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3D列印專題報導(二):3D列印的成形

3D列印的成形方式可分為三類,液態成形、固態成形以及粉末成形,本文對此三種成形類別分別進行介紹
 
 
 
3D列印的成形方式可分為三類,液態成形、固態成形以及粉末成形,本文對此三種成形類別分別進行介紹:

立體快速成形(Stereolithography, SLA)為液態成形方式的主要核心技術,透過成形頭,發射出雷射光束及紫外線光束,照射工作台中的光聚合物,使其固化成為一層薄片,每層薄片約0.1~0.5毫米。完成一層的產品薄片後,工作台便下沉一個單位長度,繼續第二層的動作。如此重複至工件高度,才完成一個工件產品,此種工件的精密度,取決於工作台的移動步幅,也就是可移動的最小單位。

光聚合物又稱為光敏材料,這種材料會吸收電磁輻射的能量,而產生固化的效果。而電磁輻射的波長範圍包含γ射線、X射線、紫外線(UV)或電子束,絕大部分的液態成形系統是使用UV當材料固化的激發源。當光聚合物材料受到UV照射時,會吸收UV的能量,而產生光聚合反應。光聚合反應就是材料中的光起始元素分子(Photoinititator)吸收到能量後,促使材料中的單分子物體與材料中的低聚體(Oligomer)產生聚合反應。此種反應會持續進行,直到終止UV光線的供應。在光聚合反應期間,該聚合物必須確保聚合物本體不會再分解回液態的單分子物體,也就是該反應應該屬於非可逆反應;此外,經過光聚合反應的物體應具有足夠的強度,在固化後的工件在受到各種外力後,可維持其結構性。

固態類型的3D列印技術是以固態材料為基礎,經由吸收能量束使材料融化附著至下層材料,工作台向上或下移動,逐漸堆疊成實體物品。固態型的成形技術主要分為兩類,一種是疊層式製造 (Laminated Object Manufacturing , LOM),利用滾筒式送料機構,運送如紙張般的材料至工作台上,接著雷射將材料進行切割,工作台下移使被移除而剩下的材料回收,而送出下一層的材料。滾筒機構透過熱壓滾筒將材料熔融,產生與下一層的附著力,如此往復成為實體物品。另一種為溶解積層製造(Fused Deposition Modeling, FDM),將材料利用加熱機構,溶解高分子材料,利用送料機構送至成形頭,從工作台的底部開始堆積成形。由於成形頭所送出之高分子材料受到空氣冷卻,很快就會固化成形;此種方式後來因為成本及耗材上相對經濟,而所使用的高分子材料的持續改善,演變成現在3D列印方式的主流。

粉末類的3D列印技術,主要是以粉末為成形的主要材料。在3D粉末成形的部分,主要分為兩類,一種是局部雷射燒結(Selected Laser Sintering, SLS),類似液態成形,以雷射為能量源,對粉末材料進行燒結的方式,再一層一層堆疊成為工件。另一種類似固態成形的第二類,將粉末材料熔融後,在成形頭擠出材料的方式。在第一種方式中,粉末在經由雷射燒結後,工作台向下移動,滾筒將粉末抹平,再進行下一道次的成形。而美國麻省理工學院所提出的3D列印專利技術,類似此原理,但成形頭並非使用雷射能源,而是將高分子黏合劑,噴到待成形的粉末上,滾筒將粉抹平,再進行下一層的成形,而粉末顆粒所形成的壓擠密度,對成品的機械性質有顯著的影響。

各種成形技術,各有其特色及優缺點,可以針對產品需要選擇合適的技術。(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
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