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【3D列印專題】為傳統製造注入活水—淺談3D列印技術演進 

作者:賴佩萱

材料線捲不停地轉動、機身無數次地來回運轉,不花幾小時的時間,成品漸漸在平台上堆疊成型。這是談起 3D 列印機,大家腦中都會浮現的畫面,但你知道,這樣一台屬於工業用機器人的機器,它的由來是什麼嗎?

技術雛型—快速成型技術

1980 年代以來,資訊科技發展突飛猛進,許多協助人類工作的電腦軟硬體接連被開發應用,同時也帶動起電腦輔助設計(Computer Aided Design, CAD)、電腦輔助製造(Computer Aided Manufacturing, CAM)及電腦數值控制加工(Computer Numerical Control, CNC)等技術的發展。

利用電腦軟體繪製底稿、模型(圖片來源:INDIAEDUCATION

上述這些以電腦為主的技術是「快速成形技術」發展的基礎。快速成形技術(Rapid Prototyping, RP)便是 3D 列印技術的原型,顧名思義它是一種能快速生成模型與零件外型的製造技術,主要透過電腦控制,以利用電腦輔助畫出的設計圖為底圖,將材料進行堆疊加工,由點堆疊成面,最終生成立體實品。

快速發展的 3D 列印技術

有了快速成型的製造概念,加工機具的數位化發展也漸漸萌芽。3D 列印機,字面上就是一台可列印三維物體的機器,可以將其想像成普通印表機的 3D 版技術;簡單來說,若將普通印表機的傳統墨水替換成噴出後可硬化固定的材料,再把噴頭從原本的 2 維(X、Y軸)移動,調整為 3 維移動(加入 Z 軸的噴墨高度),就成為目前 3D 印表機的基礎原理。

常見的 3D 印表機(圖片來源:維基百科

1981 年,日本名古屋市工業研究所的 Hideo Kodama 博士提出了兩種利用光固化聚合物增材製造三維塑料模型的方法,其紫外線照射面積主要由掩模圖形或掃描光纖發射機控制;1984 年,美國人 Chuck Hull 發明了立體快速成形(Stereolithography, SLA),主要透過紫外線雷射來固化光聚合物,此技術於1986年在美國通過世界上第一個快速成形設備的專利,Charles W. Hull 隨後便成立 3D Systems,且在 1988 年成功開發出第一台機器,目前已獲得 40 項美國專利及 20 項國際專利。

第一台機器 3D 列印機 SLA 250(圖片來源:triadscientific

自此之後,3D 列印的技術可說是快速發展,例如 3D Systems 以 SLA 為基礎的商業型技術改良 SLA-1、1987 年美國人 Carl Deckard 發明選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering, SLS)、1989 年Stratasys 公司的共同創辦人 Scott Crump 發明熔融沉積成型(Fused Deposition Modelling, FDM),成為當前最廣泛流傳與入門應用的列印技術。

熔融沉積成型示意圖(圖片來源:維基百科

能自我複製的 3D 列印機—RepRap

自 1980 年代至 2000 年中期,3D 列印技術開始有了多元化的實際應用,但由於當時整體技術與系統的建構仍相當昂貴,應用大多集中在高附加價值產業與高度精密工程領域,例如航太航空、汽車工業、珠寶等。

2005 年,英國巴斯大學(University of Bath)的講師 Adrian Bowyer 博士開始了 RepRap(Replicating Rapid Prototyper)計畫,他的想法是一個「完全開源且能自我複製」的列印機系統;2007 年,第一款 RepRap 上市,成了 3D 列印發展史上一個轉折點,因為機器本體即具備製造自身零件的能力,使用 RepRap 列印普通產品可望節省花費。

第一款 RepRap—右邊機器所有的塑料部件來自於左邊機器生產(圖片來源:維基百科

隨著創新創業的浪潮興起,以及開放原始碼運動、Maker 運動的蓬勃發展,這款以 FDM 為列印原理的開源 3D 列印系統漸漸獲得大眾關注,目前市面上已有四個不同款的 RepRap 3D 立體印表機。

小結

3D 列印技術被譽為第三次工業革命,整體生產流程無需先行製作模具及機械加工,只須透過快速自動成型硬體系統與 CAD 軟體模型結合,就能夠製造出各種形狀複雜的產品,可說是突破了傳統成型方法,其巨大的潛力正在從工業層面漸漸的延伸至消費者層面,期待未來有更創新的應用。


參考資料

3D 列印維基百科

3D 列印超簡史

(責任編輯:葉于甄)

Tags 3D列印

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