micrometer to 0.79 Micrometer, yielding an improvement rate of 96%. Using 3D printing to create foam products must pay attention to the mold temperature and foam wear resistance. 3D printing molds reduced the production time as well as the production cost. During midsole production by 3D printing, the resolution of the 3D image can be improved to increase the research speed and reduce the failure rate and production cost. When using 3D printing to produce arch supports, horizontal printing resulted in the highest bending strength and flexural modulus, followed by diagonal printing and then vertical printing. Moreover, horizontal printing exhibited fewer deviations than diagonal printing and vertical printing, and Nylon6 exhibited fewer deviations than polylactic acid. Cyclic compression was employed to determine that a 3D printed structure exhibited an energy absorption rate of 47% as well as a rebound of 25%, which was 5% higher than that of polyurethane. This study indicated that the structure created using the proposed material can both adsorb and rebound energy.

中文摘要 I
Abstract III
致謝 V
目錄 VI
表目錄 XII
圖目錄 XIV
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2-1 3D列印技術簡介及發展 3
2-1-1 3D列印的特點及優勢 5
2-1-2 3D列印成型技術與分類[6] 6
2-1-3 3D列印成型材料 7
2-2改善FDM快速原型件之表面粗糙度研究 10
2-2-1 熱刀加工以降低熔融沉積成型之表面粗糙度[7] 11
2-2-2 環氧樹酯以填補熔融沉積成型以改善表面粗糙度[8] 13
2-2-3 提升熔融沉積成型表面熔融溫度以控制表面粗糙度[9] 15
2-2-4 熔融沉積成型化學氣體處理分析減少表面粗糙度[10] 17
2-2-5 熔融沉積成型化學液體處理分析減少表面粗糙度[11] 19
2-2-6改變列印層疊方向減少熔融沉積成型的後期加工[12] 21
2-3製鞋及鞋用材料介紹 23
2-3-1製鞋流程 24
2-3-2模型技術與快速模具整合製造 27
2-3-3大底與中底(Outsole and Midsole) 28
2-3-4鞋墊 (Insole) 29
2-3-5鞋面 (Upper) 32
2-3-6鞋楦 (Last) 33
2-4鞋用材料中底及大底設計及材料評估 35
2-4-1鞋材衝擊速率應用範圍 35
2-4-2衝擊吸收之測試 36
2-4-3摩擦係數與抗滑標準 39
2-4-4摩擦係數測量器 43
2-4-5耐磨耗性測試 45
2-4-6硬度試驗法 47
2-4-7耐水解性之測定 49
第三章 實驗內容與方法 52
3-1 實驗材料與其結構 52
3.1-1 3D列印線材 52
3.1-2 實驗材料 52
3.1-3 材料化學結構式 54
3-2 實驗設備與儀器 56
3-3 實驗流程 58
3-4 試樣之製備 59
3-4-1 不同線材之FDM試樣製備 59
3-4-2 後處理之製備 60
3-4-3 FDM模具繪製 61
3-4-4 聚胺脂發泡體製備 62
3-4-5 鞋墊製作及流程 63
3-4-6 中底製作及流程 64
3-4-7 鞋子製作及流程 67
3-4-8 鞋墊足弓支撐片製備 68
3-4-9 中底彈性結構體製備 73
3-4-10足底壓力測試之鞋墊製備 75
3-5 實驗方法 76
3-5-1 共軛焦顯微鏡 76
3-5-2 硬度測試 77
3-5-3 發泡體密度量測 77
3-5-4 拉伸測試 77
3-5-5 DIN磨耗試驗 79
3-5-6 壓縮永久變形之測試 79
3-5-7 反彈性測試 80
3-5-8 手提式肘節止滑測試 80
3-5-9 能量吸收測試 81
3-5-10 壓縮循環測試 81
