40e8e1a58df6b50b6fea078d88065c74 3D印表機在過去幾個月以來吸引了大眾的目光,不論是被媒體譽為新一波工業革命,或是更為新穎的「自造者革命」詞彙,但不可否認的是未來的確是個值得重視的製造技術。本文不批判3D列印是否又是另一種商業手段,而是把重點放在現今的3D成型技術介紹。

1980 年代開始實現

3D 印表機這個詞彙出現以前,更常被人們所提及的是快速成型(RP,Rapid Prototyping),從英文直接翻譯就得知,這是在正式開模大量生產之前所製造的樣品,用於校驗最終設計是否有問題。在 1980 年代,美國和日本的研究者開始紛紛製造出能夠實作快速成型的機器,其中最有名的就是美國 Charles W. Hull 所提出的 SLA(Stereolithography Apparatus)立體平板印刷技術,同時也建構出目前快速成型經常使用的 .stl 檔。


▲Charles W. Hull 解釋 Stereolithography Apparatus 的運作原理。

至於為何近期 3D 印表機會被炒作起來,這都得要感謝部分快速成型專利過期以及 RepRap 這個開源專案的進行,使得過去價位高不可攀的機器搖身一變,化為消費者桌上那台小小的機器。

切層、堆疊、加法製造

3D 列印的原理其實相當簡單,也就是目前我們使用的印表機 3D 版,將印出來的紙張層層堆疊,就會有個立體 3 維的形狀跑出來。如果將目前的印表機墨水替換成噴出後即可硬化固定的材質,再把噴頭從原本的 2 維移動(噴墨頭左右移動視為 X 軸、紙張饋紙視為 Y 軸),改為 3 維移動(加入噴墨頭高度的 Z 軸),就是目前 3D 印表機的基礎原理。

過往我們在列印報告時,會先在文書編輯軟體或是相片編輯軟體內將內容填好,按下列印後印表機即會以一條一條的方式在紙張上噴出墨水,最終吐出成品。3D 列印也是如此,先在電腦中繪製完畢想要列印的 3D 物體,再送入切層軟體中輸出 G-code(工業製造中所使用的語言,內含控制機器移動的參數或相關指令),此 G-code 即可控制 3D 印表機印出所繪製的物體。

3D 印表機接收到 G-code 之後,便會把噴頭吐出的東西繪製成 1 個平面,接著再一個個地讓平面堆疊上去,即可形成 3D 立體的成品。

目前世界上有 3 家公司在快速成型業界非常有名:3D Systems、Stratasys、MakerBot Industries,只不過後者在去年年中時被 Stratasys 併購,但可做為 1 個獨立品牌服務消費和桌上型市場。而讀者則可將 3D Systems 視為傳統高階快速成型的代表,MakerBot Industries 則是一般家用市場的推手,事實上 MakerBot Industries 的創立者之一 Zach "Hoeken" Smith 也是 RepRap 的創立者之一(MakerBot Industries 的 3D 印表機 Replicator 後來走向閉源,招致開源社群許多批評)。

3D 成型的分類

前段筆者簡易說明了 3D 印表機的成型原理,但其實在實作上卻有許多不同的分野,從材質到固化方式皆有不同,以下分為幾個部分慢慢介紹。

FDM(熔融沉積成型)

FDM(Fused Deposition Modeling)又稱 FFM(Fused Filament Fabrication),名稱不同主要是為了避開專利問題,其核心技術是相同的。首先將使用的材料加熱到一定的溫度後,形成半熔融狀態,將材料擠出在平面的架子上後迅速回復成固態。如此反覆進行堆疊作業,即可印出立體物件。

在比較高階的機器中,藉由多個噴頭和列印材料,可列印出多色物件,甚至是將支撐材料和成型材料分開,由於支撐材料只是提供物件在列印中途的支撐,因此強度不需太高,以方便移除為主。但在一般的消費市場的 FDM 印表機,經常只有 1 個噴頭,只能列印單色物件,也沒有額外的支撐材料,支撐部分就用列印密度較低的成型材料代替。

支撐

在快速成型時用以支撐半成品的部分,譬如 1 個陀螺若是以一般底部朝下的方式列印,將無法印出或是印出品質不佳(斜邊部分相當於列印在空氣中,沒有地方附著)。此時可在切層軟體中設定支撐,就像是蓋房子的鷹架一樣,支撐物件結構,等到列印完成時即可移除。在快速成型技術中,FDM、DLP、SLA 都需要支撐結構。

因為 FDM 的相關建置門檻較低,因此成為目前民用市場頗受歡迎的 3D 列印技術。常見的材料分為 ABS 和 PLA(聚乳酸)這 2 種,ABS 的強度高於 PLA,可惜的是在列印的加熱過程中會釋出比較毒的氣體,其列印成品的熱脹冷縮也比較厲害,容易產生翹曲導致列印失敗,因此底板需要持續不斷的加熱,3D 印表機最好也要有罩子蓋住避免溫差過大。PLA 的強度較 ABS 弱一些,但若是使用在日常生活中不靠近熱源的應用足堪負荷(PLA 遇熱會變軟),列印過程也比較沒有異味,因此在家庭中較適合使用。


▲Solid Concepts 的 FDM 列印說明影片。

LOM(層狀物體製造)

