2016 工程技術、管理科學與教育研討會論文集 中華民國 105年 5月 20日

東南科技大學 新北市 論文編號：A32

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3D列印應用於衝壓製品設計開發之研究 張添財

1、廖樹桐

2、王翊丞

3、游志成

3、莊易璁

3、邱郁彣

3

1德霖技術學院機械工程系副教授

2三葛工業股份有限公司董事長

3德霖技術學院機械工程系學生

摘要

3D列印，又稱增材製造，屬於快速成形技術的一種。以數位模型檔案為基礎的直接製造技術，幾乎

可以製造任意形狀三維實體。3D列印運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來

構造物體，即「積層製造」。本研究利用Creo繪製衝壓製品3D圖形及連續衝壓料帶圖，再轉成3D列印圖檔，以本系新購買3D列印機進行列印出衝壓成品料帶，並進行模具設計繪圖，設計開發出所需衝壓模具

圖，再以3D動畫模擬組合模具運作情形及料帶輸送實況，確定沒有問題，接著以各式工作母機，諸如銑

床、車床、磨床、鑽床、砂輪機、攻牙機及線切割等

加工方法製作各模具零組件，最後進行模具組立、裝

配、沖壓加工製作成品，產品經檢測結果符合預期目

標，並強化學生模具設計能力與加工技術。

關鍵詞: 衝壓製品、3D列印、模具設計

1. 前言 模具，是以特定的結構形式通過一定方式使材

料成型的一種工業產品，同時也是能成批生產出具有

一定形狀和尺寸要求的工業產品零部件的一種生產

工具。大到飛機、汽車，小到茶杯、釘子，幾乎所有

的工業產品都必須依靠模具成型。用模具生產制件所

具備的高精度、高一致性、高生產率是任何其它加工

方法所不能比擬的。模具在很大程度上決定著產品的

質量、效益和新產品開發能力。所以模具又有“工業之母”的榮譽稱號。

隨著全球製造業重心向中國轉移，為中國模具

行業發展提供了強大動力，也對國內模具製造商提出

了越來越高的要求。在當前模具製造業產業全面轉型

升級的背景下，“綠色、智造、可持續創新”等字眼越來越多地出現在模具人的視野中，當仁不讓地成為模

具製造業創新發展的關鍵字。 隨著資訊技術和電腦網路技術的發展，模具製造

業進入了全球化的新時代，競爭愈演愈烈。市場對產

品品質、生產工藝和上市時間的要求也越來越高。在

這種情形下，成本控制、生產效率與技術因素成為模

具製造企業塑造差異化優勢的關鍵所在。 國際模協秘書長羅百輝調研顯示，模具企業在競

爭力出路結果中排名前三的選擇分別是：優化精簡製

造流程，提高生產效率；加速創新，從“模具製造”轉向“模具智造”；優化供應鏈管理，統籌全域。對於模具製造業企業而言，如何有效地降低運營成本、提高

模具工程效率、及時推出高品質產品、在改進銷售流

程的同時加強協作、可持續地投入創新，這幾個方面

是其保持在全球市場競爭力的重要砝碼。 從事模具設計者一定都是由現場做起，長時間

累積經驗變成師父的人，老師父只管圖面如何做，就

算沒有很清楚，他也知道怎麼做。現今利用電腦繪圖

軟體來繪至 2D 或 3D 圖面，可以快速達成模具設計的要求，且只要能列印 2D圖面出來給師父即可，所以如何善用電腦輔助繪圖軟體，就能幫助模具設計者

減少設計時間，縮短模具開發時間，有利於市場競爭

力。AutoCAD是 CAD軟體，做電腦繪圖，是最基礎的部份，很多公司、工廠也最多人使用。AutoCAD可另外應用在土木建築、室內設計等等；Solidworks是 CAD/CAM/CAE 的軟體，除了繪圖外多了製造和分析，在設計上會比 AutoCAD的效率更高，是新一代的軟體，建置成本比 PRO-E 低，不過市占率還是不高，不過有明顯成長的趨勢。Pro/E、Creo 是CAD/CAM/CAE 的軟體，與上述一樣，是比較早期就在台灣引進的軟體，在台市占率最高，效能、效率

較 Solidworks好。以上三種可以說是同一領域的。 在模具製造業，3D列印帶來新的利器，以數位

化方式設計、視覺化和模擬分析，創建更具可持續性

的產品和包裝，設計易於製造和報廢回收的產品，從

而進一步減少浪費、降低成本，也減少以前須先以加

工方式製作樣式或樣品，從而有效減少經營性浪費，

或以圖面討論缺乏實體感覺，增加接單效能，提升產

品競爭力。 德霖機械工程學系在課程設計：大一上學期時

開設工程圖學，大一下開設電腦繪圖，學習AutoCAD，大二開設電腦輔助設計Pro/E、Creo學習繪製3D立體圖，大三開設電腦輔助機械設計繪圖(上、下) 學習AutoCAD配合推動電腦輔助機械設計繪圖丙級技術士檢定，大四開設電腦輔助模具設計繪圖，學生歷經

