不再煩惱用哪種 3D 列印!三大方向、六張圖表:簡單選擇合適的快速成型法

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編按:繼《不只有 FDM、SLA!七種常見 3D 列印成型技術原理大集合》介紹不同 3D 列印的製程、優缺點後,這次選了這篇文提供各位幾種能快速選擇 3D 列印的方法,供各位設計師、產品開發團隊參考!

本文內的圖表可以快速參考找出最符合設計需求的製程,而為了讓資訊不會過時,可以持續幫助到讀者,接下來都以概括式的方式做解說。
選擇製程時,主要可以從三個方向做篩選分類:

  • 使用的材料
  • 產品特徵(外觀、功能)
  • 特定製程能力(精度、規定尺寸等等)

1. 透過材料選擇製程

3D 列印材料的形式通常是細絲、粉末或是膠狀。塑膠和金屬是 3D 列印中最常使用的兩種材料,其他還有陶瓷、複合材料⋯⋯等等,塑膠可以細分為熱塑性塑膠和熱固性塑膠。如果確定使用材料,製程就會相對容易做選擇,因為技術間可以共同使用的材料不多,一但相同,就會是成本、成品品質、生產速度之間的比較。

3D列印-材料選擇製程

熱塑性塑膠

熱塑性塑膠適合用在機構件,它們有良好的力學性能、高衝擊、耐磨性和耐化學性,也可以加入碳、玻璃或其他添加劑來增強其物理性能。尼龍、PEI 和 ASA 等工程用熱塑性塑料就會被拿來生產工業零件。

以熱塑性塑膠為材料的製程主要有兩種,分別是:材料擠壓成形的熱熔推疊層積 ( FDM ) 和粉體熔化成型技術的選擇性雷射燒結 ( SLS ) 。

SLS 製作的零件有較好的力學性能、物理性能和尺寸精度,但是 FDM 的成本比較低,而且生產速度更快。使用 SLS 的常見材料有尼龍、TPU;而 FDM 則是 PLA、ABS、PETG、尼龍、PEI ( ULTEM ) 、ASA、TPU。

下面的金字塔表列出 3D 列印常見的熱塑性塑膠,金字塔越上端的材料,機械性能越好,但因成本考量而有量產困難。

3D 列印常見的熱塑性塑膠,金字塔越上端的材料,機械性能越好

熱固性塑膠

熱固性塑膠比起熱塑性塑膠更適合用在注重外觀的產品上,因為它們可以生產出表面光滑又細緻的零件。通常這些零件的硬度不低,但因為比熱塑性塑料更容易斷裂,因此比較不會拿來當作機構件,除了一些專門設計給工程用的特殊熱固性塑膠,像是 Formlab 推出的耐用樹脂、堅固樹脂或是牙科用樹脂。

熱固性塑膠會使用兩種光固化製程:材料噴塗成型 (Material Jetting) 和光固化技術 (SLA / DLP),前者可以製作高精度和有更光滑表面的零件,但是相對的成本也比較高。兩種製程用的材料差不多,包含:標準樹脂、Digital ABS、耐用樹脂、透明樹脂、牙科用樹脂,其中光固化還會用 ABS。

金屬

金屬 3D 列印的零件有很好的力學性能,而且耐高溫,常應用在航太和醫療產業,製程像是直接金屬雷射燒結技術(DMLS)、選擇性雷射熔化(SLM)和黏著劑噴膠成型(Binder Jetting)。

DMLS 和 SLM 製作的零件有良好的力學性能和精度,但是黏著劑噴膠成型的成本可以便宜十倍以上,而且可以製造更大型的零件。所以通常不鏽鋼、鈦和鋁會用 DMLS 或 SLM;不鏽鋼(青銅填充或燒結)會用黏著劑噴膠成型。

