3D列印機-初學入門指南

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一、
時代變遷
   1.
舊石器時代
   2.
新石器時代
   3.
金屬《銅、鐵》器時代
   4.
機械工業時代
   
■ 第一次工業革命
   
■ 第二次工業革命
   5.
電子資訊時代
   6.
網路資訊時代
    
全球資訊網 Web1.0 /2.0時代
    
全球資訊網 Web3.0 時代
   
■ 第三次工業革命
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列印夢幻的未來
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自造者時代 – 啟動人人製造的第三次工業革命
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3D列印機-初學入門指南

第五章:3D列印新手上路

3D列印使用材料與應用範圍

  目前市場上的入門款機種,包括桌上型或運用FDM「熔融沉積成型」技術工藝方法的更大型機種,這些類型的3D列印機在材料上通常被局限在使用加高溫呈熔融狀態進而可以3D成型的「塑料」。其中最被廣為使用的是一般常見的普通塑膠「ABS樹脂」以及具高效綠色環保功能的「PLA聚乳酸」。

  在入手3D列印機時,有一點需要注意的是︰通常屬於「經濟型」的便宜入門款機種,只能支援使用ABS或PLA的其中一種材料,倘若需要使用另一種材料就必須再添購另一台專用材料機型。但是市場上也有價格還算優,又可同時支援這兩種材料當3D成型原料的機器。

  除了ABS與PLA這兩種常用塑料以外,有些FDM機器還支援更多其他類型的塑料,例如︰尼龍(PA)、高沖聚苯乙烯(HIPS)、聚碳酸酯(PC)、環己烷二醇(PETG)、聚甲醛樹脂(POM)、水溶性塑料(PVA;懸空列印支撐材料)、仿橡膠高彈性柔軟塑料(Flexible-PLA)、原生木質複合塑料(wood) … 等。其中ABS與PLA也支援多色螢光、夜光色、溫度變色,以及導電性質 (防靜電用途) 等特殊複合式3D列印專用材料。

  雖說以FDM為成型技術的3D列印機通常被「局限」於僅能使用統稱「塑料」作為成型原料(無法使用金屬塑型)。然而,這項成型工藝所能使用的各種不同「塑料」能夠製造出的成品,其實才是所有3D列印工藝當中最多元化與最生活化,應用範圍也最廣泛的3D成型工藝。

  舉凡日常生活與工作中會使用到的各種一般居家生活用品、辦公室或其他工作場所,包括各種類型工廠或實驗室與學校等場所;無論是什麼環境,只要有人的地方,我們都不難發現這項事實︰到處都充斥著塑料製品的應用。

  從幾何時,塑膠材料的應用早已漫延、擴散,並深入全世界幾乎任何有人煙出沒的每一個角落。現在,人類的生活與工作似乎再也少不了這種被統一簡稱為「塑料」的東西。假如您有一部能夠使用所有前面提到過的全部類型塑料,想像一下,如此便能自行設計並「自造」出多少類型與樣式的產品出來呢?

  以下開始針對本章到目前為止所提到過的各種塑料,個別簡介說明其材料特性、適合用途與應用範圍。

■ ABS樹脂

  ABS樹脂英文全名為Acrylonitrile–Butadiene–Styrene copolymer, 因此被簡稱為ABS。原料通常為淺黃色或乳白色顆粒非結晶性樹脂,是目前全球各業界使用最廣泛的塑料,業界通用五大合成樹脂之一。

  ABS其實也就是我們在日常生活中常見塑料製品最常使用的材料,我們平時口中經常說的「塑膠」通常便是指這種ABS樹脂。

  ABS抗衝擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能優良,還具有易塑型加工、製品尺寸穩定、表面光澤性良好等特點。易塗裝、著色,還可進行表面光滑處理、噴鍍金屬、電鍍、焊接、粉體烤漆、熱壓與黏接等後製二次加工。被廣泛應用於機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織以及建築等工業領域,是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。

  熔點溫度︰230~280℃

  特性簡介︰密度小,彈性好,韌性佳; 材質比PLA軟,耐熱溫度也較佳,能以更細小孔洞的噴頭出膠列印,支援以較薄切層列印需要呈現細膩表面的物品。另外須注意的是︰由於ABS塑膠原料本身特性,在加熱列印的時候會有一股難聞 (且具有毒性) 的塑膠氣味。