3-5-11 彎曲測試 82
3-5-12 耐重測試 82
3-5-13 足底壓力測試 83
第四章 結果與討論 84
4-1改善熔融沉積成型(FDM)之表面粗糙度對物性影響 84
4-1-1 未處理試片拉伸測試 85
4-1-2 FDM經後處理之表面粗糙度 87
4-1-3 FDM在不同線材、方向經後處理之物性影響 89
4-2 不同模具經後處理方式之物性探討 94
4-2-1不同配方之DIN磨耗測試 94
4-2-2 不同模具製備聚胺脂發泡體 95
4-3 鞋墊及中底設計之鞋子製作 97
4-3-1鞋墊設計 97
4-3-2中底設計 98
4-3-3鞋子製作 100
4-4 3D列印應用於製鞋及其特性 102
4-4-1模具後處理應用 102
4-4-2中底應用 107
4-4-3鞋墊足弓片應用 110
4-4-4中底彈性結構應用 121
第五章 結論 126
第六章 參考文獻 128

[1]韓霞，“快速成型技術與應用ˮ，機械工業出版社，2012
[2]朱專捷，“3D列印成形材料ABS與ABS/TiO2之機械性質分析ˮ，機械與電腦輔助工程系碩士論文，聖約翰科技大學，2015
[3]潘天佑，“3D噴印快速原型系統之研製ˮ，機械工程系碩士論文，國立臺灣科技大學，2004
[4]莫健華，“液態樹酯光固化3d打印技術ˮ，西安電子科技出版社，2016
[5]莫健華，“快速成形及快速製模ˮ，電子工業出版社，2006
[6]陳士凱，程晨，杜洋，王正，“3D列印大未來ˮ，碁峰出版社，2014
[7]P.M.Pandey, N.V.Reddy, S.G.Dhande，“Improvement of surface finish by staircase machining in fused deposition modelingˮ，Journal of materials processing technology，vol.132，pp.323-331，2003
[8]C.C.Kuo, S.J.Su，“A simple method for improving surface quality of rapid prototype ˮ，Indian Journal of Engineering and Materials Science，vol.20，pp.465-470，2013
[9]P.Liew, S.Ainusyafiqah, A.Jeefferie, K.Tasnim, M.Malaysia，“Effect of carbon nanofiber nanofluids as coolant on surface roughness and tool wear in turning of D2 steel ˮ，vol.1，pp.145-146，2017
[10]Y.Jin, Y.Wan, B.Zhang, Z.Liu，“Modeling of the chemical finishing process for polylactic acid parts in fused deposition modeling and investigation of its tensile properties ˮ，Journal of Materials Processing Technology，vol.240，pp.233-239，2017
[11]L.Galantucci, F.Lavecchia, G.Percoco，“Quantitative analysis of a chemical treatment to reduce roughness of parts fabricated using fused deposition modeling ˮ，CIRP annals，vol.59，pp.247-250，2010
[12]D.Ahn, H.Kim, S.Lee，“Fabrication direction optimization to minimize post-machining in layered manufacturing ˮ，International Journal of Machine Tools and Manufacture，vol.47，pp.593-606，2007
[13]楊惠茹，“3D Texture 鞋材生產製程之快速替換式模具探討ˮ，工業設計學系碩士論文，東海大學，2018
[14]曾昱仁，“鞋模生產系統之分析與模擬ˮ，工業工程研究系碩士論文，大葉大學，2000
[15]蔡富元，“花生麵筋罐頭工廠生產管理之電腦模擬ˮ，食品科學系碩士論文，東海大學，1994
[16]郭啟全，蘇聖傑，“精密低壓射蠟模具快速製造技術之開發ˮ，建國科大理工期刊，vol. 32，pp.21-49，2013
[17]李豪政，“活塞式鞋墊對減低足部壓力之效益研究ˮ，醫學工程系碩士論文，國立陽明大學，2000
[18]黃詠，“鞋氣墊吸震試驗之有限元素分析ˮ，機械工程系碩士論文，國立交通大學，2008
[19]蕭愛麗，“供應鏈管理下鞋業塑膠供應商評選之研究ˮ，全球運籌管理研究所碩士論文，國立雲林科技大學，2011
[20]M.A.Brahms，“Foot Orthoses: Principles and Clinical Applications ˮ，JBJS，vol.72，p.1277，1990
