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技術趨勢
設計、生產一次到位! 3D列印的生活應用與未來趨勢
2020.04.16∣瀏覽數:1439

3D列印不只是過去的快速打樣,已為全球推動「工業4.0 」及「智慧機械」的重要技術之一,涵蓋機械、光電、 材料及資訊,至後端創新應用及商業服務等,為一種創新製造模式,使傳統製造方式邁入高客製化量產數位製造技術的時代。3D列印的優勢,包括材料加法製造,擁有更高的材料使用率,不需要模具,可以製造結構複雜的物件、內部特徵及結構客製化、增加產品設計彈性,更容易開發過去傳統製造無法達成的應用發展,近幾年來無論是生活消費品、汽車、醫療、航太、工業、國防、食品等各領域都有非常大的發展及應用。目前全球與3D列印應用相關設備、材料市場規模達20多億美元,若透過這種新3D列印數位製造技術完成的零組件與產品,價值可能更高達數百億美元。此外,隨著越來越多企業、個人使用3D列印零組件與產品,將創新應用的思維導入,市場規模將大幅成長。
文 ◆ 國立臺灣科技大學 機械工程學系、高速3D列印研究中心 葉雲鵬、鄭正元

近年來隨著積層製造技術發展成熟,越來越多的產業開始將積層製造技術應用於功能性產品的直接生產製造應用上,然而現行積層製造製程與設備仍面臨許多挑戰,如高生產率、大面積、精度、表面粗度、支撐設計、產品輕量化等, 而在3D列印技術中,若將材料圖案成形及能量提供控制分開,將可而達到高速與高精度的數位製造技術,其中以黏著劑噴印成型法及光固化樹脂成型法可透過高速多噴嘴或數位光源定義成形位置精度,高熱能或紫外光能快速使材料於所定義位置成形的優勢,甚至極高功率雷射直接快速沉積,並於單一機台完成,兼具自動化及功能性材料選擇的效能與優勢,達到高速度與高精度之數位製造方法。

高速3D列印(High Speed 3D Printing) 快速精準啟動數位製造
3D列印技術有兩個要點,一為圖案化, 一為材料的相轉變,以往3D列印技術是使用單能量源在特定的位置上成形物件,若在單一機台上可容易自動化,為極佳之打樣技術,但在符合製造業生產的條件下,目前的挑戰是生產速度慢以及產品精度與可靠度的 提升,現下製造技術之特性,均是複合式製造,兼具精度與速度;以塑膠射出成型製程為例,使用數種加工方法製作模具以具有精度,再以加熱方式熔化塑膠材料與機械擠壓高能量方式擠入模穴,而得以能具有高速生產高精度塑膠件;半導體製程亦是使用光罩定義精度再以顯影及蝕刻而能快速製作微小特徵。

在3D列印技術中,若將材料圖案成形及能量提供分開,將可而達到高速高精度的技術,其中以黏著劑噴印成型法及光固化樹脂成型法可透過高速多噴嘴定義成形位置精度,高熱能或紫外光能快速使材料於所定義位置成形的優勢,甚至極高功率雷射直接快 速沉積,並於單一機台完成,兼具自動化及功能性材料選擇的效能與優勢,達到高速度與高精度之數位製造方法。

黏著劑噴印成型法
惠普(HP)於2018年五月正式發表3D印表機機台,為黏著劑噴印成型技術的一種,主要是透過獨特研發的多射流熔融技術(Multi Jet Fusion, MJF),依不同的噴墨元件噴塗元件製作全彩3D零組件,其噴墨元件每秒可噴塗3000萬的噴墨點,每一噴墨點約 20µm,噴墨元件噴塗包括了材料、材料熔融熱觸媒、精度細化劑、多色墨水等,列印步驟首先透過助熔劑噴塗將列印材料的顆粒粘合在一起,形成一層實體物件,於此同時於界面噴塗細化劑,使列印部件獲得所需要的強度及精度定義,之後再以高功率之紅外光熱能燒熔成型區域,以此方式3小時內即可列印出1000個齒輪(可列印 體積380mmX284mmX380mm),相較於材料擠製列印成形技術(Material Extrusion)及 選擇性雷射燒結成形技術(Selective Laser Sintering),速度超過10到30倍的列印速度。

惠普(HP)於2019年3月延續多射流熔融技術並發表「高速全彩3D列印機台」,搭配青色(Cyan)、洋紅色(Magenta)、黃色(Yellow)、 黑色(Black)等四分色的彩色列印套色模式, 利用三原色混色及黑色墨水原理,在列印物件除了噴塗助熔劑及細化劑外,同時也依列印物件所需之配色於界面噴塗及上色,使得3D列印物件不再只有單一顏色,未來可再透過創新研發新材料的應用,大大加速創新零組件之開發,可縮短新產品開發時間,增進製造彈性與能力,使企業能滿足客戶大量客製化與加速產品創新的需求。

光固化樹脂成型法
另一可達高速3D列印的技術為光固化樹脂成型法,過去其列印所使用之光固化樹脂具有黏滯性,早期是以上照式光源提供能源列印,每層光固化樹脂經雷射光源照射後固化,此時列印平台再下降一定高度,由於液體表面張力會使樹脂產生不平整表面,無 法填平欲加工的下層加工層。為了解決此問題,使用深降法 (Deep Dip),將平台下降多一點,使樹脂填滿後再上升至欲加工的高度,之後再破壞表面張力,列印下一程序, 但此方法所使用之樹脂昂貴,列印時須大量提供,再加上述列印程序所需的時間而無法達到高速列印的需求。而改以下照式光源提供能量方式列印,可改善以往製程上往復移動的時間、機構設計複雜、光固化樹脂保存問題以及材料浪費等問題,所以現今桌上型光固化製造法主要都使用下照式光固化樹脂成型,但此方式在光照過樹脂後,樹脂由液體變成固體時會附著在成型平台底部的透明平板或玻璃上,因此會產生黏著的問題;此 外,過去所使用的光源主要以雷射光提供能量,提供加速固化的雷射光或成型光源,並非完全照射到樹脂完全硬化,而是先照射出指定輪廓及路徑固化;雷射光源掃描路徑需要XY兩軸,單層所需要掃描路徑的時間也無法縮短。因此為了更進一步提高列印的速度,改以數位光源(如Digital Light Processing (DLP) 或手機光源)提供能量,此光源為平面式光源,其列印平台僅需控制單一Z軸,且發光成本也較雷射光源來得低,故使用DLP或手機光源之3D列印技術將大幅降低機器成本, 縮短列印的時程,形成未來桌上型高性能低價格之主要技術,也符合未來智慧機械-數位製造的需求。

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