  適用說明︰ABS適合用來印製工程功能零部件,以及需要細膩表面呈現的公仔等玩具模型。ABS成型物品表面容易上色,方便作表面光滑處理,也可後製進行電鍍加工。使用ABS列印全實心零部件時的結構性強度可達到傳統開模塑膠的70%。

  顏色特性︰不支援透明無色。其他非透光性顏色材料幾乎能說得出名稱的顏色都可以在一般市面上找到。唯不同供應商的顏色可能不盡相同,因此某種程度的「色差」在所難免。另外ABS材料本身可支援具紫外線螢光與夜光特性的複合性原料,因此可運用來列印需要螢光或夜光效果的工程用零部件,或可穿戴在身上的時尚飾品與各種玩具等等。

■ PLA聚乳酸

  PLA是一種「可被生物分解的環保材質塑料聚乳酸」的簡稱,英文全名為:Poly-Lactic Acid。

  PLA「聚乳酸」也稱為「聚丙膠酯(polylactide)」,屬於聚酯家族。以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物,原料來源充分而且可以再生,主要以玉米、木薯等澱粉為原料。生產過程無污染,而且產品可被生物自然分解,實現在自然界中的循環,因此是理想的高效綠色環保功能材料。

  PLA取材方式︰將木薯與玉米等穀類作物碾碎後,從中提取出澱粉,然後將澱粉製成未精化的葡萄糖 ─ 目前業界有許多高端技術已克服減去了碾碎的過程,直接從大量的農作物中提取澱粉來製成PLA原料。

  PLA「聚乳酸」熱穩定性良好,加工溫度170∼230℃,具有優異的抗溶劑性。製成的產品除了能被生物自然分解以外,其生物相容性、光澤度,以及透明度和觸感方面也都有不錯的表現。PLA還具有某種程度上的耐菌性、阻燃性和抗紫外線特性,因此用途十分廣泛,可用作包裝材料、纖維和非織造物等製品。

  目前主要除了使用FDM成型工藝的3D列印以外,還被廣泛的應用在服裝 (內衣、外衣)、一般產業 (建築、農業、林業、造紙) 和醫療衛生等領域。

  目前(2015)全球PLA最大的製造供應商是美國NatureWorks公司,其次是中國大陸的海正生物,產量分別是大約7萬噸和5千噸。目前所謂台灣製PLA其原料多源於中國大陸。反而中國大陸製造的PLA膠條材料,其中許多其實是採用美國進口的原料。當然也有不少是使用大陸產原料。

  熔點溫度︰170~230℃

  特性簡介︰生物原料,玉米穀物提煉,可生物分解,高度環保;材質堅硬,結構強度與剛度高;表面光亮,延展平順;列印時不易發生如ABS常有的捲曲變形,或翹邊而脫離工作台底板等狀況。列印過程不會散發一般塑膠那種惡臭刺鼻氣味,而是一種類似綿花糖或烤玉米的氣味。

  適用說明︰PLA是高度環保型塑膠耗材,原料產自玉米澱粉和非化石燃料。在一定的堆肥缺氧環境下可被生物分解,然而在平時接觸空氣的一般使用環境中,能持續保持其產品的結構強度與硬度而不崩解,因此非常適合用來印製講求環保的物品、安全玩具,以及需求抗化學溶劑、耐紫外線光照與耐菌性等產品。

  另外,具半透光性質的彩色PLA材料最適合用來印製如耶誕樹或其他節慶應景用品,或平時於客廳或房間使用的燈具飾品 (利用LED發光的各種飾品或燈罩)。

  在列印時的特性方面,與ABS相比,PLA較不易因溫度變化而發生收縮變形、開裂或翹曲等狀況。因此適合用於列印基底面積較大的物品。由於前述種種優異特性,使用PLA耗材作為3D列印材料已是一個明顯的未來發展趨勢。

  唯獨美中不足的是︰由於PLA材料本身堅硬特性,成型後的後製處理,比起ABS就顯得很遜色 ─ PLA後製表面處理真的非常不容易。

  近來市面上出現有些聲稱台灣製PLA材料,特性與此處描述並不相同,其材質並不堅硬反而比一般ABS更軟;容易黏貼於工作台底板,然而成型物件表面光澤暗淡,列印成型物件層層痕跡明顯分佈不均勻。

