【3D列印】防水3D列印指南：FDM、SLA和SLS技術比較

FDM、SLA與SLS防水3D列印測試

Formlabs與羅德島大學水下機器人與成像實驗室（URIL）合作，以熔融沉積成型（FDM）、立體光刻（SLA）及選擇性雷射燒結（SLS）製作多部件外殼，並於水下模擬壓力艙中進行測試。

研究聚焦於多部件外殼的水密性，測試資料亦涵蓋壓力結果、O型圈建議與外殼設計原則。結果顯示，採用合適的列印技術、材料及密封設計，可用較簡單且具成本效益的流程製作高壓環境所需的水密外殼。

因此，即使材料本身具有良好防水性，多部件組件仍可能因接縫而滲漏；反之，透過精密公差、螺紋、互鎖結構、墊片或O型圈，也能有效提升整體水密性。

水密3D列印零件的應用

水密零件可應用於船艇與舷外發動機、深海機器人、水下攝影、採樣設備及感測器外殼，也能用於汽車、化學研究、建築與公用設施中需要輸送或容納流體的組件。

生態學、地質學與氣候研究的部署條件經常改變，市售標準設備未必適用。3D列印能依照感測器、連接埠、安裝位置及作業環境，快速製作客製化研究工具。

NOAA以3D列印製作珊瑚研究防水零件

為研究珊瑚礁流失，美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）大西洋海洋與氣象實驗室（AOML）及合作機構調查野生珊瑚，並在受控環境中重現特定條件，研究珊瑚面對水溫上升與氣候變遷的反應。

AOML利用Formlabs SLA與Fuse系列SLS設備，製作重型採樣器外殼、實驗感測器夾具及水族館客製化組件。多元材料選擇讓研究人員能持續設計、迭代並部署3D列印防水部件，同時提高實驗的標準化程度、準確性與可比性。

「我們把最初採樣器設計的成本從1,000美元降至220美元。這表示現在能部署五個採樣器，而過去只能部署一個。」

AOML研究人員Nate Formel

傳統水密部件為何不容易客製化？

傳統水密組件通常採用金屬、射出成型塑膠或橡膠製作。大量生產時單價較低，但若要依特定研究或設備需求修改連接器、夾具及外殼，往往需要較高的開發成本與較長交期。

多部件外殼通常以螺紋、互鎖結構、O型圈或墊片密封。O型圈的壓縮量、直徑、截面厚度、材料及工作壓力皆會影響密封效果，因此針對客製化外殼選定適當規格可能相當耗時。

防水3D列印技術比較：FDM、SLA與SLS

水下機器人與機械零件通常具有獨特功能，所需尺寸、壓力、材料與密封方式也會依專案而異。選擇3D列印技術時，應綜合評估表面孔隙、公差、層間結合、材料特性、後處理及預期工作壓力。

FDM

成本易於控制，但層間微小縫隙可能造成吸水或滲漏，通常需要調整製程並增加塗層等後處理。

SLA

表面平滑、孔隙率低且尺寸精度高，適合製作螺紋接合、精密密封面與承壓水密外殼。

SLS

適合製作耐用且幾何自由度高的零件；透過正確公差、材料及密封設計，也能實現水密性。

熔融沉積成型（FDM）

FDM透過噴嘴擠出熔融熱塑性材料並逐層堆疊。零件通常具有各向異性，機械性質會隨受力方向改變；層與層之間的微小縫隙也可能形成水分滲入路徑。

未經處理的封閉FDM零件不一定能形成可靠的壓力密封。在高壓環境中，外殼可能沿層間開裂或內爆。若要改善FDM零件的水密性，可考慮：

• 避免不必要的縫隙、連接埠及開口。
• 增加壁厚與外殼數，並調整擠出量與層高。
• 選用PETG或聚丙烯等合適材料。
• 透過打磨、蒸氣平滑、樹脂或塗層封閉表面。
• 在實際工作壓力下完成浸水與壓力驗證。

這些方法可提高零件的水密性，但不能直接保證其適用於高壓水下環境。

立體光刻（SLA）

SLA以光源逐層固化液態樹脂，使層內及相鄰層的聚合物鏈交聯。此製程能形成平滑、層紋不明顯且孔隙率低的表面，並提供適合精密裝配的尺寸公差。

多部件SLA外殼可採用螺紋或互鎖結構精確接合，再搭配O型圈、密封件或墊圈減少氣隙。研究測試顯示，適當的SLA材料與外殼設計能承受高水壓，但實際能力仍須依材料、壁厚、幾何形狀與列印條件驗證。

選擇性雷射燒結（SLS）

SLS以雷射燒結粉末床中的零件截面，再鋪上新粉末並重複成型。SLS零件具備良好的幾何自由度與耐用性；若設計公差、表面處理與密封方式得當，也能製作水密外殼。

3D列印防水外殼的設計技巧

外殼的水密能力取決於材料、零件本體與組裝設計。SLA和SLS能製作公差較小的接合結構，但在高壓環境中，仍建議加入O型圈等獨立密封機制。

1. 減少接合面：在維修與裝配需求允許下，降低零件數量及潛在滲漏路徑。
2. 控制壁厚與轉角：避免過薄區域及明顯應力集中，並以圓角改善受壓表現。
3. 設計穩定密封面：確保O型圈溝槽、端蓋與殼體接合面尺寸一致且表面平整。
4. 依環境選擇材料：評估水壓、溫度、化學物質、紫外線及長期浸泡的影響。
5. 完成實際測試：防水不等同耐壓，應於預期工作條件及安全係數下驗證。

URIL深海外殼設計

URIL致力於降低深海研究的設備門檻。Form 3+與大尺寸Form 3L等SLA設備，讓研究團隊能設計精密的深海探測工具，並將開源設計分享給過去缺乏水下資料採集資源的研究群體。

研究內容涵蓋DEEPi深海成像與控制系統、海上移動船舶中的被動穩定技術，以及以鸚鵡螺殼體幾何形狀為基礎的仿生耐壓外殼。

仿生耐壓外殼

研究團隊透過掃描及數位重建，探討鸚鵡螺外殼如何在深海高壓環境中維持結構。研究比較複雜仿生幾何形狀與球體、圓柱體等傳統耐壓結構，評估其作為深海機器人外殼的潛力。

如何為3D列印防水外殼選擇O型圈

URIL曾測試端面密封與孔密封O型圈，並偏好以端面密封作為外殼設計方式。確定殼體內徑與外徑後，可依內徑選擇適當尺寸，讓O型圈穩定貼合端蓋與殼體的接合面。

研究測試中，截面寬度約⅛英吋（0.139英吋）的「雙橫線」尺寸O型圈，能為SLA列印零件提供可靠密封。實際設計仍應依O型圈材質、壓縮率、溝槽尺寸、工作溫度及壓力選定規格。

防水3D列印技術選擇結論

防水外殼能否可靠運作，不能只由列印技術判定。材料、壁厚、幾何形狀、列印方向、後固化、表面處理、O型圈設計及組裝品質，都會影響最終水密性與耐壓能力。