不只有 FDM、SLA!七種常見 3D 列印成型技術原理大集合

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3D列印(3D printing)是一種快速成型且少量製作時可以優先考量的製作方法,只要將數位的3D CAD檔案輸入機台中,機台就會分析模型每一個獨立的橫切面,射出物料以層層堆疊的方式,將物件成型,比起傳統的開模製造,時間上更快速,對於要少量製作的人更具有成本效益。

市面上常見的 3D 列印技術包含,FDM(熱熔融層積)、SLA(光固化)和 SLS(雷射粉末燒結)⋯⋯但其實美國材料試驗協會(ASTM)一共將技術分成七種:

但是,在認識 3D 列印前⋯⋯必須先有「支撐材」的概念。

「支撐材」是大部分 3D 列印時會產生的必要輔助材料。當要製作的成品有懸空的結構時,製作過程就會需要支撐材來避免材料受地心引力影響往下掉,影響成品效果,等到最後全部製作完成後,再將支撐材去除。至於去除支撐材的方法,也會因為所用的材料、製程和機台的差異而有所不同,有些機台在初期的時候就會先幫你分類好材料了!

當然,少數技術受惠製程而不需要支撐材,以下分類時將會說明。那麼,讓我們開始認識 3D 列印的製程吧!

1. 材料擠製成型:FDM、FFM

材料擠製成型技術,原文Material Extrusion,此分類下的技術包含熱熔推疊層積(Fused Deposition Modeling,FDM)、熱熔長絲製造(Fused Filament Fabrication,FFF)。

這個製程和熱熔膠槍原理相似,機台會將塑料長絲加熱到半熔融狀態,並通過噴嘴擠出材料,依序在機台的高溫底板上堆疊,冷卻後就會形成固態成品。材料擠製成型會有支撐材需要處理,也有機台直接將支撐材和主物件的材料分開。

FDM 和 FFF 的技術一樣,差別在於 FDM 最初是 S. Scott Crump 發明,也是其共同創辦的Stratasys公司商標術語。專利到期後,開源社群便開始研究開發,其中 RepRap 開源硬體專案將這個技術稱為 FFF 讓每個人都可以討論與使用。

因此談到兩者名稱的差異,FDM 最初是用於工業應用和專業印刷中使用的機器,而 FFF 的設備則主要為業餘愛好者使用。 不過現在多數人在稱呼時都會混著使用,因為製程上沒有太大的差別。

材料擠製成型的優點是材料選擇性多,常見的材料為塑料ABS、PLA,甚至現在應用到食物上。缺點是它製作出的成品堆疊紋路明顯,印刷品質也會影響到成品的強度,整體來說是個精密度相較其他3D列印技術較低、製作速度也較慢的工法。但正因為技術較低,除了機台以外不需要額外設備,也是許多人入門 3D 列印製造的首選。

2. 光固化技術:SLA、DLP

光固化技術,英文名 Vat PhotoPolymerization。它是一種用光照射液態樹脂,讓樹脂一層一層硬化成型的製造方式。

機台會有填滿樹脂的凹槽,而成型的列印平台也會浸泡在裡面,依照機台設計分為由上往下成型和由下往上成型兩種。由上往下堆疊成型是當雷射從上方照射後,平台向下沈,一層一層硬化後,再全部升起。

光固化SLA的機台由上往下成型,最後再升起。

另一種由下往上是機台底部光束照射後,平台從凹槽中直接向上升起成型。

同樣是光固化SLA機台,這台桌上型就是由下往上升起成型。

而依照射方式和光來源不同,光固化又分為立體平板印刷 (Stereolithography Apparatus,SLA) 和數位光處理 (Digital Light Processing,DLP) 兩種技術,SLA用雷射光依照機台指令描繪出圖樣;DLP 則是用數位投影,一次繪製就是一整層,更可以縮短列印時間。

這樣的製造方式也造就了 SLA 適合一次列印多個精細物件或大型精細物件,DLP 則適合列印單一個精細物件或是快速列印大型物件。

SLA 用雷射光依照機台指令描繪出圖樣;DLP 則是以數位投影繪製一次成型一層,圖片來源:kkrobotic forum
SLA 由點線與 DLP投影矩形像素構圖的差異。圖片來源:kkrobotic forum
成型細節有所差異,圖片來源:formlabs

