不同的3D列印技術大哉問!

概述

為特定的應用選擇最合適的3D列印技術(加法製造,Additive Manufacturing)可能是件困難的事。目前,可用的3D列印技術和材料種類有非常多,但是每種技術在尺寸精度,表面平滑度、透度和後處理要求方式都存在著差異。透過這篇文章,我們將對每種加法製造技術間的差異進行分類和綜合比較。我們將談及當前最普遍的3D列印技術、常見的應用方式與材料。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

光固化3D列印技術

光固化技術是指:當光敏樹脂經歷特定波長的光照射而產生化學反應進而固化。(有關光固化更詳細的解釋,歡迎點此了解。)許多加法製造的技術就是用這種方式將物件一層一層堆積起來。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

技術介紹:

雷射光固化技術(SLA)

雷射光固化技術(SLA)是透過將成型平台浸入裝有液體光敏樹脂的成型槽中,在將成型平台浸入成型槽中的樹脂時,位於機器內部的雷射模組以雷射光照射的成型槽底部截面,進而固化材料。在固化一層樹脂後,成型平台會上升,讓新的樹脂流到已固化的物件下方,再進行下一層的固化,重複該過程直到整個物件成型。一般來說,我們會透過UV光,將成型後的物件做二次固化,讓它的機械性能發揮得更完整。

數位光處理技術(DLP)

DLP技術的成型方式跟SLA的大致相同,主要區別在於DLP使用的是數位投影幕,一次的照射就可以成型一個面。因為投影儀是數字屏幕,所以每一層的圖像都是由正方形像素組成的,因此一層由稱為像素的小矩形磚形成。與SLA相比,DLP列印的時間可能更快,因為每次照射可固化一層,而不是用雷射光追蹤橫截面。

連續直接光處理(CDLP)

連續直接光處理(CDLP)(也稱為連續液體界面生產或CLIP)列印物件的方式與DLP幾乎完全相同。不過,它是靠在底板在Z軸上的連續運動。這樣可以縮短成型時間,因為不需要在每層列印後暫停,並將成型平台上的物件與成型槽的分離。

 

應用

光固化3D列印技術能夠印出具有精密細節的物件,且具有很好的表面透度與光滑度。也因此光固化技術是珠寶產業、注塑成型、牙科以及醫療相關應用的理想選擇。光固化的主要限制是生產物件的脆性。

技術主要廠商材料
雷射光固化技術(SLA)Formlabs, 3D Systems, DWS一般樹脂、高韌性、彈性、高強度、透明與可鑄用樹脂等。
數位光處理技術(DLP)B9 Creator, MoonRay一般樹脂與可鑄用樹脂等。
連續直接光處理(CDLP)Carbon3D, EnvisionTEC一般樹脂、高韌性、彈性、透明與可鑄用樹脂等。

 

粉床熔融成型

粉床熔融成型(PBF)技術使用熱源來固化物件,該熱源會在塑料或金屬粉末的顆粒間引起熔合(燒結或熔化)。 大多數PBF技術採用特殊的方式來散佈與鋪平粉末薄層,進而固化物件,在成型結束後將最終物件封裝在粉末中。 PBF技術的主要變化來自不同的能源(例如激光或電子束)和固化過程中所使用的粉末種類(塑料或金屬)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

從SLS過程中移出粉末,列印部分仍然存放於未燒結的粉末中

技術介紹:

選擇性雷射燒結(SLS)

SLS使用雷射將粉末狀材料的薄層一次燒結一層,從而生產出堅固的物件。該過程開始於在成型平台上散佈初始粉末層。物件的橫截面被激光掃描並燒結,達到固化。然後,成型會平台下降一層厚度,再固化新的一層粉末。會一直重複該此過程,直到生產出堅固的物件為止。最後物件會完全包裹在未燒結的粉末中,只要將物件從粉末中取出,清洗後即可使用或進一步後處理。

SLM和DMLS

選擇性雷射熔化(SLM)和直接金屬雷射燒結(DMLS)固化物件的方法都跟SLS很類似。主要區別在於SLM和DMLS用於金屬物件的生產。 SLM使粉末完全熔化,而DMLS將粉末加熱到接近熔化溫度,直到它們化學融合在一起。 DMLS僅適用於合金(鎳合金,Ti64等),而SLM可以使用鋁等單一成分的金屬。與SLS不同的是,SLM和DMLS需要支撐結構來補償在構建過程中產生的殘餘壓力,這有助於減少翹曲和變形的可能性。 DMLS是最完善的金屬加法製造技術,擁有最大的安裝基礎。

電子束熔化(EBM)

