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2021-09-07 【3D列印知識(shí)】新手入門：五種常見(jiàn)3D列印技術(shù)比較及原理(2021/09更新)
【3D列印知識(shí)】新手入門：五種常見(jiàn)3D列印技術(shù)比較及原理?(2021/09更新版)
3D列印與開(kāi)模相比，內(nèi)部製造能大幅降低成本，還可以更自由地進(jìn)行快速原型。目前市面上最常使用的三種3D列印技術(shù)是FDM（熱融堆疊）、SLA／DLP／LCD（光固化）和SLS（雷射粉末燒結(jié)）；除此之外，還有更進(jìn)階的MJF（多射流熔融）及Polyjet（彩色噴墨）…等新型態(tài)3D列印。新手們別怕，讓我們帶你一起看淺顯易懂的說(shuō)明吧！
．兩大原理先掌握：
一、建構(gòu)成型
所有3D列印技術(shù)共同的原則──將3D CAD模型水平切割成單獨(dú)的橫截面，再依次堆疊後立體成型；但是FDM、LCD和SLS技術(shù)採(cǎi)用的方法具有本質(zhì)上的差異，以下會(huì)針對(duì)不同技術(shù)一一說(shuō)明。
二、支撐結(jié)構(gòu)
3D列印技術(shù)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(tài)會(huì)往下掉，因此3D列印的材料在成型時(shí)若遇到懸空的結(jié)構(gòu)，會(huì)需要額外建立輔助材料來(lái)生成懸空的主體以避免成型時(shí)材料往下掉。這種結(jié)構(gòu)通常稱為支撐材料，根據(jù)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(jié)）技術(shù)通常無(wú)需這種支撐結(jié)構(gòu)，這會(huì)在下方進(jìn)行說(shuō)明。
（圖為熱熔堆疊（左）、光固化（右）兩種不同3D列印技術(shù)的支撐結(jié)構(gòu)與本體示意圖，物件本體為電鑽外殼。）
三、三種3D列印技術(shù)：
（一）FDM（熱熔融層積）技術(shù)及應(yīng)用
FDM是最普遍的3D列印技術(shù)（或稱FFF），其3D列印原料通常是在捲軸上輸送的熱塑性聚合物，通稱為線材；線徑寬度公定為1.75mm或3mm(或2.85mm)，再透過(guò)加熱噴頭擠出。加熱噴頭安裝在移動(dòng)桿上，讓噴頭的擠出材料可以在列印範(fàn)圍內(nèi)層層堆疊、冷卻並固化於平臺(tái)上以完成物體。三帝瑪主要有Ultimaker、BCN3D、Prusa、Snapmaker．．．等品牌系列的FDM熱熔堆疊3D列印機(jī)。
（
FDM型3D列印機(jī)的列印方式是利用熱融原料逐一堆疊成型。）
FDM通常適用於辦公環(huán)境、易於操作和維護(hù)，不需用化學(xué)品進(jìn)行後處理?？捎玫脑戏浅６嘣蚕鄬?duì)便宜、易於使用，並且可以長(zhǎng)時(shí)間存放。FDM技術(shù)有時(shí)需要支撐結(jié)構(gòu)，但依照 CAD建模設(shè)計(jì)時(shí)的考量可以有效精簡(jiǎn)支撐材料。市面上可見(jiàn)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同時(shí)運(yùn)用兩種材料；透過(guò)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(zhuǎn)動(dòng)…等，機(jī)械功能的產(chǎn)品；或者採(cǎi)用可直接剝離的分離材料，讓產(chǎn)品具有較平滑的表面、高質(zhì)感、減少後加工。
（在工業(yè)應(yīng)用方面，FDM型的熱熔堆疊3D列印機(jī)通常採(cǎi)多臺(tái)同時(shí)列印生產(chǎn)零、配件或產(chǎn)品疊代。）
．優(yōu)點(diǎn)：
．容易操作和維護(hù)
．相比其他3D列印方法，價(jià)格相對(duì)便宜
．容易保持環(huán)境整潔，不需使用額外化學(xué)品
．設(shè)備大小可以放在桌面上
．整個(gè)過(guò)程在機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行，無(wú)需額外設(shè)備
．多種材料可選，具有工程特性
．設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低，有助縮短產(chǎn)品交期
．缺點(diǎn)：
．表面通常有堆疊紋路
．列印品質(zhì)會(huì)影響成品的物理性強(qiáng)度
．相關(guān)內(nèi)容
