Page 89 - Vol.14

New
Vision
新象新知

粉材、線材、塑膠、金屬等 ) 自動累加成為實體構件的製造技術，都可稱之為 3D 列印。 3D列印新技術之成形
本文並針對目前國際上九種新形成，但趨近成熟的3D列印技術，予以簡要說明其技術原理、製程特色及
3D 列印的原理 應用範圍 表2。
3D 列印是積層製造技術 (Additive Manufacturing) 的俗稱，核心技術則是依據 3D CAD 的設計資料並採用離散
材料，逐層累加來製造實體構件，其相較於傳統的剪裁或材料去除 ( 切除或削除 ) 技術而言，3D 列印則是一種
由下而上的材料累加製造技術。
3D 列印 技術原理 製程特色 應用範圍
特點 待改善處
若以空間的概念輔助說明，
則包括了兩個處理階段：第 製程技術 應用材料 使用用途 代表公司 利用紫外雷射固化液態樹脂材料( 精度高且表面品質好，能製造精 裝置和材料成本高。
光固化成型 複雜結構需增加輔助構 精密複雜結構的構件製造。
一階段，在資料的處理過程 塑膠) 。 細的構件；原材料使用率高。
件。
中，利用 3D 電腦輔助設計
利用高能雷射光束的熱效應使 複雜金屬與陶瓷構件。
(CAD)， 將 3D CAD 圖 型 分 容器內光固化 光感聚合物 模型及零配件之製造 3D Systems (美國) 雷射燒結 材料軟化，黏接成型並逐層堆 應用材料多且使用率高，成形過 易發生翹曲變形，精度難
控制。
程中無需增加輔助支撐。
疊。 結構驗證與功能測試。
切成薄層後，將 3D 資料分解
為 2D 資料；第二階段，依 材料噴射 聚合物 模型及零配件之製造 Objet (以色列) 製程利用高能量束雷射直接熔 可直接製造高性能的金屬構件、 複雜結構需加支撐(抑制 客製化醫學用構件。
雷射熔化 化金屬或合金後，層層堆疊而 模具；應用材料廣(金屬、合金 變形)。
據分解後的 2D 資料，採用 成。 )。 構件效能的穩定性控制。 加工形狀、結構複雜的構件。
黏結劑噴射 聚合物、砂、陶瓷、金屬 模型製造、零配件 3D Systems (美國)
選定的製造方法來製作與資 透過三軸控制系統的熱源熔化 構件為網格結構時可大幅節省材 成型精度略低且材料種類 高強度塑膠構件。
熔融擠壓成型
料分層厚度相同的薄片，並 材料擠壓成型 聚合物 模型及零配件之製造 Stratasys (美國) 絲狀材料，逐層堆積。 料，熔融成型且構件強度好。 少。
可為產品設計、測試、評估。
將每層薄片按序堆疊起來， 利用雷射的高能量束流熔化金
粉末床燒結/熔化 聚合物、砂、陶瓷、金屬 模型及零配件之製造 EOS (德國) 相較於傳統切屑法，材料使用率 成型精度略低。 構件快速修復與再製造。
從 2D 薄層堆疊到 3D 實體的 雷射加工 屬材，形成熔池並移動製造成 高；製造構件具優異力學效能。 成形複雜結構較為困難。
型。 複雜結構與高性能金屬構件。
製造過程，則儼然完成了 3D
片層壓成型 紙、陶瓷、金屬 模型及零配件之製造 Fabrisonic (美國)
掃描加熱預置金屬粉末，透過 設備需要嚴格真空環境。
列印的實體構件。3D 列印的 可實現多束加工且成型效率高； 多孔複合結構構件。
電子束選區熔化 逐層熔化堆疊，製造緻密3D構 構件加工精度與表面品質
設計發想，配合近年來數位 造定向能量成型 金屬 修復、零配件 Optomec (美國) 件。 高真空保護使構件成分更純淨。 略差。 多型態金屬材與金屬化合物。
化技術不斷大躍進之故，進 利用電子束熔化金屬絲材，逐 真空環境中，可保護高溫狀態的 尺寸精度與表面品質不 飛機鈦合金加強框( 機翼 )。
電子束熔絲成型
而物化成為一種自動化的製 層堆積成型(類似傳統焊接)。 金屬材免受氧化，成型速度快。 高。 大型複雜金屬快速製造。
