3D列印機-初學入門指南

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一、
時代變遷
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金屬《銅、鐵》器時代
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■ 第一次工業革命
   
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二、
封面故事
   1.
「宅」經濟文化–新時代潮流
   2.
經濟景氣循環現象–適者生存
   3.
開源社群登堂入室–3D列印發燒全球
   4.
破除規模經濟魔咒–郭字倒過來寫
   5.
網路從虛擬到實體–未來已來到現在
三、
3D列印基礎入門
   1.
3D列印技術概觀
   2.
3D列印是什麼?
   3.
3D列印歷史沿革
四、
3D列印成型工藝
   1.
熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling)FDM
   2.
光固化立體造型(Stereolithography Apparatus)SLA
   3.
數位光固化處理(Digital Light Processing)DLP
   4.
粉床噴墨3D列印(Powder bed and inkjet head 3D
      Printing)3DP

   5.
層壓實體製造(Laminated Object Manufacturing)LOM
   6.
選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering)SLS
   7.
直接金屬雷射燒結(Direct Metal Laser Sintering)DMLS
   8.
電子束熔化成型(Electron Beam Melting)EBM
五、
3D列印新手上路
   1.
3D列印運作流程簡介
   2.
3D列印使用材料與應用範圍
   
■ ABS樹脂
   
■ PLA聚乳酸
   
■ 尼龍 (PA)
   
■ 高抗沖聚苯乙烯 (HIPS)
   
■ 聚碳酸酯 (PC)
   
■ 環己烷二醇(共聚聚酯) (PETG)
   
■ 聚甲醛樹脂 (POM)
   
■ 聚乙烯醇 [水溶性塑料 (PVA)]
   
■ 仿橡膠高彈性柔軟塑料 (Flexible-PLA)
   
■ 原生木質複合塑料 (WOOD)
   
光敏樹脂–SLA「光固化立體造型」與DLP「數位光固化處理」專用
   
金屬粉體材料 – SLS / DMLS(SLM) / EBM 等3D成型工藝適用
   
石膏粉體材料 –「粉床噴墨3D列印」適合3DP專用
   
其他應用材料 – 生化/食材/陶瓷/特殊材料
   3.
3D列印相關應用軟體
   
■ 3D繪圖/輔助設計/建模軟體
   
■ 3D列印 控制介面軟體 & 切層分析程式
六、
入手3D列印機 & DIY指南
   1.
入手3D列印機 – 注意使用材料限制
   
■ 原廠耗材限定
   
■ PLA限定
   
■ ABS限定
   
■ PLA & ABS限定
   
■ 使用材料完全不設限
   2.
購買整台成機好,還是DIY套件好?
   3.
開源科技 - 3D列印機 DIY套件 介紹
   
■ 開源軟硬體技術 – 價格衝擊效應
   
■ 開源科技 – 自由開放的經營理念
   
■ 開源科技 – 取之於社群、用之於社群
   
■ 開源科技 – 3D列印機DIY套件「OpenTech-i3.1」
《附錄》
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3D列印機-初學入門指南

第三章:3D列印基礎入門

3D列印歷史沿革

  「積層製造」或也被稱為「加法製造」(Additive Manufacturing) 的這種快速成型製造技術,早在1986年就已經正式出現,並被少數大規模經濟型態的企業所應用。

  從網路上的消息可得知,其實最早出現的3D列印技術,嚴格說來似乎是比1986年還更早的1980年 ─ 當時的名稱是叫做「快速打樣」技術。這種實作進程被認為是一種在製造業界研發過程中,能以更快速、更省成本的方式製造出產品原型,因此被稱為「快速打樣」。

  「快速打樣」技術的出現能追溯到的最早期應該是在1980年5月,當時一位名為Kodama的日本人所提出的專利申請案件。然而,由於他未能如期提交完整專利技術說明書,因而致使專利申請未能順利通過。