因為光敏液態樹脂的關係,成型前需要在通風良好處製作,通常一次成品的強度與耐熱度都比較低,會需要二次固化才能確保成品硬度。

光固化技術因成品表面光滑細緻,適合製作高精度與複雜物件,如客製化耳機、牙科模型,使用陶瓷樹脂也可以製作成結構繁複的陶藝品。而知名運動品牌 Adidas 也曾與 Carbon 合作使用類似 DLP 技術用來製作結構複雜 Futurecraft 4D運動鞋的中底。

SLA製作的客製化耳塞,圖片來源:加點製造

3. 粉體熔融成型技術:SLS、SLM

粉體熔化成型技術,英文 Powder Bed Fusion,簡稱 PBF,是一種將原料粉末平鋪在機器平台上,利用熱能來燒結粉末,讓粉末黏在一起成型的技術。成型後的成品會被埋在粉末堆中,後續需要將粉末清除乾淨。

粉體熔化成型技術的材料可以是塑膠、金屬、陶瓷等粉末,成型方式因為埋在粉末裡,因此不需要支撐材(或極少量),透過燒結在一起,因此成品是霧面的,不太會有堆疊痕跡,適合用來製作結構複雜、細節多的物件。

技術依照時間先後有選擇性雷射燒結 (Selective Laser Sintering,SLS) 、直接金屬雷射燒結技術 (Direct Metal Laser-Sintering,DMLS) 和選擇性雷射熔化 (Selective Laser Melting,SLM) 。其實他們的工法都類似,實際的差異在於專利申請。

一般來說 SLS 不會讓材料完全融化、多用在塑料上,DMLS 和 SLM 都是用在金屬,但是 SLM 的溫度高到足以將整個金屬粉末溶化成均勻的狀態,因此通常用在熔點統一的純金屬上,反之 DMLS 多用在合金。

相較前兩種技術,粉體熔化成型比較堅固,適合用來作為機械結構,在航空、汽車和醫療等領域都會運用到它。唯一的缺點在於金屬 3D 列印機和金屬粉末非常昂貴,而且後續的清潔成品、粉末處理都需要費用,因此比較不那麼常見。

Mercedes-Benz的 3D列印金屬零件,圖片來源:Mercedes-Benz

4. 黏著劑噴膠成型:Binder Jetting

黏著劑噴膠成型,英文 Binder Jetting,又稱 3D 噴塗黏結法(3D Printing and Gluing,簡稱 3DPG)。成型方式和粉體熔化成型有點像,差別在於機台的噴頭不是雷射光,而是像是列印機般,將膠水(如果是成品是彩色的話,這時候也會加入墨水)噴到粉末裡、把部分的粉末黏住,形成一層形狀後,平台再往下移動產生新粉末層,膠水再噴新粉末層,重複這個動作時,膠水會往下滲透,疊加誕生成品,過程中不需要支撐材,也可以製作較為複雜的結構。

機器噴頭將膠水噴到粉末裡,黏住形成一層形狀後,平台往下移動產生新粉末層,膠水再噴下一層並且滲透後,重複這個動作而疊加製成物件的技術。圖片來源:3D HUBS
實際運作時的樣子!

黏著劑噴膠成型可以用在製造全色原型、生產大型砂模製造模具以及製造低成本3D列印金屬零件等等,以石膏粉、陶瓷材料和金屬材料為主。

黏著劑噴膠成型可以製作多彩的原型,圖為倫敦設計師 Adam Nathaniel Furman 為英國廣播公司 ITV ident 設計抽象雕塑。圖片來源:Adam Nathaniel Furman
鑄造模具,圖片來源:3D HUBS

因為成品非常脆、孔隙較大,所以不會直接拿來當作機構件,若是拿來製造金屬零件,則會需要多一道燒結來加強結構。而同樣是金屬零件,黏著劑噴膠成型與粉體熔融成型製作的零件相比,前者成本遠低於後者,只是燒結後強度仍比較低,適合用來製作一定數量、有複雜結構但強度要求不高的零件。

高精度的黏著劑噴膠成型技術 3D列印的 M5 螺絲,圖片來源:AMFG
美國設計工作室 Objects and Ideograms 利用碳酸鈣仿造天然珊瑚骨架,讓珊瑚得以繁殖。圖片來源:Objects and Ideograms

5. 材料噴塗成型:Material Jetting

材料噴塗成型,英文 Material Jetting,製作物品的方式是一邊噴出液態的熱固性材料,一邊用紫外線光、熱能固化,比起材料擠製成型更快速製造。需要支撐材,會在後處理時清除掉,使用的常見材料像是光固化塑膠丙烯酸、金屬、蠟等材料,而且可以在同一個零件上列印不同材料。