  顏色特性︰可製成透明色與半透光色或表面晶亮效果材質;另外也有會隨溫度變化而變色的特殊複合材料,以及螢光與夜光特性等材質原料。其餘不透光顏色與ABS相仿,能說得出名稱的顏色都不會少。

  PLA與ABS材料區別︰3D列印PLA時的氣味有些像棉花糖或烤玉米的氣味,並不像ABS那樣在列印過程會發出刺鼻並且具有毒性的不良氣味;PLA收縮率低,因此在列印較大尺寸的模型時也能表現良好;PLA具有較低的熔體強度,列印3D模型更容易塑形,表面光澤性優異,色彩要比一般ABS塑膠還更加光亮與豔麗。

  PLA與ABS材質差異︰PLA是晶體,ABS是非晶體。

  ABS在進行加熱熔解時會因逐漸升溫而由較硬的「固體」慢慢轉化為越來越軟的凝膠「流體」,然而並不會有「狀態」的改變;PLA則較像是冰凍的水 (冰塊) 那樣,經加溫到達熔解臨界點時便直接從原本的「固態」直接轉變成「液態」。

  ABS不因加溫熔化過程而產生「相變」,所以並不會吸收出膠噴嘴加熱頭的熱能。因此,市場上大部份的PLA材料,由於熔解過程的相變特性,使得出膠噴嘴頭易堵塞的風險更大。

  PLA具有良好的透氣性、透氧性以及透二氧化碳性,也具有隔離氣味的特性。PLA並不如其他可生物分解塑料一般易於遭到病毒及黴菌依附表面,故不但不會有一般ABS毒性,也不會有其他生物分解材料的安全及衛生的疑慮。所以,PLA聚乳酸是目前唯一具有優良抑菌、抗黴、無毒等特性的可生物分解塑料。

  當焚燒PLA時,其燃燒熱值與焚化紙類相同,是焚燒傳統塑膠材料(如聚乙烯)的一半,而且焚燒PLA絕對不會釋放出氮化物、硫化物等有毒氣體。

  如何判斷PLA還是ABS塑膠?

  許多實色且不透光的一般PLA膠條材料在外觀上看起來和ABS塑膠幾乎沒什麼兩樣,若因粗心大意未在材料上加以註明,光用眼睛看還真是不大容易分辨。

  這時候我們還有什麼方法能正確判斷手中膠條材料(或已印製成品)究竟是PLA還是ABS呢?

  剪切一小塊材料用火烘燒︰PLA材料不會產生濃煙,散發出類似烤玉米或綿花糖的清香氣味;ABS會冒出可怕的濃(黑)煙,而且會有相當刺鼻且具有毒性的塑膠燒焦的惡臭氣味。

■ 尼 龍 (PA)

  尼龍的中文正式名稱是「聚酰胺」,英文正式名為「Poly- Amide」簡稱PA;而「尼龍(Nylon)」這名詞則是一般較通俗的說法。
PA與一般的塑料相比,具有更佳的耐磨、強韌、質輕、耐藥品、耐熱、耐寒、易成型、自潤滑、無毒、易染色等優異特點。在室溫下PA具有較高的延展性與耐衝擊強度,而且使用時的耐溫範圍較大,一般可由 -40℃到100℃。另外,PA還具備良好滑動性特點。

  PA稍嫌美中不足之處是在於:由於熱膨脹和吸水性所致,尺寸精度不易精確,耐酸性嫌差,硬度和彈性度也不是很足夠。儘管如此,PA稍經改良,也還能算是性能優異的工程塑料之一。

  PA一般被廣泛運用於 ...

  汽車製造方面:用於製造燃料濾網、燃料過濾器、罐、捕集器、儲油槽、引擎汽缸蓋罩、散熱器水缸、平衡旋轉軸齒輪。也可用在汽車的電器配件、接線柱等。另外,它還可用作驅動、控制零部件等。

  電器電子工業:可用於製造電飯鍋、電動吸塵器、高頻電子食品加熱器,電器產品的接線柱、開關和電阻器等。

  醫療器械及精密儀器:用於醫用輸血管、取血器、輸液器等。PA單絲可做外科手術縫線、假髮等;另外,電子打字機的數字旋轉盤、接線柱、傳動齒輪、印刷機的帶式過濾片等。

  其它方面:用於製作拋棄式打火機體、鹼性乾電池襯墊,摩托車駕駛員的頭盔,辦公機器外殼,辦公用椅的腳輪、座和靠背,溜冰鞋、釣魚線等,PA薄膜氣體阻隔性能優良,而且耐油性、耐低溫衝擊性、耐穿透性好,可用於肉、火腿腸等冷凍食品的包裝。PA還可用作棒材與板材,也可用作齒輪或其它傳動裝置的零部件。