  「快速打樣」的有效獲准之專利,最早可追溯到1986年,當時是以一種簡稱 SLA 的「光固化立體造型」技術取得專利權。該項專利是由一位名叫「查爾斯.何 (Charles Hull)」的歐美人士取得。他在1983年首次發明他的SLA光固化立體造型機,後來與人合資創立了3D Systems 公司,他本人目前擔任副總裁一職。現今這家公司在3D列印界算是最具規模也最具有創造力的企業組織。

  當時簡稱SLA的「光固化立體造型」雖可謂為「快速打樣」之首創 (最早獲准專利) 的技術,然而這項SLA專利其實並非當時唯一正在開發中的「快速打樣」技術。

  在1987年於美國德州大學任職的「卡爾.迪卡 (Carl Deckard)」曾在美國提出簡稱SLS的「選擇性雷射燒結 (Selective Laser Sintering)」技術專利申請,並在1989年獲准通過。之後SLS專利權曾轉讓給DTM公司,最後該專利權又由3D Systems公司取得。1989年時期Stratasys公司的共同創辦人提出申請一種簡稱為 FDM的「熔融沉積成型 (Fused Deposition Modelling)」技術專利,並於1992年在歐洲獲准通過 ─ 這項技術工法主要是目前網路上被眾多以RepRap開源科技專案計畫為基礎的「桌上型」入門機種所廣泛使用。

  1989同年,德國的「漢斯.萊爾(Hans Langer)」創建了EOS公司。其研發部主要專注於簡稱LS的「雷射燒結成型技術 (Laser Sintering process)」該項技術主要成型材料為金屬,可以層層堆疊3D列印 (加法製造) 方式直接印製出各式金屬材質零部件或最終成品。如今EOS公司因這項3D列印與製造原型應用技術之優異品質而知名全球。EOS公司另外還持有一種簡稱SMLS的「直接金屬雷射燒結 (Direct Metal Laser Sintering)」技術。這種技術主要材料為金屬,與LS「雷射燒結成型」不同的是,它能以更強大功率的雷射光束直接將金屬粉末加熱溶化成液態金屬的方式層層堆疊塑型。所印製成型的物品,其機械結構性能強度比LS「雷射燒結成型」技術更優,幾乎與傳統開模鑄造成品的強度不相上下,成型之後即可直接使用。

  還有許多其他「快速打樣」技術與工法在這些年間陸續出現 ─ 90年代初期諸多企業在市場上曾經出現相似的技術,然而直至今日為止僅剩3D Systems、EOS以及Stratasys 這三家公司仍在全球市場上活躍著。

  從1990年至2000年初期仍有多種相關的新穎技術陸續被提出,但仍然只著重於工業製造上的應用,並且大多還是運用於產品的原型製造與打樣。產品設計與研發人員還是得依賴具備更先進技術的上游供應商的指導,方能進行特定的製模、鑄造或直接生產成品。此時期相關的新專業術語,如「快速製模」、「快速鑄造」與「快速製造」陸續於業界出現。

  然而「3D列印」這個目前較被廣為所知的,既時髦又酷炫的名詞其實是在1995年,麻省理工學院的兩名畢業生 (Tim Anderson and Jim Bredt) ─ 當時他們正在研發「將普通噴墨印表機改裝多加一個Z軸,使之可將墨水噴印在一層層的粉末上」,於是讓這台原本的噴墨印表機搖身一變成了能以3D堆疊方式快速塑型的「3D列印機」─ 於是便自然而然的杜撰出這麼一個新鮮有趣又容易朗朗上口的新名詞「3D列印」。

  在2007年3D Systems公司曾經推出低於一萬美金 (約新台幣31萬元) 的所謂「經濟型」機種,然而並不如預期般造成轟動。原因也許是這套系統本身售價仍然離所謂的「經濟型」還有著一段非常不小的距離吧!