光固化技術(shù)是使用液態(tài)樹(shù)脂作為原料，在樹(shù)脂槽內(nèi)倒入樹(shù)脂並將列印平臺(tái)浸泡其中，再以光照面板或雷射UV照射光束到列印平臺(tái)上，受到照射的樹(shù)脂會(huì)硬化成型，藉由平臺(tái)從樹(shù)脂槽中升起來(lái)層層堆疊成型。其中常因光照技術(shù)的不同而稱SLA（雷射）、DLP（投影器）、LCD（LCD面板）…簡(jiǎn)稱，但技術(shù)原理大同小異；工業(yè)精度而言SLA高於DLP及LCD，同時(shí)價(jià)格也高出許多，而最親民的為LCD技術(shù)，約臺(tái)幣八千元以內(nèi)即可入手。
光固化技術(shù)適合用於精密細(xì)節(jié)的複雜零件或珠寶設(shè)計(jì)，幾乎在所有情況下都要使用支撐結(jié)構(gòu)，在一般通風(fēng)良好的小型工作室或技術(shù)實(shí)驗(yàn)室都能使用。後處理相較於FDM技術(shù)較複雜，通常需要使用酒精進(jìn)行清潔，或根據(jù)需求放入紫外線箱中另外照射以加強(qiáng)固化。樹(shù)脂原料有些刺鼻、易燃且保存期限較短，新舊樹(shù)脂不可混合使用，材料價(jià)格相對(duì)其他兩種技術(shù)較高；但光固化技術(shù)的成品表面最光滑，適合作為精細(xì)的造型物或小型零件的原型。
．優(yōu)點(diǎn)：
．適合形狀複雜、表面精細(xì)的零件
．成品表面光滑，幾乎少有堆疊紋路
．可以呈現(xiàn)最佳細(xì)節(jié)，非常適合小型物品
．設(shè)備有封閉性與整體性且容易操作
．可以列印多種屬性的材料
（使用SLA技術(shù)的DWS 3D列印機(jī)並組裝完成的裝甲機(jī)器人，擁有許多細(xì)節(jié)及光滑表面。）
．缺點(diǎn)：
．原料常有化學(xué)刺激性或刺鼻味及易燃
．後處理常需額外使用酒精
．材料具有黏性，須注意環(huán)境清潔
．通常需要支撐結(jié)構(gòu)，後處理較費(fèi)時(shí)
．與其他兩種技術(shù)相比，可列印體積相對(duì)較小
．通常成品的堅(jiān)固性相較其他兩種技術(shù)較低
．中空設(shè)計(jì)的零件須建立讓未固化樹(shù)脂流出的小孔
．相關(guān)內(nèi)容
（三）SLS（雷射粉末燒結(jié)）技術(shù)及應(yīng)用
SLS技術(shù)使用粉末聚合物作為3D列印的原料，將粉末倒入機(jī)器中，機(jī)器內(nèi)部會(huì)將薄層粉末來(lái)回鋪平在列印範(fàn)圍，再以雷射光融合材料，並透過(guò)微幅的高度升降堆疊並完成印品。由於粉末列印材料會(huì)填滿整個(gè)內(nèi)部空間，因此不須使用支撐結(jié)構(gòu)輔助成型（因?yàn)檎w在列印完成前是緊密的粉末，因此不會(huì)有中空材料掉落的問(wèn)題），未使用完的粉末可以透過(guò)專用設(shè)備過(guò)篩後再與新的粉末混合使用。?
SLS技術(shù)適合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)複雜、可動(dòng)性高且懸空細(xì)節(jié)多的作品，成品為霧面質(zhì)感，不易產(chǎn)生堆疊紋理。在初期設(shè)置和維護(hù)方面，SLS是三種3D列印技術(shù)中成本較高的，使用設(shè)備的難度和複雜性相對(duì)高於前述的FFF及LCD技術(shù)。建議每次進(jìn)行3D列印時(shí)都盡可能的使用整個(gè)機(jī)器內(nèi)部的列印體積以避免浪費(fèi)粉末。
．優(yōu)點(diǎn)
．成品呈現(xiàn)霧面、細(xì)緻的磨砂質(zhì)感
．少有堆疊紋理
．零件具有較高的可動(dòng)性及機(jī)械性能
．列印時(shí)不需要支撐結(jié)構(gòu)及材料
．部分材料具有高耐溫及抗化學(xué)性
．完成品相對(duì)其他兩種技術(shù)通常更堅(jiān)固
（使用SLS技術(shù)適合製作複雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，並能在單次3D列印中一體成形。）
．缺點(diǎn)
．設(shè)備相對(duì)較大
．須配戴口罩進(jìn)行後處理以防吸入粉塵
．材料種類或顏色選擇較少
．設(shè)備和材料相對(duì)價(jià)格較高，操作和維護(hù)需要初步學(xué)習(xí)
．需要處理後加工和回收粉末
．相關(guān)內(nèi)容
四、重點(diǎn)歸納
