3D列印!?怎麼印?

文/ 趙增偉 世新大學數位多媒體設計學系助理教授

近年來,坊間常聽到3D列印?到底3D列印是什麼?是誰發明的?又怎麼印?哪裡可以印?又跟大家有什麼關係呢?

走在大街上,你是否已經發現有種新興的行業,叫做「3D列印專門店」,這些店多半在門口有個櫥窗,裡面放了形形色色的模型玩具,這些看似模型玩具的東西其實是3D列印機的成品。而這些3D列印專門店,其實跟大家所熟知的影印店及海報輸出中心存在的理由一樣。影印店及海報輸出中心提供快速、大量的印製文件、A0尺寸以內的全彩海報輸出甚至是代客掃瞄文件及美術編修等等,能滿足沒有出圖機或印表機的顧客需求。因此,3D列印專門店的出現,是為了服務沒有3D列印設備的人而存在;店家依照顧客成品的尺寸、素材及數量來收費,當然還能幫你進行3D掃瞄喔!那麼究竟什麼是3D列印呢?

3D列印之所以稱為「列印」,顧名思義是能將電腦檔案透過印表機印出,只不過3D印表機印出來的不再是平面的文字或圖像,而是立體的作品;以往2D列印是藉由印表機的墨水來製成圖像及文字,而3D印表機則是利用石膏粉、工程塑料、光敏樹脂、橡膠、陶瓷粉末甚至是金屬材料等,印製出立體模型甚至是可供組合的零件呢

說到這裡,讀者們一定會納悶,3D印表機是誰發明的?用哪些方式列印?其實技術最早可追溯至1984年美國3D Systems公司目前的副總裁–查爾斯·赫爾(Charles Hull) 發明並取得專利,該公司於兩年後(1986年)發明出世界上第一台3D印表機。3D列印又稱為「積層製造」或「加法製造」(Additive Manufacturing) ,雖然通稱為3D列印,但列印方式繁多;所謂的列印方式,其是就是成形的「固化方式」,從「材質」到「固化」方式皆有不同,各有利弊;目前市面上的列印方式,大約可分為七大類,分別為:

  • FDM(熔融沉積成形)/FFMFused Filament Fabrication

原理是將塑膠原料加熱後透過噴頭將塑料堆疊成形。由於是藉由控制噴頭產生不同的結構來保持成品表面的完整,因此成品內部多半為空心狀,還可藉此節省原料。但成品結構的強度,差強人意,且精細度的呈現較差,不過相較其它成形法,價格較為平易近人,也是市面上最常見的3D列印機。

  • LOM層狀物體製造(Laminated Object Manufacturing

是利用雷射將塑料薄膜切成層層的所需的形狀,再將每一層用膠水黏貼住,藉此堆疊出立體物件。與FDM(熔融沉積成形)最大不同之處,在於可做出實心物體,列印速度也比較快一些,成品結構強度也較佳!可惜此種製造方式的使用材料較多,當然列印價格也較FDM高。

  • DLP數位光處理(Digital Light Processing/ FTIFilm Transfer Imaging

DLP是利用投影技術,將切成一片片的圖案照射在光固化樹脂上,每做完一層,就將物件逐步提高,再投射下一層的圖案,如此反覆堆疊就會形成立體的物件。成品精細度相當高,甚至可以不用打磨即可使用,適合用來製作模型玩具等強調表面精細度但硬度不高的產品。但是光固化樹脂常因時間推移慢慢硬化,材料跟成品皆不適合受日曬,再加上耗材比較貴的關係,在市場上和FDM 算是互補的技術,如果創作者想要耐用但不要求美觀的話,可以用FDM(熔融沉積成形),而想要表面精細度高,可以用DLP。