EBM使用高能束而不是激光來促成金屬粉末顆粒之間的熔融。聚焦的電子束掃描粉末的薄層,從而在特定的橫截面區域上發生局部熔化和固化。電子束系統在物件中產生的殘餘應力較小,因此變形的可能性較小,因此支撐材的需求也減少了。此外,與SLM和DMLS比起來,EBM消耗的能量更少,並且可以更快地將每層固化,不過細威特徵、粉末顆粒尺寸、層厚度和表面平滑度通常較差。 此外,EBM需要在真空中生來固化物件,且只能與導電材料一起做使用。

多噴射融合(MJF)

MJF基本上是SLS和材料噴射技術的結合。成型方式是帶有噴墨噴嘴(類似於台式機2D打印機中使用的噴嘴)經過打印區域,將熔化劑沉積在塑料粉末薄層上。同時,在物件的邊緣附近印刷了防止燒結的精細劑。接著,高功率的紅外線能量會流過成型平台並做燒結的動作,熔化劑會做分配,其餘為固化的粉末則保持不變,重複此固化的過程,直到物件完成。

 

應用

基於聚合物的PBF技術讓設計自由度變得很大,因為不需要支撐,所以可以製造複雜的幾何形狀。 金屬和塑料PBF零件通常都具有非常高的強度、剛度與機械性能。且它有有大量的後處理方式,這代表著PBF零件具有非常好的精密度與表面光滑度,也因此它們常常用於製作最終產品。 PBF的侷限主要在原列印物件的表面粗糙度和內部孔隙率,加工過程中的收縮或變形以及與粉末處理等挑戰。

技術主要廠商材料
SLSEOS, Stratasys

尼龍,鋁化物,碳纖維填充尼龍,PEEK,TPU

SLM/DMLSEOS, 3D Systems, Sinterit鋁、鈦、不銹鋼、鎳合金、鈷鉻合金
EBMArcam鈦,鈷鉻合金
MJFHP尼龍

 

熱融沉積(FDM)

類似於將牙膏從管中擠出的方法,材料擠出技術通過噴嘴將材料擠出到模板上,噴嘴遵循預定路徑逐層成型。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FDM透過預設路徑將熱塑性材料從加熱噴嘴中擠出,從而形成物件

熔融沈積(FDM)

FDM(有時也稱為熱融沉積工或FFF)是使用最廣泛的3D打印技術。 FDM使用細絲狀的固態熱塑性線材來列印物件。將線材經過加熱的噴嘴時會熔化,接著列印機連續移動噴嘴,按照預定路徑將熔化的材料放置在精確的位置。當材料冷卻時便會固化,依此方式逐層固化物件。

 

應用

熱融沉積是生產塑料原型的一種快速且具經濟效益的技術。工業FDM系統還可以使用工程印製生產功能性物件。不過,FDM具有尺寸與精度的限制。

技術主要廠商材料
FDMStratasys, Ultimaker, MakerBot, MarkforgedABS、PLA、尼龍、PC、纖維增強尼龍、ULTEM、異材質線材(木頭填充、金屬填充等)

 

材料噴塗成型技術

材料噴塗成型技術通常會與2D墨水噴射過程進行比較。金屬或蠟在經過紫外線照射或者高溫的情況下硬化或固化後,可以直接成型一層。材料噴塗成型技術可以一次使用多款材料,這項功能讓使用者可以不同材料列印物件與支撐材。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

材料噴塗列印機通常很大

技術介紹

材料噴塗技術

材料噴圖成型技術是透過上百個較小的噴頭來一層一層固化物件。這讓材料噴塗可以較快速且逐行成型的方式進行固化,與其他點式成型的技術相比是較為快速的。當液體沈澱到成型平台時,會被紫外線固化。材料噴塗技術是需要支撐材的,不過支撐材通常是在成型過程中同時以可溶解的材料去進行印製,因此支撐材在後處理時很容易去除。

奈米顆粒噴塗技術(NPJ)

奈米顆粒噴塗技術(NPJ)使用包含金屬奈米顆粒或載體奈米顆粒的液體,將其作為盒狀形式裝入列印機,並以極薄的液體層噴塗到成型平台上,其內部的高溫會讓液體蒸發,進而留下金屬物件。

依需噴塗列印技術(DOD)

材料噴塗列印機具有2個打印噴頭:一個用於建構物件本體(通常為蠟狀液體),另一個用於建構可被溶解的支撐材。與傳統的AM技術類似,DOD列印機遵循預定的路徑並以逐點方式去固化物件。此外,此技術的機器也採用飛刀,在固化每一層後會刷過成型平台,確保在列印下一層之前獲得完美的平面。 DOD技術通常用於生產蠟質物件,可用於脫蠟鑄造/熔模鑄造以及製作模具等。

