3D列印

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ORDbot Quantum三維印表機.
列印的延時攝影視頻,hyperboloid物體列印(聚乳酸PLA製作),使用RepRap「Prusa Mendel」三維印表機,以熱溶聚合物成型。

3D列印英語3D printing),又稱積層製造Additive ManufacturingAM),屬於快速成形技術的一種,它是一種數位模型檔案為基礎直接製造幾乎任意形狀三維實體的技術。3D列印運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,透過逐層堆疊累積的方式來構造物體,即「層造形法」。3D列印與傳統的機械加工技術不同,後者通常採用切削或鑽孔技術(即減材工藝)實現。 過去其常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型,現正逐漸用於一些產品的直接製造。特別是一些高價值應用(比如髖關節牙齒,或一些飛機零部件)已經有使用這種技術列印而成的零部件,意味著「3D列印」這項技術的普及。

3D列印通常是採用數位技術材料印表機來實現。這種印表機的產量以及銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長,其價格也正逐年下降。[1]

該技術在珠寶,鞋類,工業設計,建築,工程和施工(AEC),汽車,航空太空[2],牙科和醫療產業,教育,地理資訊系統,土木工程,槍枝以及其他領域都有所應用。

歷史[編輯]

長久以來科學家和技術工作者一直有著一個複製技術的設想,但直到20世紀80年代,3D列印的概念才算真正開始實現。1982年,日本名古屋市工業研究所首次公開實現實體模型的印製。但直到2010年代才出現商業的3D列印機。 然而,最常被冠以發明「現代」3D列印機的人是查爾斯·W·赫爾(Chuck Hull)。自21世紀初,3D列印機銷量大增,進而價格也明顯下降。根據總部位於美國的全球知名的從事3D列印行業研究的諮詢機構Wohlers Associates, Inc統計,2012年3D列印機及其服務市場達到了22億美元,比2011年增長了29%。

術語[編輯]

「增材製造」(Additive manufacturing)用來指透過層層疊加製造實體的技術。製造出的實體可用於從試製(即快速原型)到最終產品的規模化生產(即快速製造)整個生命周期內任何地方。

一般原理[編輯]

三維模型的分割

三維設計[編輯]

3D列印的設計過程是:先透過電腦輔助設計(CAD)或電腦動畫建模軟體建模,再將建成的三維模型「分割」成逐層的截面,從而指導印表機逐層列印。

設計軟體和印表機之間協作的標準檔案格式是STL檔案格式。一個STL檔案使用三角面來大致模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面解析度越高。PLY是一種透過掃描來產生三維檔案的掃描器,其生成的VRML或者WRL檔案經常被用作全彩列印的輸入檔案。

列印過程[編輯]

印表機透過讀取檔案中的橫截面資訊,用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來,再將各層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其幾乎可以造出任何形狀的物品。

印表機打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的解析度是以dpi(像素每英寸)或者微米來計算的。一般的厚度為100微米,即0.1毫米,也有部分印表機如Objet Connex系列還有3D Systems' ProJet系列可以列印出16微米薄的一層。而平面方向則可以列印出跟雷射印表機相近的解析度。列印出來的「墨水滴」的直徑通常為50到100個微米。 用傳統方法製造出一個模型通常需要數小時到數天,根據模型的尺寸以及複雜程度而定。而用3D列印的技術則可以將時間縮短為數個小時,當然其是由印表機的效能以及模型的尺寸和複雜程度而定的。

傳統的製造技術如注塑法可以以較低的成本大量製造聚合物產品,而3D列印技術則可以以更快,更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的3D列印機就可以滿足設計者或概念開發小組製造模型的需要。

表面[編輯]

目前3D列印機的解析度對大多數應用來說已經足夠(在彎曲的表面可能會比較粗糙,像影像上的鋸齒一樣),要獲得更高解析度的物品可以透過如下方法:先用當前的3D列印機打出稍大一點的物體,再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的「高解析度」物品。

有些技術可以同時使用多種材料進行列印。有些技術在列印的過程中還會用到支撐物,比如在列印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易於除去的東西(如可溶的東西)作為支撐物。

技術[編輯]

