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研究生: 張富騰
Fu-Teng Chang
論文名稱: 智慧型手機式3D列印系統開發之研究
Smart phone type research and development of 3D printing systems
指導教授: 鄭正元
Jeng-Ywam Jeng
口試委員: 蘇威年
Wei-Nien Su
江卓培
Cho-Pei Jiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 93
中文關鍵詞: 3D列印智慧型手機動態光罩
外文關鍵詞: 3D printing, smart phone, dynamic mask
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  • 由於目前世界各國於3D列印系統之研究與發展都還在發展當中,其中包含了FDM(熔融沉積成型) 、SLA(光固化成型) 、3DP(三維粉末黏接)、SLS(選擇性雷射燒結) 等等,大多數的光固化成型系統以紫外光搭配樹脂固化堆疊成型,本研究利用智慧型手機配合高敏感度可見光樹脂以及成型圖案之控制,藉由升降平台將光固化樹脂固化後材料拉拔起達到3D列印。
    藉由此概念研究高敏感度可見光之調配方法,並且已經能使用智慧型手機完成3D列印本系統概念為全世界所首創,具有世界級之競爭力,並有可能顛覆整個低價3D列印系統之產品。
    早期利用下照式光源搭配LCD液晶顯示器光罩做3D堆疊,但因早期LCD液晶顯示器解析度太低所以後來發展利用DMD投影式堆疊方法,因此解析度提升許多。隨著科技之進步,液晶顯示器發展到現在的智慧型手機螢幕,解析度可以到達15um(sub pixel),相對於投影方法,LCD不但解析度高且不像投影方法局限於小面積,投影方法做大面積時解析度變差,反而LCD從智慧型手機螢幕到現在的4K、2K電視,做大面積大面積仍然能維持固定,這便是本研究主題之一。
    由於目前智慧型手機的普及,國內外大廠如:htc、華碩、蘋果、三星、LG及Sony等,藉由這些手機廠商有機會推動手機式3D列印系統,搭配手機裡內建程式如投影片、APP程式等可變換圖形之方法來達到動態光罩,再藉由動態光罩達成切層圖片的變換需求,如此當切層圖片變換時搭配液態光固化樹脂與螺桿拉拔逐漸堆疊出立體工件。


    Since the resesrch and development of 3D printing grows up worldwide, which includes fused deposition modeling(FDM), stereolithography appartus(SLA), 3 dimensional printing and selective laser sintering and so on. Most of SLA process uses ultra violet(UV) light and resin to cure by layer to layer. This research uses high sensitivity to visible light resin and controlling of pattern by smart phone as a 3D printing system, it lifts the platform when one layer curing. We also deploy the resin with high sensitivity to visible light, it can be use for this system successfully. The system is first invention in the world, it has high competitiveness and might change the 3D printing market with lower price.
    Using the light sources with the liquid crystal display masks do 3D printing before, But resolution of the liquid crystal display is too low so later developed utilizing DMD projection 3D printing, therefore the resolution better than liquid crystal display 3D printing.As technology advances, the smart phone screen solution is better than before, resolution can reach 15um (sub pixel), with respect to the projection, liquid crystal display high resolution and not only confined to a small area of the projection method, projection method to do resolution deteriorate a large area, but the liquid crystal display from smart phones and now 4K, 2K TV, bigger area is still able to maintain a large area fixed, this is one of the research topic.
    The popularity of smart phones, domestic and foreign manufacturers such as: htc, Asus, Apple, Samsung, LG and Sony, etc. With these mobile phone manufacturers have the opportunity to promote mobile phone-style 3D printing system, with built-in programs such as the phone slides、APP program to achieve dynamic mask. With the dynamic mask to display the slicing file.Therefore the resin is cured by the mask ,layer by layer to do 3D printing.

