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3D列印技術漸成熟 實現快速成型、關鍵零組件製作需求

  • 魏淑芳
新一代3D列印材料與技術,已有研發可用於製作噴射引擎零組件,降低航太零件成本。Monash University

DIGITIMES企劃

3D列印技術被譽為新一波工業革命,或是新潮的「自造者」革命,若以現有的3D列印技術進展觀察,3D列印不但成品材質可在耐用度、材料強度上滿足需求,甚至已有高階航太零組件已嘗試3D列印成型製造技術,解決小批量、高精度製造需求…

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使用3D列印機台,以可直接產出3D成型金屬零組件,在精密度與材料強度均可達工業用途需求。(Mutoh)

3D列印可以說是近年來最熱門製造議題,因為3D列印有別於現有的材料加工成型技術,例如塑膠的注塑成型或是金屬材料的CNC的銑切材料處理方式,以塑膠類的加熱注塑成型,製成品的加工複雜度跟精密度取決於注塑模具的製作品質,而可加熱注塑的材料自然在高溫環境的使用狀況與材料強度也會因此受限,而金屬加工件受限於車床、銑床或CNC加工工法,材料也會有塑型上的極限。

相反地,3D列印技術採用SLA(Stereolithography Apparatus)立體平板印刷技術進行製成物成形,透過層層材料疊印或積層產生立體製作物,在新製作概念下成品的製作複雜度更高,製作多元成品的塑形更不受限,甚至在新一代的是快速成型(Rapid Prototyping;RP)觀念下,跨國工廠的生產物甚至可以透過數據傳輸造型檔,異地使用3D列印技術產製關鍵零組件進行生產,成為新一代智慧製造、智慧工廠常常會被拿出來討論的新穎製作技術。

切層、堆疊、加法製造  形塑3D列印製程

其實3D列印技術原理相當簡單,簡化製程就跟一般使用的印表機輸出成品概念差不多,只是印表機是將碳粉或是墨水印製在紙上,而3D列印為3D版印表機,印製材料為層層加疊印製成為立體造型,將碳粉或墨水更換成可以加熱印製遇冷固化成型的立體物件,也就是原先紙張文件列印僅為X/Y軸印字頭的移動印製,而3D列印將列印材料採X/Y軸印製外、同時針對Z軸適時提高累積印製成品高度,印字頭的3D運行動作自然而然可以建構成3D列印的材料處理過程。

3D列印技術將列印材料自噴頭擠出後繪製成平面,再透過Z軸逐層加高產生列印物件高度,透過逐層列印平面累積堆疊的立體成品,隨著長時間不間斷印製即可形成3D立體成品構造。目前全球已有多家快速成型設備商,有針對工業用途、高精密製程需求開發的設備,亦有中/低偕的家用或個人Maker使用的3D列印平台。

由3D列印成形原理回頭檢視3D成型技術分類就會相當清晰,在3D成型原理下棋時仍有不同實作方案,雖然概念架構相去不遠,但在3D列印材質、固化所採行的機制與方式會因列印材料不同而會有實作上的差異,目前主要有FDM(Fused Deposition Modeling)熔融沉積成型(Fused Filament Fabrication;FFF)、LOM(Laminated Object Manufacturing)層狀物體製造、DLP(Digital Light Processing)數位光處理成型(Film Transfer Imaging;FTI)等不同製作方法。

FDM熔融沉積成型

FDM會另有FFM不同名稱,其實不是技術方案不同,只是為了迴避專利限制市場才會有不同技術稱號,在核心成型技術仍相同的,基本上為先將成型材料加熱增溫到一個半熔程度,形成半熔融狀態時透過類似噴頭的設計擠壓出列印面的線體狀態,透過類似從線至面、累積面列印面至立體物件過程。

影響FDM 3D列印件精密度、完成度與耐用度關鍵,即在列印材加溫再固化過程是否會有體積上的顯著差異,變異量大的材料自然會影響列印件精密度,另半熔材料自噴頭擠出的孔徑尺寸,也直接影響列印件的精密度,而同時材料用於立體物件輸出還需考量列印成品是否容易移除、固化後的表面額外處理、支撐材料的去除便利性等,此會影響製作3D列印件的速度與便利性。

若在個人用的3D列印設備,多數僅設置單一列印材擠出噴頭,列印速度除了偏慢外,列印材料配色較單一化,無法製作多色立體成品,支撐件材料多半為使用現有列印材料替代,也因FDM的技術門檻、設備條件較低,現已成為個人3D列印成型設備主流,列印材料有ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、PLA(Polylactic Acid或Polylactide)聚乳酸,即便ABS製成定型成品的材料強度較高,但實際上加熱熔融過程會產生有毒氣體,列印件也會有較明顯的熱漲冷縮現象,列印件可能在印製過程出現底板翹曲導致列印成型失敗,底板須持續加熱避免列印失誤問題。