  熔點溫度︰230~260℃

  特性簡介︰原料材質透明、稍具回彈性能、自潤滑、耐磨、質輕、高延展度、韌性度強、耐熱、耐寒、易成型、易染色、無毒性。
適用說明︰PA 由於材質特性本身易受熱脹冷縮與吸水性影響,使得尺寸精確度差異大,因此適合不需要太講究尺寸精確度,然而卻需要其他特性(如上述簡介)的工程用零部件或其他用途產品。

  顏色特性︰PA材料具高透明度且容易染色;使用者可自行使用礦物染料製作成各種顏色的膠條材料,以供3D列印使用。除了可以整卷單色染製以外,還能將膠條材料染成多色漸層,用以印製以多色彩漸層式花紋組成的特殊造型杯或筒狀(例如花瓶或筆筒)產品。

■ 高抗沖聚苯乙烯 (HIPS)

  「高抗沖聚苯乙烯」英文簡稱為 HIPS,其英文全名是「High Impact PolyStyrene」。HIPS其實就是用以製作成「保麗龍」相似材質 (聚苯乙烯) 但是密度更小且更具耐衝擊性,是尚未經過發泡膨脹處理過的基本「聚苯乙烯」原料。

  HIPS材質可抗沖擊因素:耐沖擊性聚苯乙烯是透過在「聚苯乙烯」中添加「聚丁基橡膠」顆粒的方法所生產的一種具抗沖擊性的聚苯乙烯產品。這種聚苯乙烯原料是以添加微米級橡膠顆粒並以枝接的方法將聚苯乙烯和橡膠顆粒混合黏結在一起。當成型物品受到沖擊時,裂紋擴展的尖端應力會被相對柔軟的橡膠顆粒釋放掉。因此裂紋的擴展受到阻礙,抗沖擊性得到了提高。

  熔點溫度︰175~230℃

  特性簡介︰密度小,韌性佳、剛性柔性適中,硬度比ABS更柔軟;列印時仍有一股異味,然而並不會像ABS列印時產生的氣味那般刺鼻。

  適用說明︰主要可用於印製家電機件外殼、汽車及醫療器具零部件、排水管道,適合列印一般塑料玩具、造型公仔或各種雕塑模型等。

  顏色特性︰HIPS膠條材料能製成的顏色多樣化與ABS相仿,但是沒有螢光色與夜光色,也沒有透明色。

■ 聚碳酸酯 (PC)

  聚碳酸酯,英文全名為「PolyCarbonate」(簡稱PC)。原料本色為無色全透明。

  熔點溫度︰230~280℃

  特性簡介︰可吸收紅外線光譜,耐熱(但是不宜長期接觸60℃以上的熱水)、抗衝擊,不耐強鹼,具阻燃特性(燃燒時會發出熱解氣體,會燒焦起泡,但不著火,離火源即熄滅),在一般室溫環境下使用,能有良好的機械性能;高透明、透光性好、折射率高、光澤度佳。剛硬中稍帶一定程度上的韌性。

  適用說明︰主要可用於印製需要吸收紅外線光譜或某種程度上的透明度與高光澤度(使用FDM成型技術工藝的3D列印機無法真正做到完全透明的效果)、耐高溫、阻燃的塑料零部件或其他類似需求的塑料物品。

  顏色特性︰目前市面上用於3D列印的PC膠條材料,其現成顏色可選擇性偏少,並不如ABS或PLA那般多樣變化色彩。市場上主要供應顏色為無色高透明度膠條材料。除了PC原本無色透明材料以外,可常見到的顏色還有透明藍與微透光亮黑色。

■ 環己烷二醇(共聚聚酯) (PETG)

  環己烷二醇 (共聚聚酯) , 英文正式名稱全文為「Polyethylene Terephthalate (PETG)」。PETG「共聚酯」是眾多共聚酯中的另一個典範,是一種二醇改性的聚合物。PETG共聚物可模具塑型或擠壓塑型,且通常可保留非晶性、高透明性 (實際上無色),甚至在很大截面中也仍是保持如此狀態。以上描述可能讓人感覺抽象難懂?簡言直說,PETG實際上就是我們日常生活中常見到的那種超透明的飲料瓶,大家俗稱「寶特瓶」的那種很透明的瓶子,其主要製成原料便是PETG。

