本期文章

掌握未來的關鍵技術 - 3D Printing

撰文/陳韋哲    

18世紀的60年代,以珍妮機為始的發明與應用成為工業革命興起的指標,並且由蒸汽機作為第一次工業革命的主要標誌。之後,隨著工業生產中機器生產,逐漸取代傳統的手工操作模式,新型的生產組織形式,因此造就了資產階級工廠。而第二次工業革命的特色著重在於新技術,尤其是電力、內燃發動機、新材料以及物質、合金和化學品、電報和無線電等的通訊技術。



3D Printing的創意與優勢



根據英國「經濟學人」雜誌指出,人類生活已邁入第三次工業革命(又稱數位化革命)的時代,數位化革命使得傳統工業變得更加智慧化、自動化,從而減少了工作成本,讓整個社會的運作模式徹底改變。而這當中又以3D Printing最能代表第三次工業革命的精神,只需要擁有一個頗具創意的想法並將之設計成3D設計圖,再加上一台3D印表機,以及專屬的列印材料,人人都能夠印製出專屬於個人的客製化物件(或是當做商品進行販售)。



而3D Printing技術是起源於快速成型(Rapid Prototyping,RP)技術,而RP指的是一種可以在幾個小時之內,從使用CAD輔助軟體所設計出的3D模型,直接製出對應1比1模型尺寸大小的新技術。快速成型技術能夠任意製作出複雜形狀亦或是結構細微的模型,捨棄傳統使用切削加工的種種限制,並且免除以手工製作模型容易失真的狀況,更重要的是,再也無需高價的模具製作費用。



3D Printing原理與格式



前面有提到3D Printing的設計過程是透過CAD軟體或是電腦動畫建模軟體設計好3D模型設計圖後,再將已設計好的3D模型圖處理成一層層的平面截面,最後使用印表機進行逐層列印的動作。目前較常使用的3D設計檔案格式為STL(單色)與PLY(支援彩色與貼圖),而STL是使用三角面來設計出類似物體的表面,只要三角面越小,則產生的表面解析度就越高。至於PLY則是使用掃描方式產生3D設計檔案的掃瞄機,所產生的檔案為VRML及WRL格式。



3D列印中的粉墨成型技術,是將每一層的列印過程分為兩個步驟來依序進行,一開始先在需要成型的區域噴灑上一層專屬膠水,噴灑上的專屬膠水液滴非常細小,所以不易發生擴散的狀況。緊接著噴灑上一層均勻的粉末,當粉末接觸到膠水後便會馬上產生固化黏結現象,而其餘未沾染到專屬膠水的區域則為非固化黏結狀態。以一層膠水一層粉末的交互進行噴灑模式,實體模型便會慢慢一層層地成型完成,最後,其餘未使用到的剩餘粉末仍可重複回收使用。



由於在進行3D列印的過程中所使用到的專屬膠水以及粉末,皆是經由特別程序處理過的專屬材料,所以材料除了會影響到固化的狀況表現,在列印成品的解析度與成品的強硬度方面皆有相當大的關聯性。目前3D列印技術已經能夠達到600 dpi高解析度,再加上,列印出的每一層厚度僅為0.01mm,即便實體成品表面上的文字亦能清楚呈現。



若要說明3D印表機與普通平面印表機的相似處,「材料」可說是3D印表機的「噴墨墨水」。智茂資訊技術總監蔡智淵先生表示:「目前所印製出的3D實體模型大多可進行事後的加工與修飾,例如鑽孔、電鍍、上色、打磨等。」不過,若採用的是石膏材料,因其特性關係,這類材質印製出的實體模型不宜進行鑽孔加工,以避免造成成品碎裂。



常見之3D Printing列印工法



目前較為常見的3D Printing有五種工法,簡介如下:



1. SLA:



立體印刷法(Stereo lithography Appearance,SLA)技術是以光敏樹脂為原料,採用電腦控制下的UV Laser以預定原型各分層截面的輪廓為軌跡逐點進行掃描,讓被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應後固化,並形成薄層截面,當一層固化後,工作台將往上或往下移,在固化光敏樹脂表面形成新的液態樹脂,接著再進型新一層的掃描與固化。SLA技術成形速度較快,且精度較高,但樹脂固化過程中產生收縮,往往會產生變形的問題。