世界範圍的快速原型成型技術
奧迪公司(Audi)使用快速成型技術的KUKA機器人來製造的Audi RSQ汽車

現在存在著許多不同的技術。它們的不同之處在於以可用的材料的方式,並以不同層構建建立部件。有些技術利用熔化或軟化可塑性材料的方法來製造列印的「墨水」,例如:選擇性雷射燒結(selective laser sintering,SLS)和熔融沉積式(fused deposition modeling,FDM),還有一些技術是用液體材料作為列印的「墨水」的,例如:立體平板印刷(stereolithography,SLA)、分層實體製造(laminated object manufacturing,LOM)。每種技術都有各自的優缺點,因而一些公司會提供多種印表機以供選擇。一般來說,主要的考慮因素是列印的速度和成本,3D列印機的價格,物體原型的成本,還有材料以及色彩的選擇和成本。

可以直接列印金屬的印表機價格昂貴。有時候人們會先使用普通的3D列印機來製作模具,然後用這些模具製作金屬部件。

累積技術 基本材料
選擇性雷射燒結(selective laser sintering,SLS) 熱塑性塑料金屬粉末、陶瓷粉末
直接金屬雷射燒結(Direct metal laser sintering,DMLS) 幾乎任何合金
熔融沉積式(fused deposition modeling,FDM) 熱塑性塑料共晶系統金屬、可食用材料
立體平版印刷(stereolithography,SLA) 光硬化樹脂(photopolymer
數位光處理(DLP) 液態樹脂
熔絲製造(Fused Filament Fabrication,FFF) 聚乳酸(PLA)、ABS樹脂
融化壓模式(Melted and Extrusion Modeling,MEM) 金屬線、塑料
分層實體製造(laminated object manufacturing,LOM) 金屬膜、塑料薄膜
電子束熔化成型(Electron beam melting,EBM) 合金
選擇性熱燒結(Selective heat sintering,SHS) Thermoplastic powder
粉末層噴頭3D列印(en:Powder bed and inkjet head 3d printing,PP) 石膏

印表機[編輯]

家用印表機[編輯]

RepRap 2.0版本孟德爾(Mendel)印表機
MakerBot Cupcake CNC印表機
Airwolf 3D AW3D v.4(Prusa)印表機

有一些機構以及公司正在努力開發一般家庭負擔得起的3D列印機,其中有許多是相關的。這項工作的推動,並有針對性地DIY/發燒友/早期採用者社群的學術和駭客社群的連結。

RepRap3D列印機是一個在桌面類的執行時間最長的計畫。RepRap計畫的目的是產生一個自由和開放原始碼軟體(FOSS)的3D列印機,其規格在GNU通用公共許可證下發行的,並可以列印自己的部分(列印件),以創造更多的機器。截至2010年11月,RepRap可以列印塑料件,並要求電機,電子和一些金屬支撐棒來完成。[來源請求]列印印刷電路板,以及金屬部件的裝置正在研究中。一些公司和個人出售部分建立不同的RepRap設計,開始於2012年的價格約€400 / 500美元[3]

由於RepRap具有的開放原始碼軟體的目的,許多相關的計畫都用它的設計中獲取靈感,創造一個生態系統的許多相關的或衍生的3D列印機,其中大部分也是開源設計。這些開源設計的可用性意味著,發明3D列印機的變體很容易。但是,不同的印表機設計的品質和複雜性不同,套件或成品的品質也良莠不齊。這種快速發展的開源3D列印機的正在得到越來越多的關注,無論是已開發國家和發展中國家都在大量客製和設計,因為它可以透過管道在公共領域使用,如Thingiverse製作的適當開源的技術。這項技術也可以協助在可持續發展,這種技術很容易在當地取得資源,因此十分經濟,以滿足他們的需求。

開放原始碼的Fab@Home計畫一般使用的印表機,可以使用一個噴嘴做出任何產品,從巧克力到矽密封劑和化學反應物。印表機可以從供應商的工具包計畫的設計或組裝的形式,在2012年該地區的價格是2000美元。[3]

許多這些印表機以套件形式提供的,還有一些是完全組裝好的形式。完全組裝好的Solidoodle2,一個6x6x6英寸的印表機的價格為499美元。印表機套件的價格從400美元為開源SeeMeCNC H-1,500美元的Printrbot,這兩者都是來自以前的RepRap印表機的衍生模型,到超過2000美元的Fab@Home的2.0雙注射器系統。

商用和家用印表機[編輯]

開發和能超級自訂的的基於RepRap的3D列印機製作了一類新的印表機,適用於住宅及商業用途。最便宜的組裝印表機是Solidoodle 2,而RepRapPro的DIY套件售價為680美元左右,是最便宜的和最可靠的。還有其他的進階工具包和完全組裝好的機器,是基於RepRap的機器增強型號,能以高速和高畫質晰度來列印。根據不同的應用,列印解析度和速度的程度介乎個人印表機和工業印表機之間。印表機的價格和其他資訊的清單被人維護[3]。大部分最近的delta robots已經用於3D列印來進一步的增加製造的速度。[4]