  PETG具有很高的剛度、硬度和良好的韌性,甚至在低溫也能保持應有的韌性。透明度、韌性和熔體強度相結合,使其可用於注塑、吹塑和擠壓制型材、管材、薄膜和板材。

  這種材料符合FDA標準,可與食品接觸。PETG擠塑可生產很寬範圍的型材,以及包裝用管材、薄膜和片材,包括醫藥設備包裝。
PETG目前應用範圍包括儀器蓋子、機器護罩、化妝品容器、槓桿裝置指針、顯示元件和玩具。

  PETG簡要來說就是一種高度透明的塑料,抗沖擊性能優異,特別適宜成型厚壁透明制品,其加工成型性能極佳,能夠按照設計意圖進行任意形狀設計,其二次加工性能優良,可以進行常規機械加工修飾。

  PETG材料成形物品可進行一般鋸切、模切、鑽孔、沖孔、剪切、鉚接、銑邊以及冷彎,不至於破碎。表面的輕微刮痕可用熱風槍來消除。溶劑粘接亦是常規操作。它比通用壓克力、抗沖改性壓克力或PC塑料更易於加工,並可進行植絨、電鍍等後製加工處理。

  熔點溫度︰200~250℃

  特性簡介︰PETG具有出眾的熱塑形性能與優異的強度、高度透明、高透光性、高光澤度、堅韌性好、抗沖擊性能優異,以及優秀的耐候性,可長期持續保持產品的堅韌性,防止變黃。PETG還含有紫外線吸收劑,可保護材料本身免於遭受紫外線的有害影響,還可耐受多種化學品以及常用的清潔劑。

  適用說明︰PETG具有很高的剛度、硬度和良好的韌性,甚至在低溫也能保持應有的韌性。另外,透明度、韌性和熔體強度相結合使其易於各種方式塑型,適合印製需要同時具備透明度、剛度、韌性、耐紫外線、耐低溫與耐溫差變化大的各種容器或任何需要PETG特性的任何物品。

  顏色特性︰除了PETG材料原色(高透明無色)以外,目前市面上提供3D列印耗材的膠條原料通常只有黑色和白色。

  另外還須注意的是︰由於FDM / FFF成型工藝本身在應用技術上的限制,塑料由出膠噴頭擠出熔融臨界點的半流體 – 此法在成型過程中容易造成密度不均勻,且此成型工法不能確實做到100%密實,成型物品本身的透明度會因而大打折扣。

■ 聚甲醛樹脂 (POM)

  POM(聚甲醛樹脂)是一種具高密度、高結晶性的線型聚合物。

  POM對酸鹼穩定性佳,是具有優異綜合性能的工程塑料。具有良好的物理、機械和化學性能,尤其是優異的耐摩擦性能。俗稱賽鋼或塑鋼,為第三大通用塑料。

  適於製作減磨耐磨零件、傳動零件、以及化工、儀表等零件。

  高硬度、高鋼性、高耐磨的特性。主要用於齒輪,軸承,汽車零部件、機床、儀表內零部件等起骨架作用的產品。

  熔點溫度︰230~270℃

  特性簡介︰POM耐磨、耐熱、高剛性、高硬度、高機械強度;

  適用說明︰POM收縮率大,易產生縮水或變形。適合用來列印不大講究尺寸精準度,但是需要耐磨、耐熱、高剛性、高硬度、高機械強度的零部件或整體成型產品。

  顏色特性︰原色(白色)、黑色。

■ 聚乙烯醇 [ 水溶性塑料 (PVA) ]

  PVA (PolyVinyl Alcohol) 中文名稱「聚乙烯醇」,是一種用途相當廣泛的水溶性高分子聚合物,材質性能介於一般塑料和橡膠之間。

  由於PVA具有獨特的強力粘接性、皮膜柔韌性、平滑性、耐油性、耐溶劑性、保護膠體性、氣體阻絕性、耐磨性以及經特殊處理具有的耐水性,因此除了作纖維原料外,還被大量用於生產塗料、粘合劑、紙品加工劑、乳化劑、分散劑、薄膜等產品,應用範圍遍及紡織、食品、醫藥、建築、木材加工、造紙、印刷、農業、鋼鐵、高分子化工等行業。

