提高噴塗式3D列印製造方法精度之技術

Aerotech之A3200運動控制系統提供即時座標轉換功能與位置同步輸出(PSO) 功能，大幅降低開發時間，提高噴塗一致性。

目前在噴塗列印應用中，如何同步材料流率與定位並不容易，使用精密運動控制器，搭配即時動態坐標轉換，與位置同步輸出可降低開發時間，提高製程精度。

噴塗有機與無機材料在不同材質上逐漸成為工業界重要課題，從表面批覆(conformal coating)，印刷電路製作，到實際上進行生物材料印刷，與積層製造均屬於此範疇。

隨著科技的演進，許多終端產品將會對於其產業進行一連串革命，舉例而言，積層製造可讓工程師輕易製造出獨特形狀結構，相對於傳統減法加工而言有更高的剛性與更輕量化的特性。這種特性於航太產業更是重要，原因在於工件剛性與輕量化為該行業進行所有設計時的考量重點。其他先進應用包含噴塗功能性或可饒性裝置，顯示器，感測器，太陽能面板，或生醫材料結構。

實際上而言，於醫療產業之研究人員目前已經開始印刷生醫材料結構，如骨骼支架 (bone scaffolds)可用於嚴重骨折情況。在不久的未來，功能性的器官可以直接借由3D列印這些有機細胞完成，這些科技與技術大多都是基於極精密的噴塗定位控制。

噴塗與塗布應用需要一套運動控制系統能夠精密移動噴頭或工件。系統總體精度與產能是在進行此類3D噴塗應用是否能夠商業化的重要因素。

隨著3D工件幾何結構逐漸複雜，運動控制器之程式編輯難易度，與是否能夠精確將噴頭定位置需要的位置，與材料流率同步有直接的關係。有些運動控制系統可以解決這些複雜問題，尤其是俱有即時動態坐標轉換，與位置同步輸出(PSO)的運動控制器。這類控制器能夠大幅降低程式開發時間，提高噴塗應用精度。

座標空間程式編輯(Coordinate space programming)

液體噴塗或塗布於複雜幾何結構上通常需要多自由度的精密運動控制系統，用來將噴頭與噴塗表面維持垂直的相對關係。若針對各軸個別進行命令下達，程式非常直觀，但是通常是離線的方式，並且需要搭配特定軟體以支援特定的圖檔格式。

此軟體用來將工件幾何結構分離成小區塊，進而產生直角座標系的位移命令，如直線位移與旋轉位移等。然而，此法的使用上非常不靈活，原因在於程式與工件的相對關係將會在轉檔過程中移失。

另一種比較有效率的做法，是即時在控制器端計算此座標轉換。類似機械手臂控制器的座標轉換方式，控制器將直角座標轉換為軸結角度旋轉度數，因此使用者將可以於工件座標系進行程式編輯。工件的幾何座標與個別運動軸，將會在控制器一個特定的Task進行此數學計算。

簡單說明此法是怎麼做到的：控制器將運動命令即時下達至個獨立運動軸，因此，噴頭將可以移動至正確的座標空間位置。程式執行的命令與工件幾何座標將具有直接相關，並且可以簡易的更改路徑，例如即時更改偏移量(Offset)以補償工件放置誤差，或者調控速度以降低於小圓弧路徑時的加速度(a=V2/R)。

即時噴塗 (Dispensing in realtime)

若需要最佳化噴塗製程的良率，噴頭的控制可以使用即時觸發訊號做為控制訊號，當噴塗液滴或流體時，傳統而言需要確保在塗布區域維持勻速的流率以確保良率，因為過少或過多的噴塗材料將會扭曲或降低工件結構剛性，或者將產生厚度變異量。

當使用定流率噴塗方式，運動控制系統的位移向量速度將會與維持固定噴塗量有直接關係；然而，當需要噴塗更複雜的幾何結構時，為了維持等速，速度與產能將會大幅度被犧牲。

使用PSO功能可以移除速度穩定性的要求，因為PSO觸發訊號是基於噴頭的位置，即時輸出觸發訊號給噴頭以進行噴塗，此法是基於3度空間的真實位置回饋，不僅可以控制觸發位置準確性，也移除了需要維持勻速的需求。

當噴塗液滴時，PSO可以設定為控制固定噴塗間距。若是噴塗時需要特殊形狀，PSO可以設定為陣列方式觸發，確保使用者可以定義特定的觸發間距以產生此結構。

若使用流體噴塗方式，PSO可以控制高速類比輸出訊號，基於真實位置與速度回饋訊號控制流率。於這兩種噴塗情況，由於噴塗速率直接與運動系統的三維回饋訊號有直接關係，產能與流量一致性將大幅提高，解決了前述的速度調控問題。

若需要完全應用這些先進控制功能於噴塗式3D列印技術，運動控制器通常會搭配高性能直線與旋轉定位系統以完成複雜幾何輪廓位移。舉例而言，輪廓位移通常會包含位移方向反向運動。

此時，使用直接驅動馬達控制可以解決背隙、纏繞或其他滾珠螺桿系統包含的靜摩擦力問題，並同時提供更高的速度與加速度，提高製程產能外，由於直驅系統為非接觸式驅動系統，可達到不需保養維護的長期運作。

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