3D列印的成形方式

3D 印表機這個詞彙出現以前，更常被人們所提及的是快速成型（RP，Rapid Prototyping），這是在正式開模大量生產之前所製造的樣品，用於校驗最終設計是否有問題。在 1980 年代，美國和日本的學者開始紛紛製造出能夠實作快速成型的機器，其中最有名的就是美國 Charles W. Hull 所提出的 SLA（Stereolithography Apparatus）立體平板印刷技術，同時也建構出目前快速成型經常使用的 .stl 檔。

切層、堆疊、加法製造

3D 列印的原理其實相當簡單，也就是目前我們使用的印表機 3D 版，將印出來的紙張層層堆疊，就會有個立體 3 維的形狀跑出來。如果將目前的印表機墨水替換成噴出後即可硬化固定的材質，再把噴頭從原本的 2 維移動（噴墨頭左右移動視為 X 軸、紙張饋紙視為 Y 軸），改為 3 維移動（加入噴墨頭高度的 Z 軸），就是目前 3D 印表機的基礎原理。

目前市場上最為主流的3D列印成型方式有

1.FDM（熔融沉積成型）

其核心技術是以熱塑性聚合物，通過特殊機器進行列印，而通常會透過加熱噴頭擠出材料，並讓噴頭擠出的材料列印範圍內層層堆疊、

FDM是最普遍的3D列印技術，其3D列印原料通常是在捲軸上輸送的熱塑性聚合物，通稱為線材；線徑寬度公定為1.75mm或3mm(或2.85mm)，再透過加熱噴頭擠出。加熱噴頭安裝在移動桿上，讓噴頭的擠出材料可以在列印範圍內層層堆疊、冷卻並固化於平台上以完成物體

其核心技術是相同的。首先將使用的材料加熱到一定的溫度後，形成半熔融狀態，將材料擠出在平面的架子上後迅速回復成固態。如此反覆進行堆疊作業，即可印出立體物件。

2.LOM（層狀物體製造）

又稱分層實體製造技術，最早由Michael Feygin於1984年提出關於LOM的設想，並於1985年組建了Helisys公司（後為Cubic Technologies公司），後來在1990年推出第一台商業機LOM-1015，成功將該技術商業化。LOM技術是當前世界範圍內幾種最成熟的快速成型製造技術之一。

LOM技術的成形原理如下圖所示。雷射切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓線數據，將背面塗有熱熔膠的片材進行切割。切割完一層後，送料機構將新的一層片材疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然後再次重複進行切割。通過逐層地黏合、切割，最終製成三維物件。目前，可供LOM設備列印的材料包括紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等。 （圖片來源：南極熊）

3.DLP（數位光處理）

DLP技術主要利用DLP投影，投影過程中將整個面的雷射聚焦到3D列印材料表面。機台內置了一個光線投射器，DLP打印機是使用投影器把光投射到打印物料光敏樹脂上令樹脂固化。由於以層疊式打印，3D模型首先會被3D打印軟件打橫地切成一層層，然後利用DLP 的投影機把第一層3D模型的形狀圖案光線一整層地投射到液態光敏樹脂上，令光敏樹脂光固化及成型，第一層打印完後，打印平台會升高所以被打印的物件亦會同時升高，然後投影器會再投射下一層3D模型的形狀圖案到光敏樹脂上，如此反覆層疊式打印最終把物件打印成型。（圖片來源：南極熊）

4.SLA（光固化）

光固化技術可以追溯到1977年，美國的Swainson提出使用射線來引發材料相變，製造三維物體。由於資金問題，該項目於1980年終止。同樣的研究於1984年在巴特爾實驗室（Battelle Laboratories）展開，該研究項目被稱為光化學加工（Photochemical Machining）。

光固化成型主要是使用光敏樹脂作為原材料, 利用液態光敏樹脂在紫外雷射束照射下會快速固化的特性。光敏樹脂一般為液態，它在一定波長的紫外光（250 nm～400 nm）照射下立刻引起聚合反應，完成固化。SLA通過特定波長與強度的紫外光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個層截面的繪製工作。這樣層層疊加，完成一個三維實體的列印工作。

5.3DP（三維印刷成型）

三維印刷成型，又稱為噴墨粘粉式技術、粘合劑噴射成型，美國材料與測試協會增材製造技術委員會，將3DP的學名定為Binder Jetting（粘合物噴射）。3DP技術由美國麻省理工大學的Emanuel M.Sachs和John S.Haggerty等人發明，1989年提交專利申請，1993年被授權專利。

3DP列印技術使用的原材料主要是粉末材料，如陶瓷、金屬、石膏、塑料粉末等。利用粘合劑將每一層粉末粘合到一起，通過層層疊加而成型。與普通的平面噴墨印表機類似，在粘合粉末材料的同時，加上有顏色的顏料，就可以列印出彩色的東西了。3DP技術是目前比較成熟的彩色3D列印技術，其他技術一般難以做到彩色列印。和許多雷射燒結技術類似，3DP也使用粉床作為基礎，但不同的是，3DP使用噴墨列印頭將粘合劑噴到粉末里，而不是利用高能量雷射來融化燒結。

（圖片來源：南極熊）

6.SLS（選擇性雷射燒結）

選擇性雷射燒結（Selective Laser Sintering, SLS）技術由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard發明，主要是利用粉末材料在雷射照射下高溫燒結的基本原理，通過計算機控制光源定位裝置實現精確定位，然後逐層燒結堆積成型。

該技術採用鋪粉將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，並加熱至恰好低於該粉末燒結點的某一溫度，控制系統控制雷射束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描，使粉末的溫度升到熔化點，進行燒結並與下面已成型的部分實現粘結。一層完成後，工作檯下降一層厚度，鋪料輥在上面鋪上一層均勻密實粉末，進行新一層截面的燒結，直至完成整個模型。

（圖片來源：南極熊）

7.SLM（選擇性雷射熔化）

選擇性雷射燒結（SLS）技術是德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard博士和學院顧問Joe Beanman博士在1984年申請的。3D Systems通過收購的方式從DTM手中獲得了此項技術。

SLM工作流程為，印表機控制雷射在鋪設好的粉末上方選擇性地對粉末進行照射，金屬粉末加熱到完全熔化後成型。然後活塞使工作檯降低一個單位的高度，新的一層粉末鋪撒在已成型的當前層之上，設備調入新一層截面的數據進行雷射熔化，與前一層截面粘結，此過程逐層循環直至整個物體成型。SLM的整個加工過程在惰性氣體保護的加工室中進行，以避免金屬在高溫下氧化。

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