一系列課程，具備電腦繪圖基礎，藉著與三葛工業股

份有限公司產學合作機會，以Creo 3D繪圖與3D列印技術為三葛工業公司設計開發衝壓製品與模具設計，

同時給學生一個歷練的機會，利用四機三1學生修讀電腦輔助造型設計，以邱郁彣為組長及組員王翊丞、

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游志成、莊易璁等4位學生，在課餘時間利用本係設備進行沖壓製品、模具設計及3D列印製作實習，一方面提升Creo在沖壓製品與模具設計能力，一方面強化操作3D列印技術，藉此提升學生學習成效。

2. 研究動機與目的 設計一個簡單形狀具有衝剪、引伸的杯蓋，依

設計形狀的不同其用途不同，如防塵蓋、喇叭蓋、鋼

杯、防火杯蓋、食品罐頭、筆筒等，所以在固定製造

程序中，只改變模具設計圖中一小部分即可，如此可

以快速因應產品不同需求，在一定時間內即可以完成

模具設計開發與製造，節省時間與人力，協助業界降

低成本，強化產業競爭力。

此一設計內容，除訓練學生使用軟、硬體完成模具設

計與製造，含產品的設計，模具圖的繪製，3D列印實習製作。使用铣床、磨床、鑽床、綜合加工機等各

式加工設備製作模具技術，模具檢測與組裝能力，強

化各種工作母機的操作熟練度，以增強自己的專業能

力，提升就業競爭力，為將來就業做準備。

3. 研究方法 1. 衝壓製品 3D圖形及連續衝壓料帶設計繪圖

利用 Creo進行衝壓製品 3D圖形及連續衝壓料帶設計，設計時要注意引伸率，及在衝剪過程

料帶會拉的作用，所以會以空站加入設計，讓學

生學習實務經驗。 2. 3D列印製作實習

將所繪製 3D圖檔進行轉檔，計算列印時間及所需列印材料，再以本系新購買 3D列印機列印出衝壓料帶，及衝壓成品，相較於以前僅能在圖面

上討論，期望在短時間能讓客戶直接看到樣品。 3. 模具設計繪圖

利用 Creo進行模具繪圖設計，期望在短時間繪製模具各零件 2D圖、3D圖及組合圖，如圖 1.所示，並模擬組合模具運作情形。

4. 模座與模仁等備料 確認與材料商訂購符合工作圖面尺寸的規格

材料，包含 SK3、S45C、SS41、SKD11等材料。 5. 打鋼印：幫模板編號，區分加工用料，以避免製作過程產生混亂。

介紹：鋼印，一組約 10支，為編號 0、1、2、3、4、5、6、7、8、 ㄧ 、(6與 9共用)，外型為長條狀之鋼材。 鋼印使用方法：鋼印垂直握緊，以鐵鎚或大橡膠

錘，一次敲擊到位，否則號碼會不整齊。模板編

號：1號上夾板 (S45C)、2號上剪切模(SKD11)、3號上脫板(S45C)、4號模柄(S45C) 、5號下剪切模仁(SKD11) 、6號下脫料板(SS41)、7號下夾板(S45C)、8號下墊板(SK3)、9號上背板(S45C)、10號上衝頭(SKD11)。

6. 列印加工圖 以便進行各式加工，畫螢光筆區域是為了讓

線切割能清楚辨識要割與不割的區域，紅筆標示

公差配合。 7. 模具加工製作

利用本系設備進行銑床加工、研磨加工、鑽

孔、車床加工、線切割放電加工、熱處理等進行

模具製作。 8. 組立模具與試模

將各個模板組立在正確的位置，形成上、下

模組。將組合好的上、下模組架在衝壓機台上，

進行衝壓加工，完成成品。

4. 結果與討論 1. 利用Creo進行衝壓製品3D圖形及連續衝壓料帶，設計時要注意引伸率，及在衝剪過程料帶會拉的

作用，所以會以空站加入設計，所以是一面學習、

一面繪製及討論，讓學生學習實務經驗。但經此

訓練後，4位學生均能縮短到 2天時間，即可繪製完成。(如圖 1)

2. 將所繪製壓製品及連續衝壓料帶 3D圖檔進行轉檔，計算列印時間(預計 80分鐘可列印完成)及所需列印材料，再以本系新購買 3D列印機列印出衝壓料帶，及衝壓成品，相較於以前僅能在圖面上

討論，期望在短時間能讓客戶直接看到樣品。(如圖 2-3)