應用

材料噴塗技術是原型打樣的理想選擇,它可以印出非常精緻的細節、高精度和表面平滑度。材料噴塗技術讓使用者可在同一次列印中,運用多種顏色以及多種材料。材料噴塗技術的主要缺點是:成本較高、紫外線固化後的光敏樹脂較脆的特性。

技術主要廠商材料
材料噴塗技術Stratasys (Polyjet), 3D Systems (MultiJet)高硬度、透明、類橡膠、類ABS等。可一次以多款材料/顏色印製。
奈米顆粒噴塗技術(NPJ)Xjet不鏽鋼、陶瓷
依需噴塗列印技術(DOD)Solidscape蠟質材料

 

黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting)

黏著劑噴塗成型技術是將黏著劑擠壓到粉床上,一層一層固化物件的成型技術,每層之間彼此連結因而形成固體物件。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

一個從粉末堆中取出,以黏著劑噴塗成型技術印製的物件。

黏著劑噴塗成型技術 (Binder Jetting)

黏著劑噴塗成型技術是將黏著劑擠壓到粉末材料薄層上,而粉末材可能是陶瓷的(例如玻璃或石膏)或者金屬(例如不銹鋼)。列印噴頭會在成型平台上移動,進而將黏著劑滴至成型平台上,一層一層固化,其原理類似2D打印機在紙上打印墨水的方式。在上一層完成後,粉床會向下移動,新的一層粉末散佈到成型平台上,機器會重複這個過程,直到物件完成。列印完成後,物件一般會是綠色的狀態,需要額外的後處理才能做進一步的使用。一般會採用添加浸漬劑的方式來改善物件的機械性能。浸漬劑通常是氰基丙烯酸酯(陶瓷材料的狀況下)或青銅(金屬材料的狀況下)。

應用

運用陶瓷材料的黏著劑噴塗成型技術 (Binder Jetting) 對於需要展現美感與外觀的物件來說非常合適:例如建築模型、外包裝、人體工學驗證等。不過它較不適合用來做功能性的物件,因為物件較易脆。此外,它也常被用來製作砂鑄的模具。

運用金屬材料的黏著劑噴塗成型技術 (Binder Jetting) 則可用來做功能性的物件,它會比SLM技術或者DMLS技術更符合金屬粘合劑噴射零件可用作功能部件,並且比SLM或DMLS金屬零件更符合成本效益,不過機械性能還是相較差一些。

技術主要廠商材料
黏著劑噴塗成型技術 (Binder Jetting)3D Systems, Voxeljet矽沙、PMMA微粒、石膏粉
 ExOne不鏽鋼、陶瓷、鈷鉻合金、碳化鎢

 

指向性能量沉積技術(Direct Energy Deposition)

指向性能量沉積(DED)是透過將粉末材料融化來製作物件,主要的材料是金屬粉末或金屬絲,因此,這項技術也被稱為金屬沉積技術。

技術介紹

雷射光凈成型技術 (LENS)

雷射光淨成型技術是利用一個由雷射激光、粉末噴嘴與惰性氣體管組成的噴嘴來成型,一層一層去融化由粉末噴嘴噴出的粉末,進而逐層固化物件。雷射光在成型平台上會形成一個熔池,粉末由噴嘴噴入熔池後,會先融化再固化。它的基底通常是一塊平坦的金屬板或者是金屬材料可被直接添加的現成物件(例如在維修的狀況時)。

電子束熔化成型技術(EBAM)

電子束熔化成型技術(EBAM)是用電子束作為熱源將金屬粉末或金屬絲做焊接進而製造金屬物件。這個成型技術類似於雷射光淨成型技術(LENS),不過電子束比起雷射光束更有效率,並且可在真空中成型,此技術最初是在太空中使用而設計的。

 

應用

運用陶瓷材料的黏著劑噴塗成型技術 (Binder Jetting) 對於需要展現美感與外觀的物件來說非常合適:例如建築模型、外包裝、人體工學驗證等。不過它較不適合用來做功能性的物件,因為物件較易脆。此外,它也常被用來製作砂鑄的模具。

運用金屬材料的黏著劑噴塗成型技術 (Binder Jetting) 則可用來做功能性的物件,它會比SLM技術或者DMLS技術更符合金屬粘合劑噴射零件可用作功能部件,並且比SLM或DMLS金屬零件更符合成本效益,不過機械性能還是相較差一些。

技術主要廠商材料

雷射光凈成型技術 (LENS)

Optomec鈦、不鏽鋼、鋁、銅、工具鋼
電子束熔化成型技術(EBAM)Sciaky Inc鈦、不鏽鋼、鋁、銅鎳、鋼4340

 

文件來源:https://www.3dhubs.com/knowledge-base/additive-manufacturing-technologies-overview#/powder-bed-fusion

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