    論文摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究背景及目的 2 1.3論文架構 3 第二章 文獻探討 4 2.1 積層製造 4 2.1.1 積層製造原理 4 2.1.2 積層製造種類 5 2.1.3 積層製造比較 13 2.2動態光罩技術發展 13 2.2.1動態光罩生產器 14 2.3 LCD液晶顯示器發展與技術 15 2.3.1 LCD液晶顯示器之種類 17 2.3.2 LCD液晶顯示器的顯像原理 18 2.3.3 LCD液晶顯示器3D列印系統 21 2.4光固化樹脂反應機制 23 2.5 Arduino軟硬體控制探討 31 第三章 系統原理及實施方法 35 3.1 DLP及智慧型手機式3D列印系統比較 35 3.2實施方法 37 3.2.2光罩成像 39 3.2.3成型模組(成型平台及成型樹脂槽) 41 3.2.4樹脂槽設計 41 3.2.5鐵氟龍薄膜 42 3.3智慧型手機式3D列印系統流程 45 3.3.1智慧型手機式3D列印系統實驗方法 46 第四章 光譜分析及材料實驗 50 4.1分析量測流程 51 4.2各廠牌智慧型手機光源於各光譜波段所得之功率(Power meter) 52 4.2.1智慧型手機LED背光光譜圖(Newport操作) 53 4.3可見光樹脂配方 54 4.4 UV Visable Absorbtion spectra meter 56 4.4.2 光引發劑 64 4.4.3差示掃描光照射量熱法 67 第五章 3D列印 73 5.1實際機台架設 73 5.2 3D列印 74 5.2.1實驗一:渦輪葉片 74 5.2.2 實驗二:渦輪葉片 75 5.2.2 實驗三:渦輪狀杯口 光罩:Samsung S3 76 5.2.3 實驗四:空孔球 光罩:Samsung S3 78 5.2.3 實驗五:台北101 光罩:htc new one 80 5.3其他 83 5.4智慧型手機式3D列印系統與商用機種比較 85 第六章 總結與未來展望 88 6.1總結 89 6.2未來展望 90 參考文獻 91   表 目 錄 表2.1 積層製造比較 13 表2.2 Arduino規格 31 表2.3 Arduino硬體功能 32 表3.1樹脂槽比較表 42 表4.1智慧型手機光源功率 52 表4.2可見光樹脂成分比例 55 表4.3調整不同比例之光起始劑含量 60 表4.4光引發劑參數A 64 表4.5光引發劑參數B 65 表4.6光引發劑參數C 65 表4.7光引發劑參數D 66 表4.8光引發劑參數E 66 表4.9光引發劑參數F 67 表4.10 DSC差示掃描光量熱法分析儀之應用 68 表4.11固化效果比較(使用 htc New one 作為光源) 71 表4.12固化效果比較表二 (使用 htc New one 作為光源) 71 表5.1 智慧型手機式之3D列印系統與Miicraft比較表 87   圖 目 錄 圖2.1 積層製造成型流程 5 圖2.2 FDM成型方式 6 圖2.3 SLA成型方式 7 圖2.4 SLS成型方式 8 圖2.5 Material Jetting成型方式 9 圖2.6 LOM成型方式 10 圖2.7 LENS成型方式 11 圖2.8 Binder Jetting成型方式 12 圖2.9 DMD動態光罩 15 圖2.10 LCD動態光罩 15 圖2.11 液晶之光電效應 17 圖2.12 液晶顯示技術之結構 19 圖2.13 去除背光之液晶顯示器(正面) 21 圖2.14 去除背光之液晶顯示器(背面) 21 圖2.15 LCD光罩之3D列印系統 22 圖2.16 LCD光罩之3D列印系統(電路部分) 22 圖2.17 LCD光罩之成型平台與樹脂槽 22 圖2.18 LCD光罩成像 22 圖2.19 LCD光罩成像列印比較圖A 23 圖2.20 LCD光罩成像列印比較圖B 23 圖2.21光聚合反應之起始階段 24 圖2.22光聚合反應之成長階段 25 圖2.23光聚合反應之終止反應一 26 圖2.24光聚合反應之終止反應二 26 圖2.25光聚合反應之終止反應三 27 圖2.26自由基聚合作用的三個階段:起始階段、成長階段及終止階段。 28 圖2.27光聚合反應示意圖a 29 圖2.28光聚合反應示意圖b 29 圖2.29光聚合反應示意圖c 30 圖2.30光聚合反應示意圖d 30 圖2.31 Arduino控制板 31 圖2.32 Arduino軟體開發環境 33 圖3.1 DLP投影方法 36 圖3.2 渦輪葉片Solidworks 3D CAD file 37 圖3.3 Miicraft 切層軟體Read STL介面 38 圖3.4 Miicraft 切層軟體切層設定介面 38 圖3.5 轉換後的2D CAD file 39 圖3.6 Windows ACDsee快速檢視開啟的切層圖片 40 圖3.7手機利用iDisplay軟體達到電腦螢幕與手機螢幕同步化 40 圖3.8 Miicraft樹脂槽 41 圖3.9自製金屬樹脂槽 41 圖3.10 ASIGA 樹脂槽 41 圖3.11自製木質樹脂槽 42 圖3.12木質樹脂槽固定方法 42 圖3.13鐵氟龍分子式 43 圖3.14 