3D打印技术渐成熟 实现快速成型、关键零组件制作需求

新一代3D打印材料与技术，已有研发可用于制作喷射引擎零组件，降低航太零件成本。Monash University

3D打印技术被誉为新一波工业革命，或是新潮的「自造者」革命，若以现有的3D打印技术进展观察，3D打印不但成品材质可在耐用度、材料强度上满足需求，甚至已有高端航太零组件已尝试3D打印成型制造技术，解决小批量、高精度制造需求…

3D打印可以说是近年来最热门制造议题，因为3D打印有别于现有的材料加工成型技术，例如塑胶的注塑成型或是金属材料的CNC的铣切材料处理方式，以塑胶类的加热注塑成型，制成品的加工复杂度跟精密度取决于注塑模具的制作品质，而可加热注塑的材料自然在高温环境的使用状况与材料强度也会因此受限，而金属加工件受限于车床、铣床或CNC加工工法，材料也会有塑型上的极限。

相反地，3D打印技术采用SLA(Stereolithography Apparatus)立体平板印刷技术进行制成物成形，透过层层材料叠印或积层产生立体制作物，在新制作概念下成品的制作复杂度更高，制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)观念下，跨国工厂的生产物甚至可以透过数据传输造型档，异地使用3D打印技术产制关键零组件进行生产，成为新一代智能制造、智能工厂常常会被拿出来讨论的新颖制作技术。

切层、堆叠、加法制造  形塑3D打印制程

其实3D打印技术原理相当简单，简化制程就跟一般使用的打印机输出成品概念差不多，只是打印机是将碳粉或是墨水印制在纸上，而3D打印为3D版打印机，印制材料为层层加叠印制成为立体造型，将碳粉或墨水更换成可以加热印制遇冷固化成型的立体物件，也就是原先纸张文件打印仅为X/Y轴印字头的移动印制，而3D打印将打印材料采X/Y轴印制外、同时针对Z轴适时提高累积印制成品高度，印字头的3D运移动作自然而然可以建构成3D打印的材料处理过程。

3D打印技术将打印材料自喷头挤出后绘制成平面，再透过Z轴逐层加高产生打印物件高度，透过逐层打印平面累积堆叠的立体成品，随着长时间不间断印制即可形成3D立体成品构造。目前全球已有多家快速成型设备商，有针对工业用途、高精密制程需求开发的设备，亦有中／低偕的家用或个人Maker使用的3D打印平台。

由3D打印成形原理回头检视3D成型技术分类就会相当清晰，在3D成型原理下棋时仍有不同实作方案，虽然概念架构相去不远，但在3D打印材质、固化所采行的机制与方式会因打印材料不同而会有实作上的差异，目前主要有FDM(Fused Deposition Modeling)熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication；FFF)、LOM(Laminated Object Manufacturing)层状物体制造、DLP(Digital Light Processing)数码光处理成型(Film Transfer Imaging；FTI)等不同制作方法。

FDM熔融沉积成型

FDM会另有FFM不同名称，其实不是技术方案不同，只是为了回避专利限制市场才会有不同技术称号，在核心成型技术仍相同的，基本上为先将成型材料加热增温到一个半熔程度，形成半熔融状态时透过类似喷头的设计挤压出打印面的线体状态，透过类似从线至面、累积面打印面至立体物件过程。

影响FDM 3D打印件精密度、完成度与耐用度关键，即在打印材加温再固化过程是否会有体积上的显着差异，变异量大的材料自然会影响打印件精密度，另半熔材料自喷头挤出的孔径尺寸，也直接影响打印件的精密度，而同时材料用于立体物件输出还需考量打印成品是否容易移除、固化后的表面额外处理、支撑材料的去除便利性等，此会影响制作3D打印件的速度与便利性。

若在个人用的3D打印设备，多数仅设置单一打印材挤出喷头，打印速度除了偏慢外，打印材料配色较单一化，无法制作多色立体成品，支撑件材料多半为使用现有打印材料替代，也因FDM的技术门槛、设备条件较低，现已成为个人3D打印成型设备主流，打印材料有ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)、PLA(Polylactic Acid或Polylactide)聚乳酸，即便ABS制成定型成品的材料强度较高，但实际上加热熔融过程会产生有毒气体，打印件也会有较明显的热涨冷缩现象，打印件可能在印制过程出现底板翘曲导致打印成型失败，底板须持续加热避免打印失误问题。

PLA材料强度虽稍逊于ABS，但制成品在打印过程无异味、较不会释出有毒物质，制成品对环境热原有一定强度，不要过于接近热源都还算堪用，较受家庭用户小型Maker专案用户欢迎。

