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2018-08-10 【3D列印知識】新手入門:3種常見3D列印技術總整理

【3D列印知識】新手入門:3種常見3D列印技術總整理​

3D列印與開模相比,內部製造能大幅降低成本,還可以更自由地進行快速原型。目前市面上使用的三種3D列印技術是FFF(熱熔融層積)、SLA(光固化)和SLS(雷射粉末燒結)。

.兩大原理先掌握:
一、建構成型
所有3D列印技術共同的原則──將3D CAD模型水平切割成單獨的橫截面,再依次堆疊後立體成型;但是FFFSLASLS技術採用的方法具有本質上的差異,新手們別怕,花點時間看看淺顯易懂的說明吧!

二、支撐結構
3D列印技術的成形方式需考慮地心引力的影響,想像一下物體在懸空的狀態會往下掉,因此3D列印的材料在成型時若遇到懸空的結構,會需要額外建立輔助材料來生成懸空的主體以避免成型時材料往下掉。這種結構通常稱為支撐材料,根據三種不同列印形式、使用方式和材料也各有不同。其中,SLS(雷射粉末燒結)技術通常無需這種支撐結構,這會在下方進行說明。

.三種技術:
一、FFF(熱熔融層積)技術及應用

FFF是最普遍的3D列印技術(或稱FDM),其3D列印原料通常是在線軸上輸送的熱塑性塑料,通稱為線材,線徑寬度公定為1.75mm或2.85mm,再透過加熱噴頭擠出。加熱噴頭安裝在移動桿上,讓噴頭的擠出材料可以在列印範圍內層層堆疊、冷卻並固化於平台上以完成物體。

FFF通常適用於辦公環境、易於操作和維護,不依賴化學品或後處理。可用的原料非常多元也相對便宜、易於使用,並且可以長時間存放。FFF技術有時需要支撐結構,但依照 CAD建模設計時的考量可以有效精簡支撐材料。市面上可見最早的單噴頭到最新的雙噴頭兩大類型,使用雙噴頭就能在單次列印中一次運用兩種材料或雙色的相同材料;透過兩種不同類型的相容材料(例如:可溶解的水溶性PVA支撐材料),能直接列印具有卡榫、轉動…等,機械功能的產品;或者採用可直接剝離的分離材料,讓產品具有較平滑的表面、高質感、減少後加工。


(圖為以FFF形式列印的大廠Ultimaker機器)

.優點:
.容易操作和維護
.與其他主要的3D列印方法相比,更加經濟實惠且有成本效益
.相對清潔,不需要使用刺激性化學品
.設備大小可以放在桌面上
.整個過程在機器內部進行 - 無需額外設備
.多種材料可選,也具有工程特性
.設備價格相對較低,有助縮短產品交期

.缺點:
.表面通常有堆疊紋路
.層積品質會影響成品的物理強度

二、SLA(光固化)技術及應用
SLA使用紫外線固化樹脂作為原料,在樹脂槽內倒入液態樹脂並將列印平台浸泡其中;使用UV雷射或DLP投影器在列印平台上照射UV光,受到照射的樹脂會硬化成型,藉由平台從容器中升起不斷堆疊,使未固化的樹脂平整直到列印完成。

SLA適合需要精密細節的複雜零件,幾乎在所有情況下都需要使用支撐結構。適合需要精密成型的樣品或原件製作,一般通風良好的小型工作室或技術實驗室都能使用,SLA的後處理相較於FFF技術更複雜,通常需要使用酒精進行清潔,或根據需求在UV光照射箱中加強固化。樹脂原料有刺鼻味、易燃且保存期限較短,新舊樹脂不能混合使用,材料價格相對其他兩種技術較高。



(圖為SLA列印完之後尚未從列印平台拆除的成品)

.優點:
.適合形狀複雜的零件
.成品表面光滑,幾乎少有堆疊紋路
.可以呈現最佳細節,是小型零件的理想做法
.設備有整合性且相對容易操作
.可以列印多種屬性的材料

.缺點:
.原料常有化學刺激性或刺鼻味及易燃性
.後處理常需使用酒精
.材料具有黏性,可能會弄髒環境
.通常需要支撐結構,可能會在表面留下痕跡
.在單次列印中尚無法同時使用多種材料或顏色
.與其他兩種技術相比,可列印體積相對較小
.中空零件必須準備好孔洞讓未固化的樹脂流出


三、SLS(雷射粉末燒結)技術及應用
SLS的使用原料為粉末聚合物,將粉末倒入在機器中,列印機內部會將薄層粉末鋪平在列印範圍;再以雷射光融合材料建立單個水平層,然後再透過細微的高度升降重複堆疊完成印品;由於粉末列印材料會填滿整個內部空間,因此不須使用支撐結構輔助成型(因為整體是緊密的粉末,因此不會有材料下墜的問題),未使用完的粉末可以透過專用設備過篩後再與新的粉末混合使用。​

適合設計複雜、自由度較大且懸空細節多的作品,成品表面不易產生堆疊紋理;在初期設置和維護方面,SLS是三種3D列印技術中成本較高的,使用設備的難度和複雜性相對高於前述的FFF及SLA技術。建議每次進行列印時都盡可能的使用整個機器內部的列印體積以避免浪費粉末,由於使用高功率雷射光和及粉末原料,SLS需要考量較多的環境安全性。



(圖為工作人員正在處理完成後多餘的粉末)

.優點
.成品呈現霧面、細緻的磨砂質感,少有堆疊紋理
.零件具有較高的機械性能
.列印時不需要支撐結構及材料

.缺點
.設備相對較大
.加工成品須配戴口罩以防粉塵吸入
.材料種類或顏色較少
.設備和材料相對價格較高,操作和維護需要初步學習
.需要處理後加工和回收粉末
.列印體積符合整個容器範圍時較划算


.重點歸納
三種技術各有所長,沒有所謂好壞之分;但FFF技術經濟實惠所以最為常見,不需要額外空間或專業人員。讓一般中小企業也能縮短開發時間和成本,產品可以直接在公司進行快速原型,同時只需要最少的後加工和廢料處理,因此最為常見。此外由於最多人使用,相關資源及教學討論也較多;但也由於開發相對容易、品牌過多,市面上充斥著列印品質參差不齊的機器,選購時需多方比較。SLA非常適合列印具有複雜細節的小型物件、公仔、造型物體、珠寶等;SLS則是具有機械性、功能性及大型工業原型的理想選擇。

我們希望讓更多人了解3D列印的內容,也會持續分享相關的知識;無論是自己生產製造或是代工需求,對於技術的了解都有助於做最適合的選擇。如果對相關內容有興趣,可以參考我們的其他文章。也歡迎關注我們的FB動態,所有的最新消息都會公布在上面,讓你隨時跟上最新技術!

部分參考資料:https://ultimaker.com/en/blog/52679-comparing-fff-sla-and-sls-technologies

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