LOM(Laminated Object Manufacturing)的印製過程相當類似點陣式印表機的列印方式,點陣式印表機利用撞針打到色帶上,色帶再打到紙上將墨轉印;而 LOM 則是將色帶換成塑料薄膜、撞針替換成雷射或刀具,利用雷射或刀具將塑料薄膜切成所需形狀,再一層層使用膠水黏貼,堆出立體物件。此種製造方式相較 FDM,可做出實心物體(FDM 因為列印速度和省料的關係,物件內部通常不是實心的,而是利用不同的結構保持表面完整,就像蜂巢一樣),列印速度也比較快一些,可惜此種製造方式的廢料較多,越接近印表機的列印極限大小,才會比較划算。


▲Solido 公司的 LOM 列印方式介紹影片。

DLP(數位光處理)

DLP(Digital Light Processing),又稱 FTI(Film Transfer Imaging),利用德州儀器的 DLP 投影技術,將切片後的一片片圖案照射在光固化樹脂上,一層做完後就將物件稍微提高,再次投射下一層的圖案,如此反覆堆疊就會形成物件。

DLP 所製造的立體物件精細度相當不錯,不用打磨即可立即販售,但是光固化樹脂的硬度受到許多變因影響,未顯影的光固化樹脂也會因為時間推移慢慢變硬無法使用,加上耗材比較貴的關係,適合製作模型、玩具等強調表面精細度不強調硬度的產品,或是翻模使用。在消費市場和 FDM 算是互補的技術,想要機械強度用 FDM、想要表面精細度就找 DLP。


▲DLP 列印方式介紹影片,注意影片使用了縮時攝影。

SLA(立體平板印刷)

SLA 身為第一種實用化的快速成型方式,其列印方式和 DLP 類似。利用雷射(最初為紫外線,現在發展成任何高能量光束皆可)照射光固化樹脂後形成 1 片硬質切片,接著將模型往樹脂內部沉浸,再用雷射照射硬化下一層。與 DLP 不同的是,DLP 在製造過程中將物件逐步拉出光固化樹脂,而 SLA 是逐步的將物件沉入光固化樹脂,兩者使用的光源也不相同,DLP 使用燈泡照射,而燈泡的亮度會因為時間而逐漸變弱,須注意光照強度問題。


▲3D Systems 的 SLA 列印方式介紹影片。

3DP(3D 列印)

3DP(3D Printer)也可稱為 Plaster-based 3D printing 或 Powder bed and inkjet head 3D printing,翻成中文就是膠水固化噴印或其他類似的名稱。首先在平台上鋪上薄薄的粉,利用印表機噴頭噴出膠水,將所需的部分黏著在一起;接著再往上鋪 1 層粉,再度噴出膠水將粉末黏著。最終膠水四周未被噴到的粉末被吸走回收再利用,被膠水黏住的部分就會是立體物件。

也因為其成型方式類似噴墨印表機,所以在成形時能夠在白色粉末上噴出 CMYK 彩色的膠水,因此成型後的物件可帶有顏色,僅需將其表面塗上 1 層保護漆封住表層和增加顏色對比。


▲Z Corporation 的 3DP 介紹影片(Z Corporation 於 2012 年被 3D Systems 收購)。

SLS(選擇性雷射燒結)

將 3DP 的膠水換成雷射,將粉末內部的黏合劑加熱到一定溫度之後,便會黏著在一起,即是 SLS(Selective Laser Sintering),使用的材料從塑料到金屬粉末皆可。


▲C&EN 的 SLS 介紹影片。

SLM(選擇性雷射熔化)

將 SLS 的雷射功率再加高,就會是 SLM(Selective Laser Melting)或稱作 DMLS(Direct Metal Laser Sintering)。這種 3D 列印技術主要的材料以金屬為主,將金屬粉末以高能量雷射加熱到變成液態,便可和附近的材料融合在一起,機械強度很不錯,幾乎和開模澆鑄產品相同,列印出來後即可直接使用。

SLS 和 SLM 的不同點在於 SLS 的溫度比較低,材料也比較多元,而 SLM 的溫度比較高,適合金屬材料製造。如果把 SLM 的雷射換成電子束,就會變成 EBM(Electron Beam Melting),但 EBM 需要預熱金屬粉末和在真空下製造,因此適合以一些容易氧化的金屬(鈦)做為材料。


▲SLM 的介紹影片。

再過幾年會更好

如同開頭所述,這幾年各家的快速成型專利將陸續到期,原本只能在高階產品上看見的功能很快就會下放。目前網拍須自行組裝的 Prusa i3 約新台幣 15,000元(FDM),已經是一般使用者能夠負擔得起的「玩具」,未來更多廠商投入這一塊市場,價格只會往下掉而已。

筆者之所以稱之為玩具,是因為一般人買來的用途有限,除了上 Thingiverse 抓別人的 3D 模型來列印之外,如果自己不會使用 CAD(Computer Aided Design)相關軟體,有能力自行設計想要的東西並列印出來,那麼 3D 印表機真的只是個玩具而已,自行列印個衣夾出來,還不如走到巷口的雜貨店買 1 個,更便宜品質也更好。

對於部分更為客製化的產品(齒模、紀念商品……),則是能夠以更低的成本製造(相反的,大量同質性高的產品適用傳統開模方式),一方面也是鼓勵文化創意產業的蓬勃發展。

 

延伸閱讀:

價格很殺!3D 印表機da Vinci 1.0 列印初體驗

第一支使用3D 列印的金屬槍枝面世,而且完全合法

微軟這回好像做對事了!Windows 8.1 直接支援3D列印

使用 Facebook 留言

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則