  PVA產品性能:無毒無味、無污染。一般PVA材料可在80~90℃水中溶解。近來市面上也出現了專為3D列印所設計,在一般常溫狀態下即可以水溶解的PVA材料。

  熔點溫度︰190~220℃

  特性簡介︰PVA材料對人體無毒,對環境無害;一般PVA材料可在80~90℃水中溶解。

  近來市場上已推出專為3D列印所設計的「常溫即可溶於水」的PVA膠條材料,無需其他溶劑,對環境不會造成負擔,屬於綠色環保材料。

  適用說明︰主要是用來當作懸空列印時的支撐材料使用。

  顏色特性︰原色(乳白色或接近膚色)。

■ 仿橡膠高彈性柔軟塑料 (Flexible-PLA)

  目前市場上已發展出主要以PLA製成,仿橡膠高彈性的柔軟材質彩色複合性原料。除了可用來印製特殊設計的衣物服飾與鞋子以外,更適合用於印製各種適合幼兒的無毒性又柔性的安全玩具。各式玩具、輪胎,以及機器人或坦克車輪帶等產品。

  熔點溫度︰200~220℃

  特性簡介︰材料有極大的黏附性,易於黏附3D列印工作底床。須注意膠料咬進齒輪置冷端會需要加強風扇的散熱,另外忌用風扇直接吹成型中物體。實際軟度彈性將取決於3D模型物體的外殼、填充、層厚以及體積大小等參數,軟度大約是在85A左右。

  因為材料本身的高柔軟度特性,列印過程中的進料可能會受到阻力而卡死在咬線齒輪上。所以需要以高溫慢速進行列印,並盡量保持進膠暢通無阻,所以列印軟性材料的使用者需要注意打印機本身結構功能是否能勝任此種材料的列印工作。

  目前市面上入門款機種,尤其「經濟型」多為設計成只能使用PLA或ABS硬料,其結構太過精簡,或者也可能缺少置冷端散熱功能。倘若如此,假如要使用軟性材料,就必須要能自行改良進料齒輪與列印噴頭,以及擴充散熱風扇,使機器符合功能上的需求。因為材料太軟會很容易被進膠齒輪送料走偏,導致膠條材料進不了送料管,所以需要特別注意。

  適用說明︰適合用來列印任何需要高彈性與高柔軟度材質的物品。

  顏色特性︰目前這類仿橡膠高彈性與高柔軟度的PLA材料,顏色選擇並不多,常見有白色、黑色、紅色、藍色和透明無色。

■ 原生木質複合塑料 (WOOD)

  原生木材質的複合塑料。

  熔點溫度︰180~210℃

  特性簡介︰線材是用原生木粉制作的一種新型複合材料,有抗腐蝕,耐潮濕,耐酸鹼,不發黴的特點。當木材纖維在噴嘴和加熱時,不要等待太長久的時間。否則木粉會膨脹並燒毀,當您加熱足夠的溫度和進木纖維準備就緒,即可列印3D模型。

  適用說明︰印製出的產品接近實木效果,散發木頭的味道,像木材一樣,可釘,可鑽,可雕。

  顏色特性︰木頭色。

光敏樹脂–SLA「光固化立體造型」與DLP「數位光固化處理」專用

  「光敏樹脂」又可稱為「光固化樹脂」、「UV樹脂」或「光硬化樹脂」,是SLA「光固化立體造型」與DLP「數位光固化處理」3D列印機的專用材料。

  「光敏樹脂」原料呈液態狀,一般用於製作高強度、耐高溫、防水等材料。

  「光敏樹脂」主要是由聚合物單體與預聚體組成,其中加有光 (紫外光) 引發劑或稱為光敏劑。在一定波長的紫外光 (250~300奈米) 照射下立刻引起聚合反應,使原本呈現「液態」狀的樹脂凝結硬化為「固態」。

  特性簡介︰成型物體在完全固化成型之後,再經由後製以UV紫外光加強照射大約3~10分鐘 (視成品大小而定),其結構強度、硬度將能做到近似壓克力或ABS等工程塑膠相近的品質。

