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2021/10/06 《3D列印養成術(一)》什麼是3D列印?必修基礎大補帖!

3D列印就是不停堆疊材料來形成3D物體的技術?你還能深入了解更多!DiMan將為3D列印技術展開一系列的知識補帖,從各方面詳述技術與知識,讓你不再對3D列印一知半解!
 

什麼是3D列印?
3D列印是一種製造3D物體的增材製造技術,簡單來說,它是一種「添加劑」,不須利用任何模具,透過「添加」的方式來堆疊和融合
材料,最終形成3D物體。此外,通常3D列印的速度非常快,它固定的設置成本也低,並可創造比傳統技術更為複雜的幾何形狀,再加上它可應用的材料正不斷地擴大,令成品更具多樣性的突破,3D列印因此被廣泛應用於工程行業,特別是模型設計和創建幾何形狀。

3D列印與增材製造
3D列印通常與自造者、業餘愛好者、桌上型
列印機、FDM(熱熔融層積)等列印技術,以及ABS和PLA等低成本材料相關,而3D列印技術得以「平民化」,要歸功於RepRap這款3D列印機的原型機,與MakerBotUltimaker最初的原型機一樣,它們都推動了3D列印的發展,更直接領導了3D列印在2009年的爆炸式增長。

Ultimaker FDM 3D列印機,適用於中小型企業或家用

相比之下,增材製造(Additive manufacturing)幾乎只跟商業和工業應用相關。

 
商業增材製造的規模

3D列印和快速成型
「快速成型」是3D列印的另一個術語,因為在80年代首次發明3D列印時,當時的技術只適合成型製造,並不適合生產
零件

近年來,數位製造愈來愈夯,3D列印也已成為生產多種零件的最佳方法,而其他製造技術,例如
CNC加工也愈來愈便宜,且更容易製作模型。因此,雖然有些人仍使用「快速成型」來稱呼3D列印,但這個術語已演變成所有快速製成模型的方法。
 
如何像專業人士一樣進行模型製作

3D列印的工作原理
增材製造 vs 傳統製造
在增材製造技術問世前的其他製造方法,都被統稱為傳統製造,為了了解增材製造和傳統製造之間的主要差別,我們把所有的製造方法分為3種——增材製造、減材製造、成型製造,以下逐一說明︰


增材製造的原理、優點與限制

增材製造利用層積和融合材料來創建3D物體,這種方法幾乎沒有學習的入門時間與成本,所以成為模型設計的理想選擇。可快速製造
件、模型,也可精準製作幾乎所有的幾何形狀,這些都是3D列印技術的重要優勢。

3D列印其中一個最大的限制,是大多數的零件具各向異性(物體的物理、化學等性質,會隨方向依賴性的不同而有所變化),或無法完全填滿零件本身的密度,這是因為缺乏了像減材或成型技術製造的零件材料和機械性能,且由於在3D列印完成後,冷卻或固化條件有可能會因各種因素而形成波動,有時就算列印同一個零件,也有機會出現輕微的變化,影響了零件的一致性和製造的可重複性。

 
減材製造的原理、優點與限制
減材製造如CNC銑削和車削,通過從原固體材料上削除材料來創建零件、模型等物體的技術,幾乎令所有材料都可以進行加工,因此減材製造的應用相當廣泛。另外,在加工的過程中,因各方面都需要大量的數據控制,所以這種技術可生產出相當精確、且具重複性的
零件

雖然大多數的設計都需要電腦輔助製造(用電腦進行生產設備的管理、控制和操作的過程)來繪畫刀具路徑和有效的材料削減,無疑增加了設置的時間和成本,但對於大多數的設計來說,減材製造仍是最具成本效益的製造方法。

減材製造最主要的限制是切割材料的刀具,必須到達正確的表面位置進行削除材料的工序,這對複雜的設計會有很大的局限性。雖然像五軸工具機能夠消除一些限制,但複雜的零件在這種加工的過程中,仍須不時重新調整削除方向,難免會增加工序的時間與成本,另外,減材製造會涉及到浪費的問題,畢竟這是一種以削除大量材料來生產3D物體的方法,但若能與數位製造相關的環保技術相結合,也不失為一個理想的方案,例如把銑削後的廢木做成木材線材︰《
用3D列印也能拯救森林?你一定好奇的另類木材再生術!


成型製造的原理、優點與限制
成型製造如射出成型和沖壓,是透過加熱、加壓等方法使材料成型,或以模壓來製造物體。

成型技術是以降低大批量生產的成本為目的,但這種技術所使用的專用模具或
機器,會使設置成本非常高,不過,由於這種技術可以在很大的材料範圍內(包括金屬和塑料)生產零件,並有接近完美的可重複性,因此對於大批量生產來說,成型技術反而是最具成本效益的。


增材製造、減材製造、成型製造的比較
數位製造業是複雜的,因為有太多面向可以把所有製造技術進行全面比較,也幾乎不能同時對製造技術的成本、速度、
幾何形狀的複雜性、材料、機械性能、表面處理、精度等因素進行優化,在這種複雜的情況下,只能從大部分的製造經驗中找出最適合你的製造方法,簡單比較如下︰
  • 增材製造最適合小批量生產而複雜的設計,同時也對速度有所要求的製造。
  • 減材製造最適合中批量生產、簡單幾何形狀、嚴格精度和具一定硬度的材料。
  • 成型製造最適合大批量生產相同的零件。

其實,通常零件的成本才是選擇使用哪種製造技術的主因。


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