2. SLS:



雷射燒結成形(Selective Laser Sintering,SLS)技術原理為,按照電腦所輸出的原型分層輪廓,採用雷射光束在指定的路徑上有選擇地掃描,並熔融工作台上既薄又均勻鋪層的材料粉末,經過一層掃描後,再向上(下)移動工作平台,控制完成新一層的燒結(燒結是把粉狀物料轉變為緻密體的製程技術)。SLS技術與SLA技術有許多的相似點。



3. LOM:



層疊實體製造法(Laminated Object Modeling,LOM)是將單面塗有熱溶膠的箔材(由紙、陶瓷箔、金屬箔等材料所組成)透過熱輥加熱相黏結,而位在上方的雷射器會遵循CAD分層模型所獲得的資料,使用雷射束將箔材切割成所製零件的內外輪廓,然後新的一層箔材再疊加在上面,透過熱壓裝置與下面已切割層黏結,雷射束再次切割,在每一層進行切割與黏結的過程,直至整個零件模型製作完成。



4.FDM:



目前運用熔融沉積法(Fused Deposition Modeling,FDM)列印技術的3D印表機大都使用ABS作為列印材料(亦有使用PLA材料)。在強度、耐熱程度方面皆可達到傳統ABS射出成型品80%的品質,讓ABS成為目前使用最為廣泛的列印材料。熔融沉積法材料是以線狀線軸供給,當線狀經過高溫加熱的送料頭便會熔化,接著從噴出口成為薄型的帶狀物,當溫度低於固化溫度時就會開始固化,經過層層堆疊形成最終的實體成品。



5. 3DP:



三維粉末黏結(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)技術是由美國麻省理工學院所開發,使用的材料為粉末(例如:陶瓷、金屬、塑料粉末),該列印技術的原理是,先鋪上一層粉末,接著使用噴嘴將專屬膠水噴灑在需要成型的區域,以便讓材料粉末與膠水黏結,形成一層層平面截面,反覆上述動作(鋪粉與噴膠)層層堆疊,最後列印出實體模型。該列印技術除了擁有快速列印的優點之外,亦能以全彩的形式呈現,以及無需支撐結構,優於其他3D列印技術。



3D Printing技術優缺點



縱括上述所提到的3D列印技術,當中以FDM技術所使用的機械結構最為簡單,而且在設計上也相當容易,加上不需要使用支撐材,是目前3D印表機裡最常見到的列印技術,平價的FDM 3D印表機也有增多的趨勢。但FDM技術卻是目前3D列印技術中精度最差的,受限於熔融原料的方式,以致於所形成的塗佈層無法更薄化,所以目前大多用在教育或是個人市場。



FDM技術常用的列印材料為ABS與PLA,雖然ABS材料的強硬度較高,但列印時產生的臭味明顯(須在通風良好處進行列印)而且具有毒性,因此目前國外有將列印材料轉向改用PLA材料的趨勢。國航科技台灣區總代理單志隆先生也表示:「PLA材料不僅具有環保概念,在進行列印時也不會有產生臭味的問題,不過,由於PLA材料具有分解的特性,所以應用該材料所印製出來的實體成品往往超過兩個月便開始會有分解的狀況產生。」



而SLA技術的優勢則是印製速度快,且完成的實體成品精度也高,適合應用在結構較為複雜的模型。至於能夠支援以24Bit全彩的3D列印技術就以3DP列印技術最為出色,目前能夠全彩列印的3D印表機主要為Z Corp.公司旗下的Zprinter列表機系列(目前為獨家3D彩色列印技術),最高能夠輸出39萬色,但缺點是所搭配使用的列印材料為石膏,實體成品會有不耐擠壓以及易發生碎裂等問題。



結論



雖然目前3D印表機的售價還尚未達到能夠讓一般家庭普遍接受購買的階段,以及能選用的材料種類有限,再加上目前大多的3D印表機只能接受單一材料,這些都是3D印表機邁向更大市場的挑戰所在。不過,隨著技術不斷地演進與創新,3D Printing對於製造及設計產業的影響將是無庸置疑的,相信2013年將是很關鍵的一年。


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