  適用說明︰以SLA或DLP成型工藝專用材料「光敏樹脂」所製物品一般大多呈現半透明,材料本身色彩選擇性很少,所以無法如FDM / FFF列印機使用ABS或PLA的豐富顏色材料直接印製 (或多次列印多色組合) 成彩色可直接使用的零件或整體成型產品。

  然而由於能有極為優異的尺寸精度與表面細膩度,適合需要精度與細緻表面,但不著重色彩要求的工程用零部件或其他用途物品。

  適合用作快速原型打樣,或以3D成型物件直接翻製成模具。利用後製二次加工處理上色也能有很好的外觀色彩表現。

  顏色特性︰目前市面上能找到的顏色︰透明(無)色、半透明色、白色、象牙白、天藍色、綠色、黃色、紅色、黑色以及土灰色。

金屬粉體材料 – SLS / DMLS(SLM) / EBM 等3D列印工法適用

  已有越來越多的金屬和金屬複合物被用在工業級的3D列印,以細微粉末型態方試為供應材料 – 稱為「金屬粉體」材料。鋁(aluminium)和鈷衍生物(cobalt derivatives) 是最常見的材質。

  然而從成品結構強度與剛度的考量上,目前在3D列印應用最為廣泛的,其實是以「不鏽鋼」粉體材料供應用在SLS燒結/DMLS(SLM)熔結/以及EBM電子束等工藝技法的3D列印機。

  「不鏽鋼」粉體材料的原色通常為銀亮色,但也可以電鍍其他材料來產生金色或黃銅色效果。

  近年來「黃金」和「銀」也被逐漸在業界中加入3D列印金屬粉體材料的行列之中,列印成品主要用在製作珠寶首飾。這兩種貴金屬都是強度非常高的材料。

  目前市面上常見主要金屬粉體材料有以下這幾類︰鋼鐵合金、鎳基合金、鈦金屬與鈦基合金、鈷基合金、鋁合金、銅合金、貴金屬、其他特殊金屬等。

  鋼鐵合金 – 不鏽鋼 (304L; 316L; 630; 440C)、馬式體時效鋼(18Ni)、工具鋼、模具鋼(SKD-11、M2.H13)。適合用途︰醫療器材、精密工具、成型模具、工業零件、文創藝品等。
 
  • 鎳基合金 – 超合金 (IN625、IN718)。
  • 鈷基合金 – F75 (Co-Cr, Co-Cr-Mo合金)、超合金(HS188)。
  • 鋁合金 – Al-Si-Mg合金 (6061)。
  • 銅合金 – 青銅 (Cu-Sn合金)、Cu-Mn-Ni合金。
  • 貴金屬 – 銀、黃金 (18K、14K、Au-Ag-Cu合金)。
  • 鈦與鈦基合金 – 鈦金屬(CPTi)、鈦合金(Ti-6A1-4V合金) 、TiAl、Ti-Ni合金。
  • 其他特殊金屬 – 非晶質材料 (Ti-Zr-B合金)、準晶合金 (Al-Cu-Fe合金)、多元高合金、分物可分解合金 (Mg-Zn-Ca合金)。
  以上所有金屬粉體材料又以「鈦金屬」為3D列印成型工業成品所使用的材料當中,其結構性強度性能最為優異的。鈦金屬與鈦基合金粉體材料一般可應用於SLS燒結/DMLS(SLM)熔結/EBM電子束等成型工藝技法的3D列印機。然而,由於鈦金屬粉體材料易氧化,所以最理想的成型工藝是列印進程採真空狀態下進行的EBM電子束,且此工藝是所有3D列印當中能製作出密度、強度與剛硬度最優的成型品,其列印成品強度可達到與傳統方式鑄造的成品相當的程度。

  去年(2014)11月18日,總部位於東京的田中控股(Tanaka Holding)正式對外宣佈,透過旗下田中貴金屬工業公司,他們已經成功開發出可用於SLS「選擇性雷射燒結」3D列印機的「鉑類金屬玻璃粉體」配方。

  這對於3D列印材料領域來說是一件重大新聞,因為這有可能徹底改變在SLS成型工藝所使用的材料。這意味著使用SLS成型法的3D列印機可以列印金屬玻璃材質的工程用零部件與其他類整體成型的產品。

石膏粉體材料–「粉床噴墨3D列印」適合3DP專用

  「石膏粉體材料」是3DP「粉床噴墨3D列印」專用的材料,這種材料需要特別注意的是列印成型之後的二次加工處理。這些石膏成型物品將會需要進行與傳統石膏製品類似的處理程序 - 焙燒與上釉。

