3d printed objects on the table in the laboratory

3D列印可以做什麼?認識3D列印機應用、原理和常見技術

您可能已經聽過3D列印這個詞,但您知道它是如何運作的嗎?3D列印是一種利用電腦控制的機器,將不同的材料層層堆疊起來,形成各種形狀和大小的物體的技術。它可以製造出從玩具、飾品到飛機、汽車等各種產品,甚至還有人用它來建造房屋!

在這篇文章中,我們將介紹3D列印的基本原理、常見的技術和材料,以及它在不同產業中的應用。無論您是想要了解更多關於3D列印的知識,還是想要嘗試自己動手製作一些有趣的物品,都可以從這篇文章中獲得一些啟發。

什麼是3D列印?

相對於切削等等的減法加工,3D列印為加法加工。

3D列印為將原材料(液態、漿態或粉末)依工件外型,逐層固化成形的成形製程總稱。


3D列印的好處和優勢

  1. 降低生產成本:適合少量多樣的製作,不需要靠大數量來以量制價。
  2. 節省材料成本:相較於傳統的減法製造,加法製造可大幅減少材料浪費。
  3. 提升效率,縮短生產時間:快速且精確的列印,大幅縮短模具設計修改與打樣的時間。
  4. 解決困難產品設計: 3D列印可實現許多傳統減法製造因加工難度或成本考量而較難實現的設計,如:產品輕量化、特殊形狀設計、局部結構強化等。
  5. 節省組裝時間:3D列印能將數個零件結合,一體成形的生產製造,節省後續零件組裝的時間。
  6. 更即時的創意展現與想法溝通:透過3D列印快速打樣取得樣品,使想法創意能即時的完整呈現,並與設計團隊做更有效率的溝通。

常見的3D列印技術及原理

不同材料性質有不同列印技術,針對不同材料的3D列印,科學家與工程師們發展出了常見的技術有以下三大類:材料擠製、光固化、粉體熔融成型

1)材料擠製

依照目標物體輪廓,層層堆疊、逐層擠出液化材料,再透過物理(冷卻)或化學(水解)方式固化成形。

材料擠製常見技術

➤ FDM(熔融沉積成型 Fused Deposition Modeling)

優點:材料選擇多元、設備成本較低。
缺點:微小細節無法成形、列印失敗率較高。

2)光固化

利用紫外光,將液態材料固化而成形的技術總稱。

由於可透過紫外光固化之材料有限,因此可使用的材料種類也受到限制,且多為樹脂。分為逐層固化(DLP/LCD)與逐點固化(SLA);逐層固化列印速度較快,而逐點固化表面細緻度較佳。

光固化常見技術

➤ LCD:紫外光面板 Liquid Crystal Display

優點:設備成本低、大尺寸列印穩定性高。
缺點:微小細節不易成形。

➤ DLP:紫外光投影 Digital light processing

優點:微小細節容易成形、列印速度極快。
缺點:大尺寸列印易變形、設備成本高。

➤ SLA:紫外光雷射 Stereolithography

優點:細節呈現最佳、表面平滑度高。
缺點:大尺寸列印易變形、列印速度慢、設備成本高。

3)粉體熔融成型

透過雷射逐層燒結(SLS)或融化(SLM)粉末而成形。 SLS與SLM技術原理相似,主要差異為材料種類與其固化原理。 列印過程中,未固化之粉體材料同時作為支撐材,因此兩者皆能將複雜零件或活動零件一次成形、也是目前最符合產品量產標準的製造技術。

粉體熔融成型常見技術

➤ SLS:選擇性雷射燒結 Selective Laser Sintering

優點:可列印工業上廣泛運用的Nylon或彈性TPU。
缺點:無法列印中空結構、設備成本高。

➤ SLM:選擇性雷射熔融 Selective Laser Melting

優點:可列印包含鈦合金在內的多種金屬。
缺點:無法列印中空結構、設備成本極高。

以下我們會針對這三種類別分別介紹其所能運用之材料。


3D列印的產業應用

產業應用依照各行各業之製作與材料需求而異,以下我們提供一些當前業界的應用範例。

1)航太、汽車工業-FDM、SLM

➤ FDM

  • 低負荷金屬取代件:特殊形狀鎖固零件(碳纖維混合Nylon)。
  • 外觀零件:耐濕與耐紫外線之空氣力學零件(ASA)。
  • 耐燃零件:駕駛艙內面板與非金屬零件(PEEK)。

➤ SLM

  • 內藏管路之零件:引擎缸體、火箭引擎冷卻系統等。
  • 由生成設計而成之高複雜零件:汽車碟煞與懸吊系統等。
  • 管狀零件:氣體、液體管路等。
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2)工業設計-FDM、光固化、SLS

➤ FDM

  • 快速外觀打樣與製作
  • 少量多樣的零件生產

➤ 光固化

  • 開模用原型製作

➤ SLS

  • 少量多樣的零件生產(表面細緻度較佳)

3)藝術設計-FDM、光固化

➤ FDM

  • 快速作品打樣與製作

➤ 光固化

  • 高精細雕塑作品製作

4)建築工業-FDM

  • 建築模型製作
  • 特殊造型之室內裝修
  • 房屋建築(水泥)