3. 利用 Creo或 CAD進行模具繪圖設計，期望在短時間繪製模具各零件 2D圖、3D圖及組合圖等相關的模具圖，包含正視圖、平面圖、側視圖、斷

面圖、詳細圖、參考圖、註記、公差一覽、標題

欄等標示。(如圖 4) 4. 模具總組裝圖拆畫零件圖的順序應為：先內後外，先復雜後簡單，先成型零件，後結構零件。一定

要按比例畫，允許放大或縮小。視圖選擇合理，

投影正確，佈置得當。為瞭使加工符號易看懂、

便於裝配，圖形盡可能與總組裝圖一致，圖形要

清晰。標注尺寸要求統一、集中、有序、完整。

標注尺寸的順序為：先標主要零件尺寸和出模斜

度，再標注配合尺寸，然後標注全部尺寸。在非

主要零件圖上先標注配合尺寸，後標注全部尺寸。

表面粗糙度。把應用最多的一種粗糙度標於圖紙

右上角，其它粗糙度符號在零件各表面分別標

出。 5. 零件圖是二維繪製的，要通過視圖轉換成設計者頭腦中的三維形狀，而需繪製 3D立體圖有助於理解。繪製出上下模具各零件的 3D圖，然後再繪製3D組合圖，並進行模擬衝壓操作製作動畫。

6. 學生在大一修過基礎加工實習後，已有相當久時間未再操作加工機，需要給予工安教育訓練及必

須遵守之安全守則，不穿著寬鬆的衣服，不可露

出長髮；若穿工作服必須是全棉的，不能是化學

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纖維，使用安全鞋或球鞋，禁止穿拖鞋；不要佩

戴首飾，如：項鍊、手鐲、戒指，同時使用防護

器具，如護目鏡、安全面罩等；工作場所始終保

持清潔等。 7. 在機械加工製作模具方面，需要再給予各種加工母機的操作方法及要領訓練，整個模具製作時間

約 10-15天可完成。(如圖 5) 銑床加工：銑床用來切削平面，或者用特殊形狀的銑刀銑出成型表面、螺旋槽或齒輪的

齒形等。 研磨加工：將模板先用，滑石去除表面毛邊，清除磨床上電磁鐵平台上的鐵屑，將模板吸

附上去，調整砂輪至模板中間，緩緩接近工

件，當接觸工件後，將加工平台移至最右方，

砂輪進給 1~2條的單位，平台左右來回，進行研磨，重複以上步驟，至工件平面完全平

整，及研磨時所產生的火花量一樣為止。 標畫基準線：模板放置碳酸鈣平板，俗稱花崗岩平板，以高度規畫出模板，X與 Y方向尺寸之一半，及中心尺寸。

引孔：利用鑽床，以高速鑽至引孔到 6mm 。 鑽孔：利用銑床或鑽床來鑽孔。 線切割：將上衝頭、下模板等進行線切割加工，須考慮配合裕度。

熱處理：利用氧-乙炔火焰進行表面加熱，立刻淬火提高表面硬度及耐磨耗性。

利用車床切削加工製作模具相關零件，如內導柱定位上下模的位置，利用螺絲和等高套

筒維持模板高度，定位銷定位下夾板跟下剪

切模。 8. 組合連續衝壓模具，架模、試模及衝壓加工，可連續自動進料與沖壓製作成品，成品經檢測合乎

設計要求。 9. 整套模具利用刻字、標記編號處理，再塗上防銹油油封防氧化處理，交由三葛工業股份有限公司

保管，並整理相關資料進行歸檔。

5. 結論 本研究計畫成功開發一套沖壓模具，這套模具

是由設計成品與料帶開始，接著3D列印，再進行模具設計開發，此模具組可以做為教學及展示，可以供

學生做為模具拆解、量測、組合、架模及衝壓加工等

實習，並讓學生了解模具設計繪圖要領，與加工製作

過程，強化模具設計能力與加工技術。

6. 誌謝 感謝三葛工業股份有限公司與本系產學合作，

使本計畫得以順利進行，特此致上感謝之意。

7. 參考文獻

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2. 日 本 模 具 產 業 的 現 況 與 方 向 性 III ；http://km.imvcp.org/KM/KMS/Public/MatViewer.aspx?matid=15FF18A06D4D479F9D7F9057A6F4E502&matver=1

3. http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E4%B8%89%E7%BB%B4%E6%89%93%E5%8D%B0%E6%9C%BA

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5. 湯志龍編著；模具設計與製圖；全華科技圖書股份有限公司。

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ro=2772 11. 林清安編著；Pro/ENGININEER Wildfire 5.0

模具設計基礎入門；碁峰資訊股份有限公司。 12. 王照明編著；Creo Parametric 2.0入門與實務基

礎篇；全華圖書股份有限公司。

8. 圖表

圖1.電腦輔助設計成品

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圖2.電腦輔助設計料帶

圖3.進行3D列印成品與料帶

圖4. 模具組合圖，圖面加工過程中拍攝，故意呈現

模糊，尺寸數字不清楚，以防重要成果被不當

利用

圖5.機械加工、CNC加工、線切割加工等製作過程。