近年來積層製造(Additive Manufacturing; AM)技術的突破性進展，被視為具有足以讓製造產業轉型，並充滿新產品創新的潛能。根據2016 Wohlers Report市場資訊顯示，2015年包括設備、材料、零件製造與服務產值達50億美元，過去3年複合年均增長率達33.8%，預計2020年產值將達100億美元，市場與產業需求成長快速。積層製造技術將改變生產製造面貌，而現在只是這先進製造技術世代的開端。
工研院規劃建立台灣第一個積層製造設計與服務平台，與國內醫療院所如新竹馬偕與高雄醫學大學及附設醫院合作，以人體肢幹輔具(Orthosis)為載具，建立積層製造生產流程設計與模擬分析技術，並驗證核心技術與服務流程，來填補目前國內外AM應用產品需求端與設計及製造端的巨大缺口，並提供現今國際AM市場缺乏的完整設計服務平台解決方案。客製化3D列印護具流程核心技術，如圖一，包括①快速三維多測頭掃描(Scan)技術；②快速建模平台技術；③力學評估與優化設計；④製程模擬分析。
圖一、3D列印護具客製化流程
快速三維多測頭掃描技術
多測頭3D掃描系統，從組合多測頭模組取像、計算深度資訊進行疊合，利用空間校正之座標轉換資料將多測頭疊合之資料再進一步整合，融合成一筆完整3D模型資料，其流程如圖三。製作3D掃描系統，最重要的就是深度影像擷取裝置，包括投光裝置與影像感測裝置，其中投光裝置投射投影圖案到被測物上，影像感測裝置則用以感測真實影像，投光裝置也可以作為虛擬影像感測裝置。
在3D光學掃描測頭光機模組設計上，採用工研院IR Random Pattern 3D投影取像技術為基礎，就所需掃描條件進行測頭各項規格之訂定，然後進行實際光機設計。將單測頭3D進行Camera Distortion、Projection Distortion、Pattern Orient & Scale及各距離3D校正，可以發現自10公分至20公分標準差都在1.2 mm以下，最佳位置在12公分處，標準差值0.3 mm，如圖五。
進行疊合處理時，因為深度攝影機拍攝出來的深度資料是在深度攝影機自己的相機座標中，因此若是使用ICP的幾何資訊進行疊合會有無法自動疊合的問題產生，我們可以利用手動疊合先將兩筆資料進行大略的對齊，再利用ICP演算法將深度攝影機的資料與Golden Sample的3D模型進行疊合，得到空間座標校正，如圖六。
快速建模平台技術
3D掃描進行輔具設計時，要先處理成實體檔，才能進行後續之設計。當3D掃描完成之後，肢體資料以點資料呈現，以本文實施載具媽媽手（狹窄性肌腱滑膜炎）護具為例，會收到一個病患手部點資料檔（圖十），掃描資料並不會非常完整，因此需要針對破損處進行初步修補。透過商用逆向處理軟體，將破損處合理修補，可以獲得手部的實體檔（圖十一）。根據醫生的建議，選擇需要固定的區域，加上設計師的巧思，將適合媽媽手的手部護具設計出來，透過目前流行之商用電腦輔助設計(CAD)軟體進行人工設計，得到初步的適合病患病症的護具（圖十二）。
圖十、患部肢體3D掃描 & 圖十一、患部肢體實體檔 & 圖十二、初步設計與穿戴狀況
力學評估與優化設計
人體高矮胖瘦肢體長短各有不同，所需之護具尺寸或曲折差異也多有變化，客製化設計為高舒適度個人化產品必要手段。但如逐一對每一客戶或病患進行客製化設計，則費工耗時，時間與人力成本必然居高不下。故因應每次均不同的設計需求，開發一適應性參數化設計流程（圖十六），可迅速依逆向工程掃描建模之身體各部位肢體圖檔，調整特徵尺寸，產生完全適合該客戶或病患之護具初胚模型圖檔(Green Model)。
為了進一步以有限的材料重量，發揮護具的最大剛性，並減少不必要的列印時間，進一步以拓樸優化（圖十七），對前述初胚模型檔案進行演算，保留主要應力路徑(Stress Path)上的材料，去除未充分發揮的…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：邱佑宗 / 工研院材化所；吳宗明、洪基彬 / 工研院雷射中心；顏伯甫、李暐 / 工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」369期，更多資料請見下方附檔。