FDM 直接數位製造 (Direct Digital Manufacture)技術應用案例-BellHowell 高階印表機

“一旦設計確定，製造的成本就是很清楚地固定住。調整配件技術或是構成材料的任何改變並不會對製造的成本造成很大的影響。” Bell & Howell 公司Michael Jones 機電工程師說。在開發新產品的同時，若只承習以往舊有固定性的設計理念及方針，非但不會減少開發的成本費用，反而可能因居高不下的成本考量而放棄原有設計，實為可惜，也因如此，面對產品零組件須不斷的修改及重製，同時設計與機構也須伴隨著更新情形下，若設計的過程中能快速且準確的輸出原型進行裝載測試、確認，便成為相當重要的一環，故能夠進行功能性測試的工程材料快速原型在設計過程中扮演著舉足輕重的角色。

隨著產品的零件重新設計的過程，Bell & Howell的工程師將該組件上的元件數量，從圖4的26件減少到圖5的13件，並且排除使用螺絲的需求。

Bell & Howell公司

Bell & Howell公司使用FDM快速原型去定做掃瞄器系統零件且贏得數百萬美元的合約—藉由任何供應商所造就全世界最大規模的影像設備。這樣的設備完全能夠滿足客戶的需求規格，主要歸功於運用Stratasys公司的FDM(fused deposition modeling)工程材料快速原型系統作為開發工具。為了要贏得此合約，Bell & Howell公司將必須設計一套新的掃瞄器元件、安裝活動機構原型零件，並且快速地改良它們，以滿足客戶嚴厲的規格標準。

在1900年初期至1970年代之間，一般印象是他們所生產的電影攝影機和靜態照像機產品，在當時Bell & Howell公司已經逐漸發展成一家提供各式各樣自動化技術的公司。例如公司初期，Bell & Howell公司絕大部分的努力聚焦於光學基礎的產品品質。該公司也生產其他設備，例如高階的文件掃瞄器、高速的郵件處理系統、分類與插入的設備以及電子郵件與訊息系統等。位在美國伊利諾州Lincolnwood地區的掃瞄器的部門，發展出尖端的高速掃瞄器，能夠快速地將大量的紙本文件轉換成電子檔案。

當你想到掃瞄器時，別再想到你過去習慣在家上載圖片影像時，使用市值99美元的裝置。Bell & Howell公司的極高階掃瞄器—Copiscan 8000 Plus系列，其價格在39,000美元以上。你從以下就可以看出端倪：
對於送紙器，它能以每分鐘125頁的速度迅速地掃過一疊文件，並同時擷取正反兩面的資料，總共於每分鐘處理250個影像，相當於每秒4.2個影像。更讓人印像深刻的是，儘管處理的是混合紙張，厚度範圍有從厚重的卡片原料至纖細的捲煙紙等都有，這台掃瞄器都能以最高速的速度處理。真是相當地精密。

圖 重新設計供給器 現在的供給器的擷取裝置已經是相當簡化的組合件。

圖 精密裝置 在重新設計供給器之後，不論處理的是紙張厚度從厚重的卡片紙至纖細的捲煙紙，這台掃瞄器現在都能以每分鐘處理125張紙的速度 ，獲取雙面資料。

Bell & Howell公司，是現有客戶限量邀請的製造廠商其中之ㄧ，將參與這份1,000台高階掃瞄器訂單的競爭。此客戶是美國”財富50”大企業公司之一，負責將郵件隔夜投遞到全球各地。在忙碌的某一天，投遞服務需要處理的包裹數量已經高達二十五萬件，所以需要能夠迅速地處理大量文件工作的高階掃瞄器。

沒有任何一間公司提供的掃瞄器能夠達到客戶新的規格要求，所以只有少數廠商能被邀請，藉由設計一款可以滿足這些規格的掃瞄器，來競爭這份銷售訂單。為了爭取這份訂單，Bell & Howell公司將必須重新設計他們現有型號Copiscan 8000的高階掃瞄器。這個新的設計將必須增加系統整體處理效能，同時降低系統堵塞停工的風險。

致力於贏得這份訂單也是Bell & Howell公司在設計理念中的辦法。當機械工程主管引進外來的經驗，來協助工程師改進他們的設計，藉由預期未來的製造成本，這辦法已經開始。“一旦整個設計確定之後，製造生產生產成本就會很清楚地固定住。。”,Michael Jones 機電工程師說。” 你在組裝技術或是材料結構的任何改變，並不會對製造成本造成太大的影響，腦中有這個觀念對設計來說是很重要的。”在新的設計理念中，很重要的一部分就是找出減少產品元件數量的方法。

在定做掃瞄器的過程中，Bell & Howell公司生產了許多不一樣的原件，並且將它們送去給客戶測試使用。”我們現在研製的掃瞄器部分是文件供給器組件，”機械工程主管Mike Scheller說道。該供給器主要是去分離個別紙張，並且將它們拖曳通過掃瞄器。”平均來說，我們每週都會提供一組供給器組件給客戶。他們會去安裝這些零件，並且將使用情形回覆給我們，讓我們能夠改良設計。”

“供給器有彈性的滾軸，它必須旋轉、上升、下降和側面移動，” Scheller說。”影響紙張的處理就看滾軸如何抑制、齒輪聯動和驅動等。至於要如何去實現達到前面所述，我們有4種不同的構想。我們能藉由FDM系統將構想製作成原型，並做進行一些簡短的初始測試，然後將零件提供給客戶。”

“你可以用3D繪圖去展示元件的機構動作，它也許看起來元件的功能動作正確無誤，”Jones說。”但是，當你去建構出實體模型之後，你將會看到你所遺漏了些什麼。惟有如此，你才能看出一個零件的特徵是太薄或太厚，或是沒有達到本身應該有的運作功能。”