LOM层状物体制造

LOM(Laminated Object Manufacturing)层状物体制造方案，为在3D打印成型印制过程有点类似采用机械式点阵打印机进行打印的概念操作，传统点阵式打印机为运用撞针将色带色彩打到纸材表面上，形成色带转印油墨至纸上的效用，至于LOM为将色带改换为塑料薄膜、点阵式撞针换成雷射或刀具处理，运用雷射或刀具将塑料薄膜材料裁切成积层打印所需的形状，经由透过胶水将各层层叠相加堆砌成3D塑型立体物件。

对彼FDM工法，LOM可制作实心物件会较为省时(因为FDM印制3D件为省时、节约材料会用镂空切层进行物件构型)，LOM在打印速度较FDM快一点，但在材料耗损LOM较FDM表现逊色，印制过程产出的废料会较多。

DLP数码光处理

DLP(Digital Light Processing)数码光处理成型方案，也可以称作为FTI(Film Transfer Imaging)，主要是利用印制材料对于光作用的固化特性，透过德州仪器专利的DLP投影技术方案，将3D打印件的切片图像以逐层图像照射于会受光固化的树脂材料表面，印制过程为在一层做材料光固化反应后、再将印制物件稍提高进行下一层印制层的图像投影，透过由下而上逐层投影、固化材料，形成最终之打印物件的3D塑型成果。

有别于前述的FDM、LOM技术方案，在DLP方案可以在塑型过程将切片过程切得更细微，透过高分辨率、稳定性高的DLP投影技术，使单层固化成型的塑形过程更加精密，自然而然完成的制作物会较FDM、LOM方案表面更为光滑，光固化的过程可以将塑型精度更为细分，其打印件细致度也会较其他方案更好。

经由DLP制造的立体物件精细度极高，成品不用打磨即可有如模具大量产制的塑料物件精细度，几乎可以不加处理作为商品立即贩售，但实际上光固化处理过程中树脂材料的最终成品硬度会受许多因素影响，而未能显影的周边光固化树脂材料也会因为时间拉长渐渐变得无法对光固化效果产生对应变化，加上耗材成本较高，适合制造讲究精细度、却不过度要求制品强度的使用场合。

SLA粉末材料选择性雷射烧结

SLS(Selective Laser Sintering)粉末材料选择性雷射烧结方案，其实是将打印材料处理成粉末，打印时为将粉末材料平铺于已成型之零件上表面，采行加热(雷射)至低于粉末材料的烧结点之某温度范围，透过控制雷射束依该层截面图像于粉层之上扫描，促使3D打印材之粉末温度提升至熔化点，透过雷射加热使该层图像之打印材粉末与下层零件产生烧结形成粘结，透过逐层图像烧结处理直到整个3D塑型完成产出。

SLS技术成型方案优点相当多，可使用材料相当多元，像是金属、高分子、陶瓷、石膏甚至是尼龙粉末都能作为SLS方案的打印基材，尤其是金属粉末是目前工业用3D打印的研发重点，因为金属粉末当于作为基材的金属零件烧结形成3D打印件后，基于其烧结金属粉的金属材料特性，整个成型的3D打印工间自然而然继承其基础材料的特性，不仅可以在材料强度达到零件高耐用度等级，也能获得3D打印成型可制作高复杂、高精度成品的制程优势。

SLS制程的加工处理步骤简单，加上前述可用材料多元，对生产高复杂度物件原型或是3D结构零件有极高的制程导入优势，加上生产精度可透过每层烧结后度控制优化，一般可以达到完成工件具0.05~2.5mm公差之内，而制作过程在加工3D打印粉体的烧结时，上层以与下层熔融结合，基本上不需额外增设支撑结构或是补强，制程复杂度更为精简，对于未用完的打印材料粉末，也可回收用于后续制造成型用途，不会浪费。

SLM选择性雷射熔化、EBM

若将SLS制程的雷射功率提升，其实就是SLM(Selective Laser Melting)3D成型制作方案，或可称DMLS(Direct Metal Laser Sintering)方案。

SLM 3D打印技术材料以金属为主，实务上为将金属3D成型基材粉末搭配高能量雷射加热至形成液态，此时液态材料便可与附近材料产生融合，对最终制品的强度表现佳，制品品质甚至可与采用开模、浇铸的金属制品状态接近，打印件可以直接用于产品应用之中而不需另外加工处理。

而将SLM加工使用的雷射改成电子束，即是EBM(Electron Beam Melting)3D打印加工的原理，EBM需在真空环境下进行金属粉末预热与加工处理，适合进行如易氧化之钛金属做加工材料。