[21]許馨文，“以三維足型資料建置客製化鞋楦ˮ，工業工程系碩士論文，國立清華大學，2012
[22]N.Kalebota, L.Szirovicza, L.Tucaković-Mujagić, M.Drenovac，“The structure of body measurements for the determination of shoe sizing for young Croatian men ˮ，Collegium antropologicum，vol.27，pp.635-643，2003
[23]W.A.Rossi，“The futile search for the perfect shoe fitˮ，Journal of Testing and Evaluation，vol.16，pp.393-403，1988
[24]梁日蕾，邱宏達，“不同步態在足跟著地時下肢運動學與撞擊能量之關係ˮ，華人運動生物力學期刊，vol.5，pp.008-014，2011
[25]游愷迪，“發泡材料在變速率衝擊下材料壓縮性質分析與緩衝效應評估ˮ，機械工程系碩士論文，國立中正大學，2013
[26]相子元，邱宏達，楊文賓，“鞋類功能測試儀器之比較ˮ，鞋技通訊，1998.
[27]黃長福，“不同高度著地動作的生物力(學)分析ˮ，漢文書局，1997
[28]B.M.Nigg，“Biomechanics, load analysis and sports injuries in the lower extremities ˮ，Sports medicine，vol.2，pp.367-379，1985
[29]財團法人鞋類暨運動休閒科技研發中心檢驗組，“鞋品與材料衝擊吸收性能之評估-SATRA TM 142 ˮ，0036期，2015
[30]曾得霖，“不同鞋材、鞋紋與地面狀況下摩擦係數之變異分析ˮ，工業工程與系統管理系碩士論文，中華大學，2010
[31]何定梁，“物理-力學ˮ，徐氏基金會出版，1992
[32]陳健，“靜力學ˮ，三民書局，1979
[33]D.B.Chaffin, G.Andersson, B.J.Martin，“Occupational biomechanics ˮ， Wiley New York，vol.12，1991
[34]J.M.Miller，“Slippery work surfaces: Towards a performance definition and quantitative coefficient of friction criteria ˮ，Journal of Safety Research，vol.14，pp.145-158，1983
[35]E.E.Swensen, J.L.Purswell, R.E.Schlegel, R.L.Stanevich，“Coefficient of friction and subjective assessment of slippery work surfaces ˮ，Human factors，vol.34，pp.67-77，1992
[36]李開偉，“實用人因工程學(修訂版) ˮ，全華科技圖書股份有限公司，2003
[37]W.R.Chang，“The effects of slip criterion and time on friction measurements ˮ，Safety Science，vol.40，pp.593-611，2002
[38]L.STRANDBERG，“The effect of conditions underfoot on falling and overexertion accidents ˮ，Ergonomics，vol.28，pp.131-147，1985
[39]R.Grönqvist, W.R.Chang, M.Hirvonen, E.Rajamäki, A.Tohv，“Validity and reliability of transitional floor friction tests: the effect of normal load and sliding velocity ˮ，in Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting，pp.502-505，2000
[40]W.-R.Chang, S.Matz，“The slip resistance of common footwear materials measured with two slipmeters ˮ，Applied ergonomics，vol.32，pp.549-558，2001
[41]財團法人鞋類暨運動休閒科技研發中心檢驗組，“橡膠耐磨耗試驗ˮ，0052期，2017
[42]財團法人鞋類暨運動休閒科技研發中心檢驗組，“橡膠硬度試驗法ˮ，0049期，2016
[43]蘇榮基，施文昌，洪彰鴻，“淺談PU材料與其在運動器材的應用ˮ，屏東教大體育第 17 期，2014
[44]財團法人鞋類暨運動休閒科技研發中心檢驗組，“ISO 鞋材耐水解性之測定簡介ˮ， 0037期，2015