歷史沿革
3D列印是最近一個非常
熱門的議題,美國總統歐巴馬把它列為國家未來發展的重點,全世界最大的募資網站kickstarter已經有好幾個案子以3D列印為基礎募到超過一百萬美
金,臺灣的產業大佬也爭先恐後跑出來發表他們個人的見解,而且說法差異之大,常常讓人懷疑其實他們不是在講同一個東西。
究竟,3D列印是甚麼呢?其實,他並不是最近才被發明出來的技術,早在1982年,日本人就已經發表他們使用這個技術印出來 的立體模型。沒錯,3D影印最早就是用來印模型的,難怪日本人會發明它。
到了一九九零年前後,3D列印不再僅僅是實驗室的玩具,它開 始產生了商業用途。
這 時候的3D印表機已經有數種不同的技術突破,但他仍然又大又貴,所以只有大公司買得起他,主要是應用它來製造產品的模型與模具。時至1995年,MIT改 造了噴墨印表機,將塑膠材料與溶劑擠壓到粉末床,取 代原本印表機把墨水噴到紙張的功能,並獲得專利,這是第一台小型化的3D印表機。
那麼,為什麼現在3D印表機這麼受到矚目呢?首先,因為它主要的專利都到期了,所以生產3D印表機的成本大幅下降,這使大家開始對家家一部印表機,人人都是小型工廠的未來產生了期待。
再 者,隨著科技進步,有越來越多奇怪的東西被大家用3D印表機 印出來,從巧克力,手槍,人體器官,甚至是整棟房子,這讓大家對3D印表機的能耐有越來越高的想像。除此之外,3D列印有別與傳統工業的減法工程,它是相 對節省材料的加法工程。什麼又是減法工程與加法工程呢?我舉一個例你們就知道了。
想像一下米開朗基羅雕大衛像,他一定是拿一塊石頭敲阿敲阿敲,把大衛敲出來,然後再把剩下的石頭丟掉,這就是減法工程,會浪費很多材料。大家再看眼前這個影片,看塑膠這樣一層一層疊上去,需要多少噴多少,這就是加法工程,不浪費材料。
在地球的資源越來越稀少的狀況下,3D印表機的發展可說是一場及時雨。 雖然說了這麼多3D印表機的好處,它卻不是完美無缺的。
剛剛提到它已經可以成功的印出許多匪夷所思的東西,但這些技術仍 然沒以成熟,所以離普及還有一大段距離。
此外,材料科技也還沒跟上發展的腳步,目前印出來的物品的強度還沒有辦法達到傳統工法可以達到的標準。
另一個必須解決的是安全問題,剛剛提到3D印表機可以印出手槍,這絕對是一個大麻煩。想像一下家家戶戶都能把槍印出來,所有先進國家的謀殺率都與美國看齊,這 可不是一個好現象。
總結來說,3D印表機是一個有工業革命的潛力技術,但它也有相當多的問題有待解決。如何讓它照著最樂觀的情況發展,甚至超乎大家對它的想像,同時解決它對社會的負面影響,是全世界都非常關注的課題。
究竟,3D列印是甚麼呢?其實,他並不是最近才被發明出來的技術,早在1982年,日本人就已經發表他們使用這個技術印出來 的立體模型。沒錯,3D影印最早就是用來印模型的,難怪日本人會發明它。
到了一九九零年前後,3D列印不再僅僅是實驗室的玩具,它開 始產生了商業用途。
這 時候的3D印表機已經有數種不同的技術突破,但他仍然又大又貴,所以只有大公司買得起他,主要是應用它來製造產品的模型與模具。時至1995年,MIT改 造了噴墨印表機,將塑膠材料與溶劑擠壓到粉末床,取 代原本印表機把墨水噴到紙張的功能,並獲得專利,這是第一台小型化的3D印表機。
那麼,為什麼現在3D印表機這麼受到矚目呢?首先,因為它主要的專利都到期了,所以生產3D印表機的成本大幅下降,這使大家開始對家家一部印表機,人人都是小型工廠的未來產生了期待。
再 者,隨著科技進步,有越來越多奇怪的東西被大家用3D印表機 印出來,從巧克力,手槍,人體器官,甚至是整棟房子,這讓大家對3D印表機的能耐有越來越高的想像。除此之外,3D列印有別與傳統工業的減法工程,它是相 對節省材料的加法工程。什麼又是減法工程與加法工程呢?我舉一個例你們就知道了。
想像一下米開朗基羅雕大衛像,他一定是拿一塊石頭敲阿敲阿敲,把大衛敲出來,然後再把剩下的石頭丟掉,這就是減法工程,會浪費很多材料。大家再看眼前這個影片,看塑膠這樣一層一層疊上去,需要多少噴多少,這就是加法工程,不浪費材料。
在地球的資源越來越稀少的狀況下,3D印表機的發展可說是一場及時雨。 雖然說了這麼多3D印表機的好處,它卻不是完美無缺的。
剛剛提到它已經可以成功的印出許多匪夷所思的東西,但這些技術仍 然沒以成熟,所以離普及還有一大段距離。
此外,材料科技也還沒跟上發展的腳步,目前印出來的物品的強度還沒有辦法達到傳統工法可以達到的標準。