PLA材料強度雖稍遜於ABS,但製成品在列印過程無異味、較不會釋出有毒物質,製成品對環境熱原有一定強度,不要過於接近熱源都還算堪用,較受家庭用戶小型Maker專案用戶歡迎。

LOM層狀物體製造

LOM(Laminated Object Manufacturing)層狀物體製造方案,為在3D列印成型印製過程有點類似採用機械式點陣印表機進行列印的概念操作,傳統點陣式印表機為運用撞針將色帶色彩打到紙材表面上,形成色帶轉印油墨至紙上的效用,至於LOM為將色帶改換為塑料薄膜、點陣式撞針換成雷射或刀具處理,運用雷射或刀具將塑料薄膜材料裁切成積層列印所需的形狀,經由透過膠水將各層層疊相加堆砌成3D塑型立體物件。

對彼FDM工法,LOM可製作實心物件會較為省時(因為FDM印製3D件為省時、節約材料會用鏤空切層進行物件構型),LOM在列印速度較FDM快一點,但在材料耗損LOM較FDM表現遜色,印製過程產出的廢料會較多。

DLP數位光處理

DLP(Digital Light Processing)數位光處理成型方案,也可以稱作為FTI(Film Transfer Imaging),主要是利用印製材料對於光作用的固化特性,透過德州儀器專利的DLP投影技術方案,將3D列印件的切片圖像以逐層圖像照射於會受光固化的樹脂材料表面,印製過程為在一層做材料光固化反應後、再將印製物件稍提高進行下一層印製層的圖像投影,透過由下而上逐層投影、固化材料,形成最終之列印物件的3D塑型成果。

有別於前述的FDM、LOM技術方案,在DLP方案可以在塑型過程將切片過程切得更細微,透過高解析度、穩定性高的DLP投影技術,使單層固化成型的塑形過程更加精密,自然而然完成的製作物會較FDM、LOM方案表面更為光滑,光固化的過程可以將塑型精度更為細分,其列印件細緻度也會較其他方案更好。

經由DLP製造的立體物件精細度極高,成品不用打磨即可有如模具大量產製的塑料物件精細度,幾乎可以不加處理作為商品立即販售,但實際上光固化處理過程中樹脂材料的最終成品硬度會受許多因素影響,而未能顯影的週邊光固化樹脂材料也會因為時間拉長漸漸變得無法對光固化效果產生對應變化,加上耗材成本較高,適合製造講究精細度、卻不過度要求製品強度的使用場合。

SLA粉末材料選擇性雷射燒結

SLS(Selective Laser Sintering)粉末材料選擇性雷射燒結方案,其實是將列印材料處理成粉末,列印時為將粉末材料平鋪於已成型之零件上表面,採行加熱(雷射)至低於粉末材料的燒結點之某溫度範圍,透過控制雷射束依該層截面圖像於粉層之上掃描,促使3D列印材之粉末溫度提升至熔化點,透過雷射加熱使該層圖像之列印材粉末與下層零件產生燒結形成粘結,透過逐層圖像燒結處理直到整個3D塑型完成產出。

SLS技術成型方案優點相當多,可使用材料相當多元,像是金屬、高分子、陶瓷、石膏甚至是尼龍粉末都能作為SLS方案的列印基材,尤其是金屬粉末是目前工業用3D列印的研發重點,因為金屬粉末當於作為基材的金屬零件燒結形成3D列印件後,基於其燒結金屬粉的金屬材料特性,整個成型的3D列印工間自然而然繼承其基礎材料的特性,不僅可以在材料強度達到零件高耐用度等級,也能獲得3D列印成型可製作高複雜、高精度成品的製程優勢。

SLS製程的加工處理步驟簡單,加上前述可用材料多元,對生產高複雜度物件原型或是3D結構零件有極高的製程導入優勢,加上生產精度可透過每層燒結後度控制優化,一般可以達到完成工件具0.05~2.5mm公差之內,而製作過程在加工3D列印粉體的燒結時,上層以與下層熔融結合,基本上不需額外增設支撐結構或是補強,製程複雜度更為精簡,對於未用完的列印材料粉末,也可回收用於後續製造成型用途,不會浪費。

SLM選擇性雷射熔化、EBM

若將SLS製程的雷射功率提升,其實就是SLM(Selective Laser Melting)3D成型製作方案,或可稱DMLS(Direct Metal Laser Sintering)方案。

SLM 3D列印技術材料以金屬為主,實務上為將金屬3D成型基材粉末搭配高能量雷射加熱至形成液態,此時液態材料便可與附近材料產生融合,對最終製品的強度表現佳,製品品質甚至可與採用開模、澆鑄的金屬製品狀態接近,列印件可以直接用於產品應用之中而不需另外加工處理。

而將SLM加工使用的雷射改成電子束,即是EBM(Electron Beam Melting)3D列印加工的原理,EBM需在真空環境下進行金屬粉末預熱與加工處理,適合進行如易氧化之鈦金屬做加工材料。

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