“有很多次，當我們認為這個設計應該可以運作，所以我們建構了原型，安裝到掃瞄器上，然後我們立即地發現了問題。對於供給器的擷取裝置的部分，我們製作一個原型零件並裝置上去，只找出固定閂正好與固定座不合。我們重新建構原型，並改變固定閂下降的曲線去修正這個問題。如果前面所述發生在實際的測試模具零件，那模具將會花費我們龐大的經費，而且零件也會變的毫無價值。”

在贏得合約之前，Bell & Howell公司大約花費5個月的時間，和客戶頻繁地互動，定做出掃瞄器的機構功能。這個客製化，且高性能版本的掃瞄器命名為Copiscan 8000 Plus。它的文件供給器具有較高的效能，不但增加單位能量同時減少系統堵塞停工的可能性。

圖 許多掃瞄器零件模型都是使用FDM技術的ABS工程材料所製。左上：列印機組。中間和右上：電源開關-前面、側面視圖。

隨著Bell & Howell公司不斷改良掃瞄器的零件，它們重新設計了供給器組件中的擷取裝置。新款的設計將零件數量從26個減少至13個-也就是50%的縮減。而且這個新組件中完全不需要任何螺絲，因為設計改用啪一聲就扣上的扣具，所以螺絲就淘汰使用了。
Scheller說道，在購買FDM工程材料快速原型系統之前，公司針對一個新產品的設計週期基本上約為18個月。”平均來說，我們已經讓設計週期降低了9個月：過去通常要花費1.5倍的時間。如此巨大的改善都是使用FDM機台的關係。有了這部機台，元件之間的配合度變得更好；我們也有更具審美觀的構思；甚至比以前有更好的設計檢視。”
使用FDM工程材料快速原型同樣能幫助減少模具方面的重複工作，而且它也關聯到掃瞄器部門的成本。”當我們跟模具單位重新檢視這個設計時，他們能夠確切地看見零件將來會呈現模樣，” Scheller說。” 對於我們要去製作模具，我現在有更多的信心，零件將會是可以運作的，而且將會看起來和預期的一樣。在過去，我們在模具修改的反覆工作上浪費許多費用。”

依據Schellern所述，在公司內部擁有FDM工程材料快速原型系統對於贏得此大型合約是有幫助的。”為了要贏得該訂單，我們必須達到客戶的標準，而且我們必須快速地取得可用的原型，”他說。”假如我們沒有FDM工程材料快速原型系統，我們將必須仰賴外包的模型公司，不但會增加時間和成本的支出，而且會影響成果。FDM工程材料快速原型系統是我們獲得這份數百萬美元訂單的主要原因。”

“無論你的電腦模型設計規劃的如何完善，你永遠無法面面俱到，” Jone說道。”但是有了FDM機台作出的實體模型，你就可以更加確認。這就是為什麼FDM對我們如此重要的原因。我們將之比喻為”星際奇航”中的複製器。我們能夠將一個構思，在幾個小時內得到功能性原型並安裝在掃瞄器上。Bell & Howell公司使用Stratasys FDM工程材料快速原型系統，並且指出它的優秀性能出乎意料的卓越。它通常是夜以繼日和週末假日不行運轉，而且不需要任何操作員。”我們只需要有極小的停工期，而且它的好處非常龐大，所以我們希望再採購第2台FDM機器，也就是有超大成型空間的工程材料快速原型系統- FMD Maxum。

像許多發展中的公司，Bell & Howell 公司也已經藉著使用FDM系統邁入快速製造零件的領域。工程師發現在FDM系統上生產名為”flag hold-downs”的零件，其品質遠遠可以勝任它在掃描器中的工作需求，所以他們決定使用FDM系統進行大量生產，而不再向模具工廠訂購。

平均來說，Bell & Howell公司每個月生產160個名為”flag hold-downs”的元件，在總數來說，生產將近於數千個。他們利用FDM系統生產每批50個的零件，並直接安裝在最終的產品上。

圖 快速製造 利用FDM系統快速製造每批50個名為”Flag hold-downs”的零件，並直接安裝在最終產品-掃描器上使用。

圖 生產週期短 平均來說，Bell & Howell公司每個月生產160個名為”Flag hold-downs”的零件。

“擁有[快速製造零件]的能力是具有很大的優勢，” Michael Jones機電工程師說道。”如果供應商因為某些原因致使塑膠零件無法按時送達，我們能夠藉由FDM機台建構零件以避免生產中斷。另一項優勢是，假如我們計劃在很端的時間之內要變更元件的設計，自己建構我們想要的零件，比起付錢給模具廠去開模和生產，相對成本效率會更高。
Bell & Howell 公司目前的作業流程，已經充分地將FDM的直接數位製造(Direct Digital Manufacture)技術應用於整個製程，所以能夠快速的降低成本，贏得訂單。

 圖FDM DDM技術可以從概念設計到設計變更，甚至可以進行快速製造與少量生產。

單純地建立外觀模型層次的設備已非適用於現行快速原型的競爭環境，須積極朝可製作測試功能性的原型設備邁進、升級。因此，由於FDM工程材料快速原型系統操作簡便，可視為一台ABS立體列印系統（即3D印表機），不需要長期操作的使用經驗，不需指派專人負責操作，不擔心人員流動造成停擺，藉其簡單易用的特性及辦公室設計環境的規格（無毒性且不產生異味，粉塵，噪音等污染，不用花費建立與維護專用場地），滿足設計工程師的夢想，且可在整個產品設計流程中隨時應用快速原型技術，進行產品原型的各種功能性測試、修改，並減少設計的時程約40%-50%，大幅提升企業的競爭力。