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2019-01-26 【3D列印知識】新手入門:常見3D列印技術比較及原理

【3D列印知識】新手入門:常見3D列印技術比較及原理​(2019.10.31更新比較表)

3D列印與開模相比,內部製造能大幅降低成本,還可以更自由地進行快速原型。目前市面上使用的三種3D列印技術是FDM(熱熔融層積)、SLA(光固化)和SLS(雷射粉末燒結)。新手們別怕,一起來看看淺顯易懂的說明吧!

.兩大原理先掌握:

一、建構成型
所有3D列印技術共同的原則──將3D CAD模型水平切割成單獨的橫截面,再依次堆疊後立體成型;但是FDMSLASLS技術採用的方法具有本質上的差異,以下會針對不同技術一一說明。

二、支撐結構

3D列印技術的成形方式需考慮地心引力的影響,想像一下物體在懸空的狀態會往下掉,因此3D列印的材料在成型時若遇到懸空的結構,會需要額外建立輔助材料來生成懸空的主體以避免成型時材料往下掉。這種結構通常稱為支撐材料,根據不同列印形式,使用方式和材料也各有不同。其中,SLS(雷射粉末燒結)技術通常無需這種支撐結構,這會在下方進行說明。


(圖為FDM(左)SLA(右)兩種不同3D列印技術的支撐結構與本體示意圖,物件本體為電鑽外殼。)

三、三種3D列印技術:

(一)FDM(熱熔融層積)技術及應用

FDM是最普遍的3D列印技術(或稱FFF),其3D列印原料通常是在捲軸上輸送的熱塑性聚合物,通稱為線材;線徑寬度公定為1.75mm或3mm(或2.85mm),再透過加熱噴頭擠出。加熱噴頭安裝在移動桿上,讓噴頭的擠出材料可以在列印範圍內層層堆疊、冷卻並固化於平台上以完成物體。




(圖為Ultimaker3D列印移動中的噴頭。)

FDM通常適用於辦公環境、易於操作和維護,不需用化學品進行後處理。可用的原料非常多元也相對便宜、易於使用,並且可以長時間存放。FDM技術有時需要支撐結構,但依照 CAD建模設計時的考量可以有效精簡支撐材料。市面上可見最早的單噴頭到最新的雙噴頭兩大類型,使用雙噴頭就能在單次列印中同時運用兩種材料;透過兩種不同類型的相容材料(例如:可溶解的水溶性PVA支撐材料),能直接列印具有卡榫、轉動…等,機械功能的產品;或者採用可直接剝離的分離材料,讓產品具有較平滑的表面、高質感、減少後加工。


(圖為以FDM形式列印的大廠Ultimaker機器。)

.優點:
.容易操作和維護
.相比其他3D列印方法,價格相對便宜
.容易保持環境整潔,不需使用額外化學品
.設備大小可以放在桌面上
.整個過程在機器內部進行,無需額外設備
.多種材料可選,具有工程特性
.設備價格相對較低,有助縮短產品交期


(使用Ultimaker搭配水溶性PVA支撐材料也能列印全可動結構,後方為支撐溶解前的3D列印完成品。

.缺點:
.表面通常有堆疊紋路
.列印品質會影響成品的物理性強度


FDM形式的3D列印的細微層積紋理。

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(二)SLA(光固化)技術及應用
SLA使用液態樹脂作為原料,在樹脂槽內倒入樹脂並將列印平台浸泡其中,再以UV雷射或DLP投影器在列印平台上照射光束,受到照射的樹脂會硬化成型,藉由平台從樹脂槽中升起來層層堆疊成型。


SLA適合用於精密細節的複雜零件或珠寶設計,幾乎在所有情況下都要使用支撐結構,在一般通風良好的小型工作室或技術實驗室都能使用。SLA後處理相較於FDM技術較複雜,通常需要使用酒精進行清潔,或根據需求放入紫外線箱中另外照射以加強固化。樹脂原料有些刺鼻、易燃且保存期限較短,新舊樹脂不可混合使用,材料價格相對其他兩種技術較高;但SLA技術的成品表面最光滑,適合作為精細的造型物或小型零件的原型。



