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3D列印專題報導(一):3D列印原理

3D列印技術有幾個主要步驟,分為3D建模、3D離散處理、3D轉2D分層處理、3D製作。由於3D列印為一層一層的製作,所以在工業上又被稱作「積層製造」或是「快速原型」
 
 
 
3D列印技術有幾個主要步驟,分為3D建模、3D離散處理、3D轉2D分層處理、3D製作。由於3D列印為一層一層的製作,所以在工業上又被稱作「積層製造」或是「快速原型」。

3D建模是使用一般的3D繪圖軟體來製作。3D繪圖軟體可分為3D美工軟體及3D電腦輔助繪圖等兩大類,前者比較注重在外型設計與美工貼圖,針對外觀與造型;後者注重工業用途,針對製造加工與特徵尺寸。通常會由3D美工人員完成外型設計,再經由3D電腦輔助繪圖人員加以標示尺寸與可製作性的修改微調。

3D離散是因為設計時所用的曲線或曲面,在實際生產製造時,其列印設備有極限值,因此需將相關線條進行離散化,以符合實際生產製作時的需求。此部分通常由3D電腦輔助繪圖人員進行離散化的製作,已有輔助軟體可進行。

3D轉2D分層處理是將3D圖面切割成一層一層用於製作的2D圖面,此部分所切割的層數,會與3D列印機的解析度有關係,解析度越高的機器所切割層數會越多,所列印出的物件就會越精細,但所花的時間也越多。每層的厚度約從0.1~0.5毫米大小,厚度越薄,所花費的時間越多。

3D列印常用的檔案格式為STL檔案,可直接用於光固化成型輔助設計程式,這種檔案的特徵是將3D模型以一系列的小三角形來作近似模擬,這種三角形平面的格式沒有順序之分;而其構成方式為三個頂點座標與單位法向量來描述,每個頂點都有一組X,Y及Z的座標值,而其單位法向量指的是物體外部方向,而三角形的數量決定了工件的幾何精度,細部可能會有稍許失真的問題,且STL檔案還包含著缺面、共面及奇異點的問題,如何製作出可供3D列印的STL檔案,仍是許多輔助軟體的目標。其中,缺面指的是當3D圖面在進行離散計算時,由於點的位置處於面的交接線上,而在轉檔時產生不正常交接的情形,而產生的間隙;而共面指的是因設計上的疏忽,導致同一個面被畫上兩次而沒有注意到,這部分常發生在設計單一零件後,逐一組合起來的時候;而奇異點是指一些在數學上,一些奇異點在做離散計算時,由於小於最小加工精度,沒辦法計算出合適的接近點,所產生的問題。

在3D製作方面,就利用各種類型的3D印表機,根據經過分層處理的截面輪廓,透過成形頭,在工作台上堆積一層材料,如此層層堆疊結合,最終得到產品。在成形頭部份,其成形源可能是雷射、紫外線、高分子聚合劑及其他材料等。材料的堆積,有些方式是由工作台提供材料,經由固化或溶解固化堆積,有些是由成形頭提供材料及結合劑進行堆積。而堆疊移動的方式,絕大部分為垂直移動,有工作台下沉,有移除外模保留成品,也有成形頭上移的方式。

經由這些成形步驟,可獲得一件3D列印的產品,而所需花費的時間,就根據所需成形的高度與精度而定,就單件試樣或產品而言,相對於現有的製作組裝方式,3D列印產品可以省略大量的時間。(本文由科技部補助「學習在雲端―揭開科學與科技的神秘面紗」執行團隊撰稿)

責任編輯:盧妍竹
審校:徐偉智
 
標籤:3D列印(38)
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