  • SLA立體平板印刷(Laminated Object Manufacturing

SLA的列印原理和DLP 類似,多半是透過雷射(高能量光束皆可)照射到光固化樹脂後形成一片硬質切片,然後將模型往樹脂內部沉浸,再用雷射照射硬化下一層。與前者的製造過程不同的是,DLP為逐步將物件拉出光固化樹脂,而SLA 則是逐步的將物件沉入光固化樹脂液中。SLA成品精細度相當高,可以不用打磨即可使用,但與DLP一樣,材料及成品皆需避免受到日曬或強光長期的照射。

  • 3DP 3D列印(Plaster-based 3D printing/Powder bed and inkjet head 3D printing

利用膠水固化噴印的方式成形。首先在工作區域上鋪上粉狀的材料(有些是石膏粉),其次利用印表機噴頭所噴出的膠水,將所需的部分黏著在一起;接著再往上鋪上粉狀材料,噴頭則繼續噴出膠水將粉末黏著,持續這種「逐層製造」的方式至成品完成。3DP的好處是成品(被膠水黏住的部分)周圍那些未被噴到膠水的粉末,可以被吸走並且回收再利用,但缺點是粉狀材料易導致環境髒亂且成品多半不夠精細,結構強度也不佳。但3DP比較特別的是,能在成形時於白色粉末上噴出CMYK(印刷四色)的彩色膠水,因此成品可帶有顏色,但需將其表面塗上保護漆,用來封住表層和增加顏色對比。

  • SLS 選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering

SLS是利用高能量雷射照射,將塑膠粉末、陶瓷粉末、砂或甚至是金屬粉末等材料,因雷射光束所產生極高的溫度,能使原料黏著在一起,材料較SLM多元。優點是成品精密度高,且相當堅固及輕量化,可用於運動器材、空拍設備、賽車及工業設備上,缺點依然是粉狀材料會導致環境髒亂。

  • SLM選擇性雷射熔化(Selective Laser Melting

原理與SLS相似,是將SLS 的雷射功率再加高,就會是SLM(Selective Laser Melting)或稱作DMLS(Direct Metal Laser Sintering)。這種3D 列印技術主要的材料以金屬為主,將金屬粉末以高能量雷射加熱到變成液態,便可和附近的材料融合在一起,SLM與SLS在製造過程最大的不同在於SLS的金屬粉末並未完全熔化,而SLM在製造過程中,金屬粉末加熱到完全熔化後成形,因此非常堅固,甚至可媲美開模澆鑄產品的機械強度,成品列印出來後即可直接使用。如果要說缺點,只能說原料與列印機價錢都非常昂貴。

看了上述這麼多種類型的3D列印方式,相信大家已經有了初步的概念,這種快速成形製造為「逆向工程」的一種,既然叫列印,當然就會有印表機專門使用的檔案,那就是STL檔,是一種3D模型檔案格式,STL檔(Stereo Lithography)是一種「積層製造」或「加法製造」專用的格式,能把原本的曲面或實體模型分解成一層一層斷面形狀的數據供3D列印機來解讀。由於大部分3D建模軟體都有轉出成STL的功能,因此,具3D繪圖背景者可自行建模,那麼沒有3D背景的人怎麼辦呢?別急,可以上網下載免費的圖檔來列印,只要進入以下網址:www.thingiverse.com,無需帳號,就可以下載你所要的圖檔。

當然,拜科技進步所賜,如果想要利用3D技術來印製自己或親朋好友的公仔,但嫌3D軟體建模太麻煩又不夠像的話,可以利用「3D列印專用掃描器」,保證人人都是建模及3D的高手!至於怎麼用?礙於篇幅,靜待下回分解!

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作者: 趙增偉 助理教授

台灣科技大學建築研究所博士

現任

世新大學數位多媒體設計系專任助理教授

曾任

瑞助營造股份有限公司顧問

岳博科技顧問有限公司研發部經理

太易資訊股份有限公司美術設計

研究專長

表現技法/桌上型遊戲設計/電腦繪圖/3D列印

(本文圖片來源:cc)

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