  當時許多工業界或其他使用者以及評論家們均認為︰必須要能推出低於5,000美元的機種方能確實將「3D列印技術」推廣到一般的中小企業 ─ 其實「3D列印」能否推廣深入每個家庭或甚至為一般的消費者大眾所用,其終極關鍵要素當然就是「價格」必須要做到真正的貼近平民化。

  「3D列印」之所以會在最近這幾年迅速崛起,其中一個因素與主要專利到期而解禁有著相當密切的關係。而另一個直接有關的重大因素則是英國巴斯大學教師Adrian Bowyer (數學家與工程師) 在2004年所發起的RepRap開源專案計畫 ─ 這項開源專案首先運用「熔融沉積成型」技術設計了多款主要以塑料成型的「桌上型3D列印機」並將所有無論是軟體、硬體、軔體等等有關技術,全部都在網路上毫無保留的以自由開源軟硬體授權方式於網站上公開發佈。

  RepRap 開源專案以開放社群方式在網站上供成員集體共同創新研發 ─ 事實上,任何無論是個人還是不論規模大小的任何企業或團體,只要能依循專案網站所發佈的相關技術文件 (包括硬體結構件設計圖稿、電子元件線路圖、軔體與軟體原始程式碼) 均得以複製出一種以上的「桌上型3D列印機」。甚至還能更進一步的改良其原始設計,自創更符合理想中所需求的實用功能機種,或著純粹只為了滿足個人獨特偏好而修改機器的結構外型或重新設計新樣式並搭配喜愛的各種不同顏色。

  以下為RepRap開源專案的幾種典型基本款機種︰

圖檔

  目前RepRap開源專案所發佈的3D列印機當然不只以上九款。光是在官網正式公開發佈的基本款就有將近五十種。而目前於全球市面上低於5,000美元 (約新台幣15萬元) 的相似功能等級或在外觀造型上相仿者,大多也脫離不了RepRap開源專案網站上所發佈的這些基本款式。

  毫不諱言的說︰這些原本屬於高端科技實驗室與規模經濟型態企業或集團方能負擔得起的「3D列印機」(一般檔次的桌上型機種價位也要動輒幾十至上百萬元),由於主要的3D列印相關技術專利陸續到期,再拜網路科技自由開放開源軟硬體文化風行全球所賜,當然要感謝RepRap開源專案計畫於網路上的成功推展並在全球持續猛烈地發燒發熱,於是所有相關技術都已不再是什麼高端科技商業機密。如今,網路上也都隨處能免費下載取得3D列印必須使用的操作介面軟體與核心應用程式。

  如此這般,就在這些開源軟硬體加持之下,傳統端賴「隱瞞資訊」而獲利的規模經濟體制也越來越不得不有所妥協,其結果當然就是無可避免的「價格急劇下降至貼近平民化」,在超級快速且如水波般的漣漪效應之下,越漸廣泛的漫延深入至全球中小型企業與一般家庭之中。

  回頭再看看這問題︰「3D列印」是否將能掀起第三次工業革命?

  原本要價動輒數百數千萬 (較低階入門款也要數十或上百萬) 元新台幣的3D列印機,就在最近這短短幾年內,售價急劇下降到幾乎人人都能付擔得起 ─ 大約三萬元不到或甚至更低的價格即可DIY自製一部能以塑膠材料成型且品質尚可的桌上型入門款機種 ─ 由如此已然的事實上來說,這場革命的第一波攻勢其實早已獲得全面勝利並成功登陸全球各大洲,而且仍在越漸加速的漫延滲入一般家庭與個人消費者大眾之中。

  這些個人消費者早晚也終將一個個搖身一變成為「自造者」。如此「消費者」也可以是「製造生產者」,也許就合稱為「產消者」。於是「製造業」將不再由少數規模經濟壟斷;由此便不難想見接下來的「自造者運動」很可能會以一種「媚力實在無法擋」之壓倒性攻勢,擄獲佔據越來越多人自小喜愛 (或夢想著自己能) 自創、自造的最初衷之真心。

  於是,與其說是「革命」您也許更想要說這其實是一場「運動」─一場造就人人都能有機會自由、自主地自創、自造可符合個人客製化需求商品的「自造者運動」。

  「自己創造,自己製造」應該也會是一場非常有趣又很好玩的運動。


 
本文摘錄自 3D列印機-初學入門指南 第三章 : 3D列印基礎入門

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