其他材料

其他材料也可以進行 3D 列印,但是應用有限,所以沒有被廣泛運用,像是黏著劑噴膠成型可以製作多色彩的陶瓷和砂岩。

【專家小撇步】因為材料是一層層疊加上去的,所以零件不同方向的受力程度會不一樣,尤其是 Z 軸上(高)會更弱,因此設計功能零件時要特別注意。

以不同 3D 列印材料來測試支架強度

2. 根據成品用途選擇流程

先考慮成品是功能取向還是外觀為主可以幫助你選擇製程,一般來說熱塑性塑料更適合功能性應用,而熱固性塑料則是主要做出外觀件。

功能性應用

3D列印-功能條件選擇製程
  • 當在設計會影響其他組件的零件或原型時,定義公差等級很重要,精度高的製程,成本也會比較高,因此也有另一個方法是在 3D 列印後,再用鑽孔、絲攻等後加工完成零件。
  • 零件強度會根據不同的機械與物理性能決定,而快速選擇的方式,可以用「材料的抗拉性」作為標準,而想要高硬度、高剛性時,可以用連續碳纖維(尼龍)搭配金屬 3D 列印或 FDM 來製作。
  • 一些專門的工程 3D 列印材料會有耐熱、阻燃、抗化學腐蝕性、生物相容性或是食安認證。
  • 好彎折、有彈性的狀況可以分為(斷裂前的)高延展性,例如用 SLS 和 FDM 搭配熱塑性塑料 TPU 的製程,或是低硬度,用 SLA / DLP 或材料噴塗搭配像是橡膠一樣的材料。
用連續碳纖維材料搭配選擇性雷射熔化( SLM )而成的腳踏車工具
用連續碳纖維材料搭配選擇性雷射熔化( SLM )而成的腳踏車工具

外觀:

3D列印-外觀條件選擇製程
  • 光固化(SLA / DLP)和材料噴塗成型都能做出接近塑膠射出一樣的光滑零件,但有成本和支撐材的差別:材料噴塗成型的支撐材可以直接溶解,但是光固化技術的支撐材需要再處理,而且表面的痕跡還要拋光、磨砂。
  • 材料噴塗成型能做出完全透明的零件,而光固化零件只能先製作半透明的成品,再透過後加工來達到接近 100% 透光的成品。
  • 木材、金屬漆面等特殊紋理的零件,可以使用木絲或是金屬絲(添加木纖維或是金屬的 PLA 材料),搭配 FDM 製作;仿橡膠材質做出來的零件比較軟(邵氏硬度 <70A ),可以彎折和擠壓,但沒有真正的橡膠特性。
  • 材料噴塗成型和 黏著劑噴膠成型 是目前唯一可以全彩印刷的製程,前者零件有較好的物理性能,而且能同時使用多種材料製作,因此具有優勢。其他製作方式還有列印後噴漆,或是用雙噴頭的 FDM 列印機。
材料噴塗列印完成的 3D 模型(已經噴漆)
材料噴塗列印完成的 3D 模型(已經噴漆)

3. 根據製程能力選擇

當模型設計完成, 每種 3D 列印技術可以達到的功能會作是選擇時的主要參考,因此全盤了解每種製程的優勢和限制很重要。(延伸閱讀:不只有 FDM、SLA!七種常見 3D 列印成型技術原理大集合

閱讀下面的表格前,有三點先備知識:

  • 精準度(公差)可以達到的細緻程度取決於製程和 3D 列印機台品質,高精準度的製程可以做出更精巧的零件,而工業級機台又比桌上型列印機來得更加精準,而且可重複使用率更高。
  • 確認成品的尺寸是為了確保列印機可以生產,如果超過製程常規限制,建議更換其他製程或是拆分成多個零件來製作。
  • 支撐材決定設計的自由度,不需要支撐材的 SLS 、材料噴塗成型或是用雙料 FDM (其中一個是可以溶解的支撐材料)會比較少限制,可以更簡單做出複雜形式的結構。
3D列印製程建議

層厚度

層厚度是每層樹脂固化的高度,因為 3D 列印的疊加影響,層厚度會影響表面平滑度和可以做出的最小特徵尺寸,通常如果列印品質一樣,較小的層高會讓疊加的凹凸痕跡比較不明顯,可以做出比較細緻的曲面。

3D列印層厚度建議

總結的經驗建議

  • 先確定成品為「機構件」還是「外觀件」。
  • 有兩種製程可以用相同材料製作成品時,再來考量成本和性能。
  • 塑膠機構零件優先選擇熱塑性塑料(用 SLS 或 FDM ),而非熱固性塑料。
  • 追求美觀的外觀件,熱固性塑料(用光固化或材料噴射成型)是最佳選擇。
  • 製作金屬件時,想要性能應用選 DMLS 或SLM,想要降低成本或是大零件選擇黏著劑噴膠成型。
  • 不論是金屬還是塑膠,製作機構件時都應該先考慮需不需要或可不可用 CNC 加工。

本篇原為《Selecting the right 3D printing process》,圖文皆由 3D Hubs 授權提供,加點製造編輯。

延伸閱讀: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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最後修改日期: 4 2 月, 2021

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