  3DP列印所使用的「石膏粉體」原料主要成份就是「硫酸鈣」,也就是一般的石膏粉末。

  3DP成型工法以「石膏粉體」作為3D列印使用材料,有以下特點:
 
  1. 硫酸鈣(石膏)比起其它3D列印工藝所使用的材料如無機粉料、光敏樹脂、塑料等其安全指數更高,而且價格相對低廉,是現有3D列印使用材料中算是最具安全與環保效能的。
  2. 石膏粉體材料顆粒精細,其成品模型表面具有沙粒感和顆粒狀。
  3. 石膏粉體材料原色為灰白色,印製模型可實現彩色,是目前所有3D列印成型工藝技法當中,唯一支援全彩列印的工法材料,也適用於建築用等展示模型。
  4. 石膏粉體是性價比相當高的列印材料,取材廣泛,價廉易得。
  3DP成型工藝技法使用石膏粉體為材料,具體以上特點,非常適合用以列印需要全彩表現且一次整體成型的模型、道具、玩具或公仔等應用。

  然而由於其成型品結構強度不佳,不宜作為直接使用並且需要一定結構強度、硬度與韌性度的工程零部件或工具產品使用。

其他應用材料

■ 生化材料

  目前也有極多的研究投入在研發製造醫療成品可用之3D列印生化材料,例如「活細胞組織」已有許多機構進行研發中。在美國已有醫療相關研究單位已能印製腎臟並也有成功移植的案例。

  不久的未來可預期3D列印應用在醫療方面將能列印出其他可移植的人體器官,以及可用來替換人體部位的外表組織。

  在3D列印成型工藝使用材料方面,於此相似的領域中,另也有許多研究聚焦在研發肉品食物原料的印製-「牛排」便是很典型的例子。

■ 食物材料

  在近幾年內3D列印有關研究與業界越漸增加諸多3D列印食物材料,通常是利用FDM成型工法,更換原本的熱熔擠膠噴頭改成可擠壓出膠膏狀食品原料的實驗。

  巧克力是最常見的使用材料,也有列印糖果的列印機器。還有一些是能擠出義大利麵和肉類的實驗在進行著 – 展望未來,使用3D列印技術來製作精緻的一餐的這類研究正在被積極的進行中。

■ 陶瓷材料

  利用3D列印工藝印製陶瓷物品,材料與成型工法目前業界研究方向主要有兩種︰

  使用陶瓷粉體材料,以SLS工法進行雷射燒結,可於後製加工上釉。此陶瓷產品可用來盛食物,許多人用陶瓷來列印個性化的杯子。

  另一種是以陶瓷黏土為材料,以FDM成型工法將原本熱熔式擠膠噴頭改成可擠壓陶瓷黏土的方式來進行3D塑型。

  當然,目前以3D成型技術列印的「陶瓷成型物品」本身並無法確實完成陶瓷高溫燒製,這道手續現在仍會需要於成品印製完成之後再進行二次加工的後製高溫燒製方能完成。

■ 特殊材料

  Stratasys提供一種用在該公司生產的「Objet Connex 3D 列印機台」所用專利型「數位材料」。標準的「Objet 3D 列印材料」可以在列印過程中依據需求屬性,以不同特定的濃度來形成新式多類材質表現的原料,可從已有的基礎材料複合出多達140種不同的數位材料。

  美國華盛頓大學透過調整玻璃粉劑和粘合劑的混合比例再配合加熱溫度方式,研發出以3D工藝列印「玻璃」的技術,這項特殊材料可用來幫助建築師測試何種玻璃設計可最適合什麼樣的的環境。

  3D列印真正的「玻璃」作品,目前其實尚在試驗階段。主要方式是以玻璃粉體材料並採用SLS等雷射燒結熔融技術實現3D塑型。

  尼龍鋁粉3D打印材料(Alumide)─ 這種材料是在尼龍粉末中參雜了鋁粉,利用SLS技術進行雷射燒結列印,其成品能有金屬光澤,可適用來列印裝飾品和首飾之類的創意產品。


 
本文摘錄自 3D列印機-初學入門指南 第五章 : 3D列印新手上路

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  [ 下載時間: ?  秒 ]   [ 2018年 05月 22日 PM05:40:06 ]
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