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2021-09-07 【3D列印知識】新手入門：五種常見3D列印技術(shù)比較及原理(2021/09更新)
【3D列印知識】新手入門：五種常見3D列印技術(shù)比較及原理?(2021/09更新版)
3D列印與開模相比，內(nèi)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的橫截面，再依次堆疊後立體成型；但是FDM、LCD和SLS技術(shù)採用的方法具有本質(zhì)上的差異，以下會針對不同技術(shù)一一說明。
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)會往下掉，因此3D列印的材料在成型時若遇到懸空的結(jié)構(gòu)，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(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)通常無需這種支撐結(jié)構(gòu)，這會在下方進行說明。
（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(fàn)圍內(nèi)層層堆疊、冷卻並固化於平臺上以完成物體。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。
（
FDM型3D列印機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，不需用化學(xué)品進行後處理。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。FDM技術(shù)有時需要支撐結(jié)構(gòu)，但依照 CAD建模設(shè)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同時運用兩種材料；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(zhuǎn)動…等，機械功能的產(chǎn)品；或者採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列印機通常採多臺同時列印生產(chǎn)零、配件或產(chǎn)品疊代。）
．優(yōu)點：
．容易操作和維護
．相比其他3D列印方法，價格相對便宜
．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
．整個過程在機器內(nèi)部進行，無需額外設(shè)備
．多種材料可選，具有工程特性
．設(shè)備價格相對較低，有助縮短產(chǎn)品交期
．缺點：
．表面通常有堆疊紋路
．列印品質(zhì)會影響成品的物理性強度
．相關(guān)內(nèi)容
光固化技術(shù)是使用液態(tài)樹脂作為原料，在樹脂槽內(nèi)倒入樹脂並將列印平臺浸泡其中，再以光照面板或雷射UV照射光束到列印平臺上，受到照射的樹脂會硬化成型，藉由平臺從樹脂槽中升起來層層堆疊成型。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，同時價格也高出許多，而最親民的為LCD技術(shù)，約臺幣八千元以內(nèi)即可入手。
光固化技術(shù)適合用於精密細節(jié)的複雜零件或珠寶設(shè)計，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)實驗室都能使用。後處理相較於FDM技術(shù)較複雜，通常需要使用酒精進行清潔，或根據(jù)需求放入紫外線箱中另外照射以加強固化。樹脂原料有些刺鼻、易燃且保存期限較短，新舊樹脂不可混合使用，材料價格相對其他兩種技術(shù)較高；但光固化技術(shù)的成品表面最光滑，適合作為精細的造型物或小型零件的原型。
．優(yōu)點：
．適合形狀複雜、表面精細的零件
．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列印機並組裝完成的裝甲機器人，擁有許多細節(jié)及光滑表面。）
．缺點：
．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)，後處理較費時
．與其他兩種技術(shù)相比，可列印體積相對較小
．通常成品的堅固性相較其他兩種技術(shù)較低
．中空設(shè)計的零件須建立讓未固化樹脂流出的小孔
．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，將粉末倒入機器中，機器內(nèi)部會將薄層粉末來回鋪平在列印範(fàn)圍，再以雷射光融合材料，並透過微幅的高度升降堆疊並完成印品。由於粉末列印材料會填滿整個內(nèi)部空間，因此不須使用支撐結(jié)構(gòu)輔助成型（因為整體在列印完成前是緊密的粉末，因此不會有中空材料掉落的問題），未使用完的粉末可以透過專用設(shè)備過篩後再與新的粉末混合使用。?
SLS技術(shù)適合設(shè)計結(jié)構(gòu)複雜、可動性高且懸空細節(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高於前述的FFF及LCD技術(shù)。建議每次進行3D列印時都盡可能的使用整個機器內(nèi)部的列印體積以避免浪費粉末。
．優(yōu)點
．成品呈現(xiàn)霧面、細緻的磨砂質(zhì)感
．少有堆疊紋理
．零件具有較高的可動性及機械性能
．列印時不需要支撐結(jié)構(gòu)及材料
．部分材料具有高耐溫及抗化學(xué)性
．完成品相對其他兩種技術(shù)通常更堅固
（使用SLS技術(shù)適合製作複雜的機械結(jié)構(gòu)，並能在單次3D列印中一體成形。）
．缺點
．設(shè)備相對較大
．須配戴口罩進行後處理以防吸入粉塵
．材料種類或顏色選擇較少
．設(shè)備和材料相對價格較高，操作和維護需要初步學(xué)習(xí)
．需要處理後加工和回收粉末
．相關(guān)內(nèi)容
四、重點歸納
．FDM熱熔融層積技術(shù)經(jīng)濟實惠因此最為常見，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；但也由於開發(fā)相對容易，市面上充斥品質(zhì)參差不齊的品牌，選購時需多方比較。
．SLA光固化技術(shù)非常適合列印具有複雜細節(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)中的物理性和機械性較少。
．SLS雷射粉末燒結(jié)則具有最佳的機械性、功能性，強調(diào)工業(yè)原型的應(yīng)用，表面呈霧面質(zhì)感、無須支撐且成品相對堅固耐用；但相對而言操作難度較高，需配戴口罩清除粉末。
三種技術(shù)各有所長，沒有所謂好壞之分，只要設(shè)計得宜都能3D列印出活動式結(jié)構(gòu)與彈性材質(zhì)；這些桌上型3D列印機器大小合適，可以直接在公司內(nèi)部進行快速原型，並有效縮短開發(fā)時間和成本。
五、進階技術(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)的運作原理，近年來這兩種技術(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是直接以樹脂作為噴墨，並以光固化的成型原理透過快速光照的方式在噴墨後立即固化，逐層硬化後完成3D列印；由於噴墨方式可以進行多色混合，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列印機內(nèi)部採用快速的轉(zhuǎn)盤式列印平臺，以PolyJet技術(shù)噴墨後照光，達到快速固化的全彩效果。）
隨著技術(shù)更加進步，PolyJet不但可以依照Pantone色票製作多達50萬種的顏色搭配，更可同時列印多達五種樹脂，以及調(diào)整列印成品的軟硬度，讓PolyJet技術(shù)成為設(shè)計研發(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)，目前是百萬等級以上的工業(yè)用機種，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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．全彩列印PolyJet：驚「豔」客戶新服務(wù)！
．MJF（多射流熔融）
SLS粉末列印的一體成形的可動結(jié)構(gòu)、無需支撐…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後，在成型區(qū)域噴灑溶劑、非成型區(qū)則噴灑精細劑避免燒結(jié)；接著以紅外光照射，噴灑溶劑的部分會吸收熱源熔融成型，不斷逐層重複完成3D列印。
MJF在非成型區(qū)域使用的精細劑有助於強化3D列印的特徵和銳利邊緣，適合製作細緻結(jié)構(gòu)，如齒輪邊緣尖細的凸出構(gòu)造也能準(zhǔn)確呈現(xiàn)。而MJF成品通常為黑色，因為深色溶劑可以更有效吸收熱源，相較其他技術(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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．三大重點決勝負：雷射燒結(jié) VS. 多射流熔融
我們希望讓更多人了解3D列印的內(nèi)容，也會持續(xù)分享相關(guān)的知識；無論是自己生產(chǎn)製造或是代工需求，對於技術(shù)的了解都有助於做最適合的選擇。如果對相關(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動態(tài)，所有的最新消息都會公布在上面，讓你隨時跟上最新技術(shù)！
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