Arduino 軟體介面 44 圖3.15智慧型手機式之3D列印系統流程圖 45 圖3.16智慧型手機式之3D列印系統立體圖A 47 圖3.17智慧型手機式之3D列印系統立體圖B 47 圖3.18智慧型手機式之3D列印系統立體圖C 48 圖3.19智慧型手機式之3D列印系統立體圖D 48 圖3.20智慧型手機式之3D列印系統平面圖 49 圖4.1美國Spectra公司提供之可見光範圍光譜圖 50 圖4.2材料分析量測流程圖 51 圖4.3智慧型手機背光LED 53 圖4.4 Newport光譜量測儀 53 圖4.5智慧型手機背光光譜 53 圖4.6光起始劑CQ光譜 54 圖4.7 H-Nu 470光起始劑光譜圖 56 圖4.8 H-Nu 535光起始劑光譜圖 57 圖4.9 H-Nu 635光起始劑光譜圖 57 圖4.10 H-Nu470+H-Nu535光起始劑光譜圖 58 圖4.11 H-Nu470+H-Nu635光起始劑光譜圖 58 圖4.12 H-Nu535+H-Nu635光起始劑光譜圖 58 圖4.13 DBC Resin (沒有添加Spectra H-Nu系列光起始劑) 59 圖4.14 DBC Resin+3PI (添加三種Spectra H-Nu系列光起始劑) 59 圖4.15比較DBC 樹脂 與 DBC 樹脂+三種光起始劑 60 圖4.16 PDSC實驗一 61 圖4.17 PDSC實驗二 61 圖4.18 PDSC實驗三 62 圖4.19 PDSC實驗四 62 圖4.20 PDSC實驗五 62 圖4.21 PDSC實驗六 63 圖4.22 PDSC實驗七 63 圖4.23 PDSC實驗八 63 圖4.24 PDSC實驗九 64 圖4.25 PDSC中使用之光源組件(光纖) 69 圖4.26 PDSC測試可見光樹脂的樣本皿 69 圖4.27 PDSC光源組件石英玻璃 70 圖4.28 PDSC光源組件石英玻璃吸盤 70 圖4.29光起始劑加上光引發劑調配之各參數於PDSC之光譜圖 71 圖5.1智慧型手機式之3D列印系統實體圖 73 圖5.2渦輪葉片之3D列印3D CAD 74 圖5.3渦輪葉片之實際3D列印圖a 74 圖5.4渦輪葉片之實際3D列印圖b 74 圖5.5渦輪葉片之實際3D列印圖c 75 圖5.6渦輪葉片之實際3D列印圖d 75 圖5.7渦輪葉片之實際3D列印圖e 75 圖5.8渦輪葉片之實際3D列印圖f 75 圖5.9渦輪葉片之實際3D列印圖g 76 圖5.10渦輪狀杯口之實際3D列印3D CAD 76 圖5.11渦輪狀杯口之實際3D列印圖a 77 圖5.12渦輪狀杯口之實際3D列印圖b 77 圖5.13渦輪狀杯口之實際3D列印圖c 78 圖5.14空孔球之實際3D列印3D CAD 78 圖5.15空孔球之實際3D列印圖a 79 圖5.16空孔球之實際3D列印圖b 79 圖5.17空孔球之實際3D列印圖c 80 圖5.18空孔球之實際3D列印圖d 80 圖5.19台北101之實際3D列印3D CAD 80 圖5.20台北101之實際3D列印圖a 81 圖5.21台北101之實際3D列印圖b 81 圖5.22台北101之實際3D列印圖c 82 圖5.23台北101之實際3D列印圖d 82 圖5.24大小渦輪葉片 83 圖5.25渦輪狀星口杯 83 圖5.26渦輪狀星口杯與小渦輪葉片 83 圖5.27未額外加3種光起始劑之渦輪葉片 84 圖5.28各種渦輪狀結構 84 圖5.29與商用機種比較圖a 85 圖5.30與商用機種比較圖b 85 圖5.31與商用機種比較圖c 86 圖5.32與商用機種比較圖d 86

    1.鄭正元,”3D列印技術應用與發展趨勢”,2013。
    2.鄭正元、郭啟全,”快速成型原理與應用”,”高立圖書有限公司”,中華民國九十三年。
    3.何怡青、白勝方、楊淑芬、李士元,”樹脂類材料的聚合及其評估”,2010。
    4.卓聖鵬,”彩色液晶LCD顯示器”,”全華科技圖書股份有限公司”,中華民國九十一年。
    5.廖運炫,”3D列印技術 ”,台大校友雙月刊2013。
    6.莊精婷,”照射工作週期與強度對光固化複合樹脂之影響”,中原大學醫學工程學系 碩士學位論文 中華民國九十五年七月。
    7.吳威建,”微米級3D列印系統研究與開發”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國一零三年七月。
    8.黃文秀,”3D列印曝光系統於大面積微結構之研發與應用”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國一零三年十一月。
    9.黃育嘉,”動態光罩式三維微影系統之研發”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國九十三年六月。
    10.沈昌和,”動態光罩技術研發與其於微小3D元件之製作”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國九十二年六月。
    11.李孟龍,”動態光罩快速原型系統製造組織工程支架之研發”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國九十四年七月。
