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研究生: 蕭有志
Yu-Chih Hsiao
論文名稱: 應用於光聚合材料擠製成型之紫外線LED環形光源模組開發
The Development of UV LED Annulus Light Source Module for the Application of Photopolymer Material Extrusion Fabrication
指導教授: 蔡明忠
Ming-Jong Tsai
口試委員: 汪家昌
Jia-Chang Wang
鄭正元
Jeng-Ywan Jeng
柯正浩
Cheng-Hao Ko
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2021
畢業學年度: 109
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: UV LED光學模擬TracePro積層製造氣壓擠出系統光固化
外文關鍵詞: UV LED, Optical simulation TracePro, Additive manufacturing, Pneumatic extrusion system, Vat photopolymerization
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  • 本研究設計一款UV LED環形光源模組並應用於多噴頭氣壓擠出積層製造系統。透過環形光源模組以全方位UV光照射使材料擠出後可隨機台任一方向移動而固化,以提升系統列印效率與精度。本光源模組主要使用多顆UV LED環形排列,並加入遮罩設計避免發生針頭其出料口堵料,而實際建立燈具前透過光學軟體TracePro進行模擬得到光源均勻性最佳化參數(傾斜角度、間距、遮罩寬度及高度距離等),再使用3D建模軟體Tinkercad建立UV LED環形光源模組之燈座,最後以同軸方式整合於針頭模組上並隨其移動。
    本系統使用PC讓使用者可透過人機介面整合CNC控制器與周邊I/O模組並控制,採用龍門式機構進行三軸運動控制,並於此機構上配置多噴頭模組與氣壓控制元件,再使用DA控制器彈性調整氣壓值進而控制材料擠出速率。系統軟體則以數值控制指令結合PLC規劃設計,並使用切層軟體Simplify 3D與CNC控制器結合,便於使用者可依需求載入3D圖檔並設定列印參數,透過Python處理切層資料與多噴頭路徑規劃設計程式,最後匯出此路徑檔案即可進行多材質列印。
    於本系統加入UV LED環形光源模組後,進行線條與立體物件列印實驗,其所得結果將與原系統使用之制式光源所得結果進行比較分析,並利用此光源模組改善材料擴散以影響其逐層堆疊之問題,印製具多材質(軟材CT4與SUP/PPG27)之物體,透過上述實驗結果以驗證此光源模組可順利使材料進行堆疊並提升系統列印效率約33%與列印精度約50%。


    In this study, an UV LED annulus light module is designed for multi-nozzle pneumatic extrusion based additive manufacturing system. The module is irradiated with UV light so that the material can be cured by moving in any direction after extrusion off the needle to improve the printing efficiency and accuracy. It composed of a mask and multiple UV LEDs which are arranged in annulus form to prevent from the blocked needle. The optical simulation software TracePro is also used for obtaining the uniformity optimization parameters which include tilt angle, spacing, mask width and height distance and so on. Then, creating the lamp holder of the light source module through 3D modeling software and integrated with the needle module and its nozzle in a coaxial manner for motion control.
    This system architecture composed of PC and human machine interface which are integrated with CNC controller and peripheral I/O for three-axis motion control. In addition, multi-nozzle modules and air pressure control components are also used for controlling the flexibly of air pressure with DA controller. The system software using numerical control commands integrates with PLC command planning, and combined with the slicing software for users to set different parameters by loading different 3D model, then generating the post processing G-Code data through Python for multi-material printing.
    With the development of UV LED annulus light module for the system, the streak and 3D object printing experiments are designed for the result analysis and make a comparison with former fixed light source module to solve the material diffusion problem. Printing objects with multiple materials (soft material CT4 and SUP/PPG27) for system are verified. The experimental results indicate that the annulus light module can improve the printing efficiency up to 33% and the printing accuracy up to 50% of the system.

    致謝 I 摘要 II ABSTRACT III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 3 1.3 研究方法 5 1.4 本文架構 6 第二章 相關技術與文獻探討 7 2.1 UV固化技術 7 2.2 積層製造技術發展 9 2.2.1 光聚合固化技術(Vat Photopolymerization) 10 2.2.2 材料擠製成型技術(Material Extrusion) 11 2.2.3 光聚合材料擠製之研究 12 第三章 UV LED環形光源模組設計與模擬 13 3.1 UV LED光學量測 13 3.1.1 輻射度學計量單位 13 3.1.2 高功率UV LED介紹 16 3.1.3 UV LED量測分析 18 3.2 UV LED環形光源參數設計 21 3.3 光學特性模擬技術 27 3.3.1 UV LED環形光源模擬 28 3.3.2 UV LED環形光源模擬結果與分析 31 3.4 UV LED環形光源燈具設計 45 3.4.1 環形光源模組與遮罩 45 3.4.2 UV LED環形光源驅動 49 第四章 多噴頭氣壓擠製積層製造系統 50 4.1 系統架構 50 4.2 系統硬體介紹 54 4.2.1 CNC控制器 54 4.2.2 FC SLSR激光控制模組 55 4.2.3 氣壓控制元件 56 4.2.4 多噴頭模組 57 4.2.5 制式光源與UV LED環形光源模組 59 4.3 軟體環境介紹 61 4.3.1 多噴頭工作座標系設定 61 4.3.2 e-HMI系統人機介面設計 62 4.3.3 Macro應用指令 62 4.3.4 系統PLC指令 64 4.4 Poiseuille’s Law氣壓擠出實驗理論分析 65 第五章 實驗結果與討論 67 5.1 線條列印 68 5.2 單層列印 72 5.3 立體物件列印 73 5.3.1 單材質列印 73 5.3.2 雙材質列印 74 第六章 結論與未來研究方向 76 6.1 結論 76 6.2 未來研究方向 77 參考文獻 78

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