機器噴頭噴出液態的熱固性光敏聚合物,同時在 UV光線照射下固化。圖片來源:3D HUBS

而材料噴塗成型的技術中常見的像是:依照需求列印的 DOD 噴墨法(Drop-On-Demand)、超薄層堆疊的 PolyJet 3D 和奈米等級的NPJ(NanoParticule Jetting)。

Massive 3D 1800 超大型列印機就應用了材料噴塗技術

DOD 常用於脫蠟鑄造的模具製造,機台有兩個噴頭,一個列印主結構,另一個負責支撐材,會按照路徑以點狀的方式建構物件,同時機台以抹刀快速切削,確保列印下一層前有平整的表面。因為分別使用不同熔點的蠟材質當做材料,所以可以輕鬆去除支撐結構。

DOD噴蠟 3D 列印,藍色為主結構,白色為支撐材。圖片來源:3dprinterclassifieds

PolyJet 3D 和 DOD 類似,只是機台內有數個小噴嘴,可以一次快速列印一層,以超薄層將材料建構成成品。而多噴頭的設計也可以在製程中在不同區域指定不同材料、顏色,因此可以做出複雜且多色的成品。

PolyJet 3D可以做出細緻且色彩豐富的模型,圖片來源:
Stratasys

最後的 NPJ 是 XJet 的專利技術,和 PolyJet 3D 相似,只是材料又更小,以奈米大小的金屬或陶瓷粒子作為材料,超薄地噴到列印平台上,而且列印室的高溫會直接讓支撐材蒸發只留下主件。

材料噴塗成型可以印出光滑而精密的成品,而它也是最精密的 3D 列印成型方式,但缺點是成本較高、成品也是最脆弱的,所以通常都是拿來製作逼真、美型的物品,例如藝術品、模型,而不是當機構零件。

6. 疊層製造成型:LOM

將材料放在機台平面上,透過雷切或 CNC 加工切出所需形狀,再新增下一層的同時以黏合劑、超聲波焊接或銅焊來黏合薄片,再反覆疊加成物件,此技術又稱分層實體製造(Laminated Object Manufacturing,LOM)。

材料可以使用紙張、聚合物、陶瓷和金屬等,每種材料都使用不同的黏合方法,強度也取決層壓技術,甚至可以在分層階段的時候就將 OEM 組件(例如傳感器,電線等)嵌入到零件中。

7. 指向性能量沉積技術:LENS、EBM

指向性能量沉積技術,英文Directed Energy Deposition(DED),是一種將粉末材料融化來製作物品的製成,主要使用的材料是金屬粉末或金屬絲,因此也被稱為金屬沉積技術。其應用常見如 雷射淨型加工技術(Laser Engineered Net Shaping, LENS)、電子束熔化成型(Electron Beam Melting, EBM)。

雷射光淨成型技術(Laser Engineered Net Shaping, LENS)是由雷射光、粉末噴嘴與惰性氣體管組成的噴嘴來成型,以雷射光融化金屬粉末的同時,惰性氣體保護,惰性氣體保護雷射光和熔體不受污染。

電子束熔化成型(Electron Beam Melting,EBM),和前者雷射光淨成型技術相像,但是用電子光束當作熱源做焊接,比前者更有效率,而且可以在真空狀態成型。

左圖片來源: researchgate;EBM 多用於航太零件,右圖片來源:Redshift

目前指向性能量沉積技術廣泛於航空運輸、國防、石油和天然氣等行業,像是飛機、難熔金屬零件、彈道材料工具修理和船舶等等。比 SLM 技術或者 DMLS 技術更符合金屬粘合劑噴射零件可用作功能部件,並且比 SLM 或 DMLS 金屬零件更符合成本效益,不過機械性能還是相較差一些。

最後小總結

簡單介紹基本 3D 列印的製作方式,目前因為成本考量上多數工業和系統機台廣泛使用材料擠製 FDM 和光聚合固化 SLA,但其他製作方式仍有不同的優勢,例如當要製作大型金屬零件時,使用黏著劑噴膠成型製作模具,可以有效達到成本的控管;要製作精美藝術品時,材料噴塗成型可能是不錯的選擇。

當然,產品設計師可以針對成品的用途、使用原料、外觀效果,來選擇 3D 列印方式,但實際上要如何達到最佳效果與成本效益,就建議和製造端討論了!

尋找廠商:3D 列印

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最後修改日期: 22 3 月, 2021