造技術，相對於傳統的製造 表 1 ASTM 歸納 3D 列印之製程型態【ASTM, 2013】 利用雷射進行切割後，透過熱 無需加工且成型速率高，製程不 製件效能不高。 快速製模。
模式而言，實為一重大變革。 疊層式製造 壓層層黏接、堆疊3D實體構 易收縮和翹曲變形且無需支撐。 材料種類少，應用受限。
件。 新產品設計驗證。
噴印黏結劑時構件緻密度
一種微滴噴射技術的積層製造 技術成熟，黏結劑可為多種型態 快速製模。
立體噴印 不高，
3D列印之優勢與突破 方法(製程類似印表機)。 材料，製造高性能塑膠構件。 需進行後處理(燒結)。 新產品設計驗證。
3D 列印的優勢何在 綜上所述，3D 列印不僅有 24 小時不間斷製造乃至於大
表 2 3D 列印技術之原理、製程、應用之綜合分析【中國機械工程學會，2013】
複雜結構的快速製造：3D 列印與傳統機器 量生產、低成本、原材料使用率高等優勢；另外，目前
加工、模具製造等技術相比，3D 列印將 3D 3D 列印在逐層累加的製造過程中，其相對於傳統的材料
實體加工轉變為許多 2D 平面加工，大幅降 去除 ( 切除或削除 ) 製造技術而言，亦保有製程快速、減
低製造的複雜度。就原理上而言，其只要透 少材料用量、低開模成本以及縮減技術性人力的優勢。
過電腦設計出結構模型，都能在無模具的條
3D 列印的突破點 創新、突破與應用研究
件下予以應用，製造過程幾乎與構件的結構
3D 列印是一種以 3D CAD 模型作為加工資料的數位化製
複雜性無關，不僅突破傳統製造加工模式，
造技術，從國內外的研究成果與應用情況而言，並相較 應用實例
並可實現“自由製造＂的夢想。舉例而言，
於傳統機器的加工、鑄、鍛、焊乃至於模具製程，3D 列 本文就現階段的 3D 列印技術而言，目前在人類的生活上已有些許實際的應用案例，包括：生物醫學、航
3D 列印可製造出傳統方法難以加工 ( 例如：
印若能突破擴大材料應用範圍、提升製件精密度、簡化 太工程、建築工程、工業工程、汽車工業、工藝品業、食品業、服飾業以及教育應用等 圖2 ；可以想見 3D
自由曲面葉片 ) 或無法加工 ( 例如：鏤空結構 )
後端處理繁瑣等問題，其大規模且普遍性的創新應用則 列印技術不僅逐漸地在改變人類的生活方式，未來亦可實現自由設計、自由製造的夢想。
的複雜構件。
指日可待。
客製化與高附加價值產品：3D 列印在快速
生產和靈活性方面極具優勢，不僅可大幅降 創新、突破乃至於建廠應用
低量產前的生產、設計成本，亦可作為產品 3D列印製程技術之剖析與新技術成形 研究發現目前在航太工程之應用，美國太空總 在月球建太空站圖4 ；而歐洲航天局 (ESA) 也
[3]
定型前或大規模生產前的設計驗證；未來可 署 (NASA) 目前不僅正在研究如何運用 3D 列印 跟進研究如何利用月球上的土壤，透過 3D 列印
應用於航太科技及生物醫學等類的高附加價 3D列印製程技術之剖析 技術製造出更方便低成本的火箭構件外，同時 技術建造出太空站圖5。另在土木工程領域上的
值產品。 應用，於 2013 年由荷蘭的建築交易所 (Universe
美國材料與試驗學會 (ASTM) 國際標準組織 (F42) 積層製 也與美國南加大 (USC) 合作開發名為「Contour
造技術委員會以 3D 列印製程技術應用於模組具的開發， Crafting」的 3D 列印施工建造技術，以期未來 Architecture)，計畫運用 3D 列印技術並採用大型
並按照材料不同的堆疊方式與應用材，將 3D 列印技術依 能在 24 小時內透過 3D 列印技術建造一棟規模 的 3D 列印機具打造一座莫比烏斯帶景觀平台圖6。
[2]
積層製造原理區分為七大類 表1 。 2,500 平方英呎的房子圖3，甚至於將延伸到能

86 NEW FAB JOURNAL JUNE 2014 87