5)電子產業-FDM

  • 防靜電元件盤(ESD-Safe 材料)

常見的3D列印材料

  1. 泛用、工程用塑膠:
    • FDM:PLA, ABS, ASA, PETG, PC, Nylon (PA), TPU.. 等
    • SLS:Nylon (PA) 或 TPU。
  2. 高階塑膠:(耐熱、耐化學、耐酸鹼、不燃等特殊需求之塑膠)
    • FDM:PSU, PPSU, PPS, PEEK, PEKK.. 等。
  3. 樹脂:
    • FDM:Ultem 9085, Ultem 1010.. 等。
    • SLA / DLP / LCD:各類樹脂,包含工程取向之樹脂。
  4. 特殊塑膠:
    • FDM:ESD防靜電塑膠、纖維混合塑膠等。
    • SLS:碳纖維混合Nylon (PA)。
  5. 水解材料:
    • FDM:水泥、黏土等。
  6. 金屬:
    • FDM:銅、不鏽鋼、工具鋼等,列印後需燒結成形。
    • SLM:鋁、鎳、鐵、鈦、鈷、銅等金屬合金。

認識Rat Rig V-Core 3.1

Rat Rig V-Core 3.1是一款高品質的CoreXY 3D列印機套件,它具有許多優點,例如:

  1. 它可以自由選擇不同的尺寸和配置,以符合使用者的需求。
  2. 它採用了高強度的鋁型材和線型滑軌,提供了穩定和精確的列印品質。
  3. 它使用了BTT Octopus v1.1主板、Phaetus Rapido UHF熱端、Bondtech LGX Lite擠出機等高性能的電子元件。
  4. 它支援了多種硬體和控制器,例如Klipper、Marlin、RepRapFirmware等。

與其他品牌的3D列印機相比,Rat Rig V-Core 3.1 提供了更高的自由度、更好的性能、更低的價格。
如果您是一位有經驗且喜歡自己動手組裝和調整3D列印機的使用者,那麼Rat Rig V-Core 3.1是一個不錯的選擇。

3D列印的常見問題

  1. 3D列印機可以用來製作哪些物品?

    3D列印機可以用來製作各種物品,例如玩具、零件、鞋子、珠寶、家居裝飾品等等。只要有3D模型,就可以使用3D列印機進行印刷。

  2. 3D列印機能製造多大的物品?

    3D列印機的製造尺寸因機型而異,一般來說可以製造的尺寸範圍小到如一個硬幣,大到如一張茶几。
    Rat Rig V-Core 3.1 最大列印尺寸可打50公分立方,是業界少見能夠大尺寸列印的機台。

  3. 3D列印機的成本和耗材費用是多少?

    3D列印機的成本和耗材費用因機型和所需的材料而異,且耗材費用也會因材料不同而有所變化。(請參考我們的材料選擇指南
    3D列印機的價格帶可略分為三個級距:入門型約1萬至3萬台幣之間,進階型約3至30萬台幣之間,而工業型約30萬以上。
    Rat Rig V-Core 3.1 價格區間雖落在進階型範圍,但其硬體規格皆有達到工業型列印機之要求,給你性能、穩定性與經濟性的絕佳平衡!

  4. 3D列印機的列印速度如何?

    3D列印機的列印速度因機型、列印品質和所需的時間而異。一般來說,列印一個中等大小的物品需要幾小時甚至數十小時。以Rat Rig V-Core 3.1來說,列印手掌大小的零件,最快僅需2-3小時即可列印完成。

  5. 3D 列印可以有哪一些應用?

    3D 列印在眾多領域都有應用,包括但不限於:
    製造業:用於製造原型、模具和定制件。
    醫療領域:製作仿真器官、定制義肢和外科手術模型及部分醫療耗材。
    教育:用於教學、學生設計和創造力培養。
    建築設計和建造:建立建築模型和建築元件。
    藝術和設計:創造藝術品和設計產品。
    汽車和航空工業:製造輕量化零部件和原型。
    紡織業:生產3D列印的紡織品和服裝。

  6. 3D列印機有哪些耗材?

    一般較常見的 FDM 耗材:
    1.列印所使用的各種原料線材
    2.噴嘴
    3.導螺桿
    4.線性軌軌
    5.擠出機齒輪
    6.解耦器
    7.熱端喉管
    8.加熱器總成
    9.PEI 成形平台

    一般較常見的 SLA 耗材:
    1.各式樹脂
    2.成形平台
    3.成形槽

  7. 3D列印很貴嗎?

    3D列印的費用會受多個因素影響,包括列印技術、耗材類型、列印尺寸和複雜程度等有不同訂價方式。

  8. 3D列印日常可以用來做什麼?

