提高喷涂式3D打印制造方法精度之技术

Aerotech之A3200运动控制系统提供实时座标转换功能与位置同步输出(PSO) 功能，大幅降低开发时间，提高喷涂一致性。

目前在喷涂打印应用中，如何同步材料流率与定位并不容易，使用精密运动控制器，搭配实时动态坐标转换，与位置同步输出可降低开发时间，提高制程精度。

喷涂有机与无机材料在不同材质上逐渐成为工业界重要课题，从表面批覆(conformal coating)，印刷电路制作，到实际上进行生物材料印刷，与积层制造均属于此范畴。

随着科技的演进，许多终端产品将会对于其产业进行一连串革命，举例而言，积层制造可让工程师轻易制造出独特形状结构，相对于传统减法加工而言有更高的刚性与更轻量化的特性。这种特性于航太产业更是重要，原因在于工件刚性与轻量化为该行业进行所有设计时的考量重点。其他先进应用包含喷涂功能性或可饶性装置，显示器，传感器，太阳能面板，或生医材料结构。

实际上而言，于医疗产业之研究人员目前已经开始印刷生医材料结构，如骨骼支架 (bone scaffolds)可用于严重骨折情况。在不久的未来，功能性的器官可以直接借由3D打印这些有机细胞完成，这些科技与技术大多都是基于极精密的喷涂定位控制。

喷涂与涂布应用需要一套运动控制系统能够精密移动喷头或工件。系统总体精度与产能是在进行此类3D喷涂应用是否能够商业化的重要因素。

随着3D工件几何结构逐渐复杂，运动控制器之程序编辑难易度，与是否能够精确将喷头定位置需要的位置，与材料流率同步有直接的关系。有些运动控制系统可以解决这些复杂问题，尤其是俱有实时动态坐标转换，与位置同步输出(PSO)的运动控制器。这类控制器能够大幅降低程序开发时间，提高喷涂应用精度。

座标空间程序编辑(Coordinate space programming)

液体喷涂或涂布于复杂几何结构上通常需要多自由度的精密运动控制系统，用来将喷头与喷涂表面维持垂直的相对关系。若针对各轴个别进行命令下达，程序非常直观，但是通常是离线的方式，并且需要搭配特定软件以支持特定的图档格式。

此软件用来将工件几何结构分离成小区块，进而产生直角座标系的位移命令，如直线位移与旋转位移等。然而，此法的使用上非常不灵活，原因在于程序与工件的相对关系将会在转档过程中移失。

另一种比较有效率的做法，是实时在控制器端计算此座标转换。类似机械手臂控制器的座标转换方式，控制器将直角座标转换为轴结角度旋转度数，因此使用者将可以于工件座标系进行程序编辑。工件的几何座标与个别运动轴，将会在控制器一个特定的Task进行此数学计算。

简单说明此法是怎麽做到的：控制器将运动命令实时下达至个独立运动轴，因此，喷头将可以移动至正确的座标空间位置。程序执行的命令与工件几何座标将具有直接相关，并且可以简易的更改路径，例如实时更改偏移量(Offset)以补偿工件放置误差，或者调控速度以降低于小圆弧路径时的加速度(a=V2/R)。

实时喷涂 (Dispensing in realtime)

若需要最佳化喷涂制程的良率，喷头的控制可以使用实时触发信号做为控制信号，当喷涂液滴或流体时，传统而言需要确保在涂布区域维持匀速的流率以确保良率，因为过少或过多的喷涂材料将会扭曲或降低工件结构刚性，或者将产生厚度变异量。

当使用定流率喷涂方式，运动控制系统的位移矢量速度将会与维持固定喷涂量有直接关系；然而，当需要喷涂更复杂的几何结构时，为了维持等速，速度与产能将会大幅度被牺牲。

使用PSO功能可以移除速度稳定性的要求，因为PSO触发信号是基于喷头的位置，实时输出触发信号给喷头以进行喷涂，此法是基于3度空间的真实位置回馈，不仅可以控制触发位置准确性，也移除了需要维持匀速的需求。

当喷涂液滴时，PSO可以设定为控制固定喷涂间距。若是喷涂时需要特殊形状，PSO可以设定为阵列方式触发，确保使用者可以定义特定的触发间距以产生此结构。

若使用流体喷涂方式，PSO可以控制高速类比输出信号，基于真实位置与速度回馈信号控制流率。于这两种喷涂情况，由于喷涂速率直接与运动系统的三维回馈信号有直接关系，产能与流量一致性将大幅提高，解决了前述的速度调控问题。

若需要完全应用这些先进控制功能于喷涂式3D打印技术，运动控制器通常会搭配高性能直线与旋转定位系统以完成复杂几何轮廓位移。举例而言，轮廓位移通常会包含位移方向反向运动。

此时，使用直接驱动马达控制可以解决背隙、缠绕或其他滚珠螺杆系统包含的静摩擦力问题，并同时提供更高的速度与加速度，提高制程产能外，由于直驱系统为非接触式驱动系统，可达到不需保养维护的长期运作。

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