．FDM熱熔融層積技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠因此最為常見(jiàn)，由於體積較小且操作容易，一般中小企業(yè)也能快速上手，同時(shí)只需要最少的後加工和廢料處理。由於最多人使用，相關(guān)資源及教學(xué)討論也較多；但也由於開(kāi)發(fā)相對(duì)容易，市面上充斥品質(zhì)參差不齊的品牌，選購(gòu)時(shí)需多方比較。
．SLA光固化技術(shù)非常適合列印具有複雜細(xì)節(jié)的小型物件、公仔、造型物體、珠寶等；成品表面光滑、可以呈現(xiàn)複雜紋理，在三種技術(shù)中的物理性和機(jī)械性較少。
．SLS雷射粉末燒結(jié)則具有最佳的機(jī)械性、功能性，強(qiáng)調(diào)工業(yè)原型的應(yīng)用，表面呈霧面質(zhì)感、無(wú)須支撐且成品相對(duì)堅(jiān)固耐用；但相對(duì)而言操作難度較高，需配戴口罩清除粉末。
三種技術(shù)各有所長(zhǎng)，沒(méi)有所謂好壞之分，只要設(shè)計(jì)得宜都能3D列印出活動(dòng)式結(jié)構(gòu)與彈性材質(zhì)；這些桌上型3D列印機(jī)器大小合適，可以直接在公司內(nèi)部進(jìn)行快速原型，並有效縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。
五、進(jìn)階技術(shù)
有了前面的基本觀念，相信各位已經(jīng)知道光固化與SLS粉末燒結(jié)的運(yùn)作原理，近年來(lái)這兩種技術(shù)也衍生出新的3D列印效能，分別為PolyJet（彩色噴墨）與MJF（多射流熔融）：
．PolyJet（彩色噴墨）
PolyJet是直接以樹(shù)脂作為噴墨，並以光固化的成型原理透過(guò)快速光照的方式在噴墨後立即固化，逐層硬化後完成3D列?。挥伸秶娔绞娇梢赃M(jìn)行多色混合，因此可以做到全彩3D列印、材質(zhì)模擬，甚至搭配樹(shù)脂原有的透明效果表現(xiàn)玻璃、壓克力…等外觀質(zhì)感。
（新款Stratasys 3D列印機(jī)內(nèi)部採(cǎi)用快速的轉(zhuǎn)盤(pán)式列印平臺(tái)，以PolyJet技術(shù)噴墨後照光，達(dá)到快速固化的全彩效果。）
隨著技術(shù)更加進(jìn)步，PolyJet不但可以依照Pantone色票製作多達(dá)50萬(wàn)種的顏色搭配，更可同時(shí)列印多達(dá)五種樹(shù)脂，以及調(diào)整列印成品的軟硬度，讓PolyJet技術(shù)成為設(shè)計(jì)研發(fā)及產(chǎn)品汰換的新選擇，全彩效果能在單次列印中直接完成！
（從電路板內(nèi)裝到觸控屏模擬、網(wǎng)布外殼到塑膠底座，都能使用Stratasys PolyJet全彩3D列印技術(shù)完成，讓樣品立即躍於紙上、拿在手中。）
PolyJet技術(shù)主要是由3D列印大廠Stratasys研發(fā)，目前是百萬(wàn)等級(jí)以上的工業(yè)用機(jī)種，然而我們也有提供3D列印代工，讓您花的更少、做的更好！
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．MJF（多射流熔融）
SLS粉末列印的一體成形的可動(dòng)結(jié)構(gòu)、無(wú)需支撐…等特色令人驚嘆，但粉末3D列印的方式不只一種，知名大廠惠普HP的MJF技術(shù)（Multi Jet Fusion）就是奠基於粉末列印的另一種形式：將粉末平鋪於列印平臺(tái)後，在成型區(qū)域噴灑溶劑、非成型區(qū)則噴灑精細(xì)劑避免燒結(jié)；接著以紅外光照射，噴灑溶劑的部分會(huì)吸收熱源熔融成型，不斷逐層重複完成3D列印。
MJF在非成型區(qū)域使用的精細(xì)劑有助於強(qiáng)化3D列印的特徵和銳利邊緣，適合製作細(xì)緻結(jié)構(gòu)，如齒輪邊緣尖細(xì)的凸出構(gòu)造也能準(zhǔn)確呈現(xiàn)。而MJF成品通常為黑色，因?yàn)樯钌軇┛梢愿行諢嵩矗噍^其他技術(shù)目前較少提供軟料的選擇，或者更深入了解SLS與ＭJF的比較差異。
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我們希望讓更多人了解3D列印的內(nèi)容，也會(huì)持續(xù)分享相關(guān)的知識(shí)；無(wú)論是自己生產(chǎn)製造或是代工需求，對(duì)於技術(shù)的了解都有助於做最適合的選擇。如果對(duì)相關(guān)內(nèi)容有興趣，可以參考我們的其他文章。也歡迎關(guān)注我們的FB動(dòng)態(tài)，所有的最新消息都會(huì)公布在上面，讓你隨時(shí)跟上最新技術(shù)！
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