應用[編輯]

3D列印的限量版首飾的例子。這個項鏈是由玻璃纖維填充的染色尼龍。它具有的旋轉連結和其他部件都用了相同的製造步驟。攝影:Atelier Ted Noten

工業應用[編輯]

在20世紀80年代初以來,工業的3D列印機已經存在,並已廣泛用於快速成型設計和研究目的。這些通常是較大的機器,使用專有的金屬粉末,鑄造介質(如沙子),塑料或磁帶,並用於許多快速原型使用的大學和商業公司。製造工業用3D列印機的公司包括RenishawObjet GeometriesStratasys3D SystemZ Corporation公司。

快速成型[編輯]

快速製造[編輯]

在快速成型技術的進步所帶來的使用材料用於最終製造的能力。在材料的使用這些技術進步帶來的直接生產成品元件的前景。3D列印技術的優勢在於相對廉價的生產少量的零件快速製造。

民用和愛好者用[編輯]

3D列印服務[編輯]

有些公司提供網上線上的3D列印服務,既對消費者也對工業界開放。人們上傳自己的3D設計到3D列印服務公司網站,設計被透過工業的3D列印機列印後運到客戶。3D列印服務公司的一些例子是Shapeways,Kraftwurx,i.materialise和Freedom Of Creation。MakerBot工業的Thingiverse允許共享的3D列印檔案和作為一個社群資源。

新應用的研究[編輯]

其他應用程式將包括創造開放原始碼的科學裝置[5] ,或用於其他科學為基礎的應用程式,例如重建古生物化石,複製古老而珍貴文物,重建骨骼和身體各部位的法醫病理學,以及重建嚴重受損來自於犯罪現場調查的證據。

美國太空總署(NASA)資助美國一位工程師,設計3D食物印表機,如果機器設計成功,不僅能為長途太空任務提供食物,未來地球人類過多引發資源不足時,也能直接印出食物餵飽大眾[6]

2013年11月,第一把3D列印金屬槍問世。[7][8][9]

2014年1月,第一個3d列印建築問世。[10]

大批次生產[編輯]

歷史建築與數位典藏[編輯]

歷史建築的紀錄過去常以圖面或照片等平面資訊紀錄,現代因科技發展而有3D掃描技術可較精準地將歷史建築數位化進行數位典藏,而以此為基礎之資料除可妥善保存外,亦可直接或經處理後成為3D數位模型,現在透過3D印表機可將原本僅存在數位世界中的資料實體化,數位化的製造過程更可將人為的誤差降到最低,免除過去建築模型以人工製作時所加入的人為意識或變更產生與實體不符之狀況。[11]

展覽會[編輯]

評價[編輯]

大部份媒體都予以了正面評價[12],或者因其成本過高而對其發展速度與規模產生了疑問。也有部份媒體對其列印物是否合法產生了懷疑,質疑其列印塑料槍械和手銬鑰匙威脅社會治安[13]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Sherman, Lilli Manolis. 3D Printers Lead Growth of Rapid Prototyping (Plastics Technology, August 2004). [2012-01-31]. 
  2. ^ 中國西北工業大學可一次3D列印超過5米的鈦金屬飛機部件
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3ders.org 3D printers list with prices
  4. ^ See for example the Rostock [1]
  5. ^ Pearce, Joshua M. 2012.「Building Research Equipment with Free, Open-Source Hardware.Science 337(6100): 1303–1304.open access
  6. ^ NASA資助工程師設計食物印表機. 台灣醒報. 2013-05-22 (中文(台灣)‎). 
  7. ^ 不止用塑膠首支金屬3D列印槍問世中國時報,2013-11-09。(正體中文)
  8. ^ 全球首款3D列印金屬手槍問世已射50發子彈中新網,2013-11-08。(繁體中文)
  9. ^ World's first 3D-printed metal gun successfully fires over 50 rounds
  10. ^ New giant 3D printer can build a house in 24 hours
  11. ^ 李家宇,《3D都市尺度雷射掃瞄在建築數位典藏之應用-以新竹縣北埔鄉、竹東鎮及大台北地區為例》,台北:台灣科技大學建築研究所博士論文,2012。
  12. ^ 讓夢想變成現實3D列印留足想像空間,中關村線上。
  13. ^ 鄭淵潔嘆3D列印:童話都不敢這麼寫,新華網。

外部連結[編輯]