    家居用品:製作家具零件、裝飾品、花瓶、燈具等。
    個性化禮品:製作個性化的禮品,如3D列印的名字或照片樣式的鑰匙扣、手機殼等。
    玩具和模型:製造各種自己設計的玩具和模型,也可以下載網上的模型進行列印。
    廚房用品:製造獨特的廚房工具,如烤模、烘焙模具等。
    花園和農業用品:製作花園工具、植物種植器皿等。
    手工藝品:創作各式各樣的手工藝品,如手鍊、耳環、手錶帶等。
    手機配件:製造手機支架、充電座、手機殼等。
    文具用品:製作文具盒、筆筒、書籤等。
    家用工具:製造替代品或改進版的家用工具,如瓶子蓋、鉸鏈、門把手等。

    實際上,3D列印技術不斷發展,應用範圍不斷擴大,創意運用這項技術就能隨時印出令人意想不到的東西!

  9. 3D列印的材料有哪些?

    3D列印的耗材種類眾多,常見的包括:

    塑膠:PLA、ABS、PETG等。
    樹脂:光固化樹脂,如聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(Polyethylene Glycol Diacrylate, PEGDA)。
    金屬:鋁合金、不鏽鋼、鈦合金等。
    纖維:碳纖維、玻璃纖維等。
    陶瓷:瓷土和陶瓷材料。

    更多關於3D列印材料介紹請參考這篇:常見3d列印材料種類、各式材料特性及該如何應用?

  10. 3D 列印技術有哪些?

    3D 列印技術包括但不限於以下幾種:

    FDM(熔融沉積成型):這是最常見的3D列印技術,通過熱塑性材料層層堆疊來創建物體。
    SLA(光固化):使用紫外線光照射液態樹脂,逐層固化來製造物體。
    SLS(選擇性激光燒結):使用高功率激光束將粉末狀材料燒結在一起來製造物體。
    金屬3D列印:使用激光或電子束將金屬粉末熔化來製造金屬零件。
    陶瓷3D列印:通過陶瓷材料的層層堆疊和燒結來製造陶瓷物體。

  11. 為什麼要3D列印?

    每個技術都有它研發發展的需要和必要性,3D列印技術的發展幫助許多產業、醫療領域在設計生產上加快效率!

    提高任何設計打樣生產的可能性,能夠製造獨特的產品和零部件。
    製造效率高、速度快,可以快速打樣優化,加速產品開發
    相較於其他生產方式更為環保,只使用所需材料,減少浪費。
    能夠製造複雜的幾何形狀,克服傳統製造難以實現的結構。
    能夠應用在醫療領域,幫助醫療發展。

  12. 3D列印要多久?

    3D列印的時間取決於物體的大小、設計複雜度、設備等級等條件。
    小又簡單的東西可能可以幾分鐘,大又複雜的東西可能需要耗時幾小時甚至幾天

  13. 3D列印耐熱嗎?

    耐熱性取決於所使用的列印材料,每個材料能耐熱的程度都不同!
    某些3D列印材料具有良好的耐熱性能,例如一些特殊的高溫塑料和金屬材料,能夠承受高溫環境,但一般常見的塑料材料(如PLA和ABS)的耐熱性較差,不能承受極高的溫度。

  14. 3D繪圖軟體有哪些?

    Autodesk Fusion 360
    Blender
    SketchUp
    Tinkercad
    SolidWorks
    AutoCAD
    Rhino
    ZBrush

  15. 3D列印防水嗎?

    3D列印的防水性取決於所使用的材料和列印過程。
    一些特殊的樹脂和塑料材料具有較好的防水性能,但一般來說,大部分塑料和樹脂材料都不是完全防水的。
    如果需要具有完全徹底防水性,建議再採取額外的防水處理措施或者特別選擇高抗水性材料。

  16. 3D列印環保嗎?

    3D列印若和過去傳統製造方式相比是相對環保的技術。
    相比傳統的大規模製造,3D列印只使用所需材料可以減少耗材的浪費。

  17. 3D列印堅固嗎?

    3D列印的堅固性也取決於所使用的材料、列印參數及設備等級。
    一些工程級設備和材料可以製造非常堅固的零件,適用於載荷和應力較大的應用,建議在列印前和專業技術人員討論,提供未來使用的需求讓專業人員給予合適的建議!

  18. 三維列印有什麼壞處?

    速度較慢:要製作大型產品,3D列印就會相對耗時。
    材料有限:目前可用的3D列印材料種類有限,且部分高性能材料價格昂貴。
    成本較高:儘管成本在下降,但3D列印仍然相對昂貴,特別是對於大批量生產。
    不適合大規模生產:3D列印適合小批量定制和快速原型,但對於大規模生產可能不是最佳選擇。
    表面粗糙度:部分3D列印過程會產生較粗糙的表面,可能需要後處理來改善外觀。
    設備和技術要求:需要適當的3D列印設備和相應的技術知識。

  19. 三維列印有什麼好處?

    高自由度:提高任何設計打樣生產的可能性,能夠製造獨特的產品和零部件。
    快速原型:能夠迅速製作出物體的原型,節省開發時間和成本。
    無需模具:相比傳統製造方式,3D列印無需模具,節省製造費用和時間。
    小批量生產:適合小批量定制生產,無需大量庫存,減少存貨成本。
    生產效率:當需要定制化或個別生產時,3D列印可提供更高的生產效率。
    環保節能:相比傳統製造方式,3D列印能夠減少材料浪費和能源消耗。

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