SLA列印完成後尚未從列印平台拆除的成品。)

.優點:
.適合形狀複雜、表面精細的零件
.成品表面光滑,幾乎少有堆疊紋路
.可以呈現最佳細節,非常適合小型物品
.設備有封閉性與整體性且容易操作
.可以列印多種屬性的材料


(使用SLA技術的DWS 3D列印機並組裝完成的裝甲機器人,擁有許多細節及光滑表面。)

.缺點:
.原料常有化學刺激性或刺鼻味及易燃
.後處理常需額外使用酒精
.材料具有黏性,須注意環境清潔
.通常需要支撐結構,後處理較費時
.與其他兩種技術相比,可列印體積相對較小
.通常成品的堅固性相較其他兩種技術較低
.中空設計的零件須建立讓未固化樹脂流出的小孔

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(三)SLS(雷射粉末燒結)技術及應用
SLS技術使用粉末聚合物作為3D列印的原料,將粉末倒入機器中,機器內部會將薄層粉末來回鋪平在列印範圍,再以雷射光融合材料,並透過微幅的高度升降堆疊並完成印品。由於粉末列印材料會填滿整個內部空間,因此不須使用支撐結構輔助成型(因為整體在列印完成前是緊密的粉末,因此不會有中空材料掉落的問題),未使用完的粉末可以透過專用設備過篩後再與新的粉末混合使用。​


SLS技術適合設計結構複雜、可動性高且懸空細節多的作品,成品為霧面質感,不易產生堆疊紋理。在初期設置和維護方面,SLS是三種3D列印技術中成本較高的,使用設備的難度和複雜性相對高於前述的FFF及SLA技術。建議每次進行3D列印時都盡可能的使用整個機器內部的列印體積以避免浪費粉末。



(圖為工作人員正在處理Sinterit列印完成後多餘的粉末。)

.優點
.成品呈現霧面、細緻的磨砂質感
.少有堆疊紋理
.零件具有較高的可動性及機械性能
.列印時不需要支撐結構及材料
.部分材料具有高耐溫及抗化學性
.完成品相對其他兩種技術通常更堅固



(使用SLS技術適合製作複雜的機械結構,並能在單次3D列印中一體成形。)

.缺點
.設備相對較大
.須配戴口罩進行後處理以防吸入粉塵
.材料種類或顏色選擇較少
.設備和材料相對價格較高,操作和維護需要初步學習
.需要處理後加工和回收粉末


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四、重點歸納

FDM熱熔融層積技術經濟實惠因此最為常見,由於體積較小且操作容易,一般中小企業也能快速上手,同時只需要最少的後加工和廢料處理。由於最多人使用,相關資源及教學討論也較多;但也由於開發相對容易,市面上充斥品質參差不齊的品牌,選購時需多方比較。

SLA光固化技術非常適合列印具有複雜細節的小型物件、公仔、造型物體、珠寶等;成品表面光滑、可以呈現複雜紋理,在三種技術中的物理性和機械性較少。

SLS雷射粉末燒結則具有最佳的機械性、功能性,強調工業原型的應用,表面呈霧面質感、無須支撐且成品相對堅固耐用;但相對而言操作難度較高,需配戴口罩清除粉末。

三種技術各有所長,沒有所謂好壞之分,只要設計得宜都能3D列印出活動式結構與彈性材質;這些桌上型3D列印機器大小合適,可以直接在公司內部進行快速原型,並有效縮短開發時間和成本。

我們希望讓更多人了解3D列印的內容,也會持續分享相關的知識;無論是自己生產製造或是代工需求,對於技術的了解都有助於做最適合的選擇。如果對相關內容有興趣,可以參考我們的其他文章。也歡迎關注我們的FB動態,所有的最新消息都會公布在上面,讓你隨時跟上最新技術!

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