    12.葉怡昌,”使用線掃描可見光之新式快速光罩樹脂硬化系統研發”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國八十八年六月。
    13.蘇聖財,”新式快速模具製成之研發”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國九十年五月。
    14.侯佳延,”PCL結合PEG-diacrylaye透過反射式動態光罩成型系統製作3D組織工程支架”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國一百零一年七月。
    15.鄭子威,”運用動態光罩技術製作微透鏡陣列及電鑄模具之研究”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國九十三年六月。
    16.郭啟全,”快速原型與快速模具技術發展”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國八十六年六月。
    17.翁宇生,”下照式半導體雷射快速原型機之光硬化樹脂成型研究”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國八十八年六月。
    18.陳茂揚,”光固化快速成型系統製作3D組織工程支架”,國立台灣科技大學機械工程系 碩士學位論文 中華民國九十七年六月。
    19. http://www.sglinc.com/Home/LimitedHomepage/Photoinitiators.aspx 美國spectrum公司(光起始劑相關資訊)。
    20. https://www.youtube.com/watch?v=MS1t3tHsx9k 國外LCD 3D列印系統相關影片。
    21. http://www.taifer.com.tw/taifer/tf/044006/34.htm LCD液晶顯示器基本構造。
    22. https://www.arduino.cc/ Arduino軟體控制。
    23. http://www.getidisplay.com/ idisplay 雙螢幕控制APP。
    24. http://www.thingiverse.com/ Open source 3D CAD Model。
    25. http://www.rat.com.tw/solution-id-9.html 馬路科技3D列印。
    26. http://www.miicraft.com/product/ Miicraft 光固化3D列印。
    27.http://www.3dprinting.com.tw/2014/index.asp?gclid=CLHkncijzcYCFVWSvQodD9oK8g 工業級3D列印(普立得科技)。
    28. https://www.youtube.com/watch?v=-O7pgzh7JG8 台科大工學院院長鄭正元教授談3D列印。

    29. https://www.youtube.com/watch?v=UgIAlcqftiY 3D列印與大量客製化技術。
    30. https://www.youtube.com/watch?v=EKwaTnN4DcI 第三次工業革命
    31.The 38th International Matador Conference on Advanced Manufacturing(2015)。
    32. http://www.taifer.com.tw/taifer/tf/044006/34.htm認識液晶顯示器(合肥月刊產業報導)
    33. http://cdnet.stpi.org.tw/techroom/analysis/pat_A042.htm 科技產業資訊室
    34. http://www.me.vt.edu/dreams/material-jetting/ material jetting
    35. https://en.wikipedia.org/wiki/Stereolithography Stereolithography
    36. http://www.custompartnet.com/wu/laminated-object-manufacturing LOM製程
    37.http://www.plasticslasermarking.com/laser_marking_harsh_environments.htm LENS製程
    38.https://www.additively.com/en/learn-about/binder-jetting
    binder-jetting製程
    39. http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling FDM

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