另一個必須解決的是安全問題,剛剛提到3D印表機可以印出手槍,這絕對是一個大麻煩。想像一下家家戶戶都能把槍印出來,所有先進國家的謀殺率都與美國看齊,這 可不是一個好現象。
總結來說,3D印表機是一個有工業革命的潛力技術,但它也有相當多的問題有待解決。如何讓它照著最樂觀的情況發展,甚至超乎大家對它的想像,同時解決它對社會的負面影響,是全世界都非常關注的課題。
意義
3D列印(英語:3D
printing),又稱增量製造(Additive
Manufacturing,AM),可指任何列印三維物體的過程。3D列印主要是一個不斷添加的過程,在電腦控制下層疊原材料。[2]3D列印的內容可
以來源於三維模型或其他電子資料,其列印出的三維物體可以擁有任何形狀和幾何特徵。3D列印機屬於工業機器人的一種。
「3D列印」這個詞的原意是指順序地將材料沉積到粉末層噴墨列印頭的過程。最近此詞的含義已經擴大到廣泛包括的各種技術,如擠壓和燒結過程。技術標準一般使用「增量製造」這個術語來表達這個廣泛含義。
大家會叫他3D印表機,我相信他代表的是列印的意義,那就會遵循之前列印的發展模式,模糊來說,3D列印就是實體的遞送與分散式的散布,3D列印應該有機會變成實體的遞送與散布的裝置。
「3D列印」這個詞的原意是指順序地將材料沉積到粉末層噴墨列印頭的過程。最近此詞的含義已經擴大到廣泛包括的各種技術,如擠壓和燒結過程。技術標準一般使用「增量製造」這個術語來表達這個廣泛含義。
大家會叫他3D印表機,我相信他代表的是列印的意義,那就會遵循之前列印的發展模式,模糊來說,3D列印就是實體的遞送與分散式的散布,3D列印應該有機會變成實體的遞送與散布的裝置。
內涵
應用
3D列印機種類:
印表機類型
工藝
材料
擠壓型
熔融沉積成型(FDM)或熔絲製造(FFF)
熱塑性塑料(例如,PLA、ABS樹脂、HIPS、尼龍)、HDPE、共晶、食用材料、橡膠(萬能橡皮泥)、雕塑粘土、普萊斯蒂辛橡皮泥、室溫硫化有機矽、瓷、金屬粘土(包括貴金屬粘土)
自動注漿成型
陶瓷材料、金屬合金、金屬陶瓷、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料
金屬線路型
電子束無模成型製造器(EBF3)
幾乎所有金屬合金
顆粒型
直接金屬雷射燒結(DMLS)
幾乎所有金屬合金
電子束熔煉(EBM)
包括鈦合金在內的幾乎所有金屬合金
選擇性雷射熔化(SLM)
鈦合金、鈷鉻合金、不鏽鋼、鋁
選擇性熱燒結(SHS)
熱塑性粉末
選擇性雷射燒結(SLS)
熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末
粉末噴墨針頭型
石膏3D列印(PP)
石膏
層積型
分層實體製造(LOM)
紙張、金屬箔、塑料薄膜
光聚合型
立體光刻(SLA)
光聚合物
數字光處理(DLP)
就目前發展來看,3D列印的主要原料是塑膠,在現實生活中,塑膠向來是低價的代名詞,不過3D列印所使用的塑膠原料並不便宜,這使得塑膠列印的材料使用成 為整體成本中相當大的支出比例,這也使得3D列印設備廠商的經營模式不再只單純依靠列表機的販售來獲取利潤。
大 部分的3D印表機廠商都會研發自己專用的列印塑料,藉由材料的持續販售,確保企業經營的長期獲利,這類作法與現行的平面印表機一樣,其印表機的售價都相當 便宜,廠商的主要獲利來源都是後續的墨水販售,只是平面印表機廠商對使用者的限制是墨水匣的設計,而3D列印廠商是透過材料材質與印表機的配合。
廠商各自研發3D列印原料,使其無法相容的作法,對3D列印的發展影響有好有壞,好處是廠商將熱衷於投資研發高性能而且可獲利的原料,缺點則是使用者擔心製造商的保固維修服務,而不願嘗試其他廉價的新材料。
把這兩項共存的優缺點放在一起可以發現,廠商綁住原料的作法,往好處看是在利之所趨下,廠商會自行創新,但缺點卻是創新只會於廠商端發生,整體市場的創意創新將會受限。再 回到材料本身,塑膠是現在3D列印最常用的材料,工程師將其分為熱塑型塑膠與熱固型聚合物兩類,這兩類原料的差別在於材質的轉化,熱塑型塑膠受熱後會融 化,使之容易塑型,但其內部結構不會改變,也就是說再加熱融化後,這材料還是可再反覆使用,熱固型聚合物則在加熱固化後,內部結構會改變,因此是單次使 用。目前多數以列印頭沈積原料設計的消費性3D印表機,使用的ABS原料是屬於熱塑型(與樂高玩具相同),立體光雕式的印表機。(Stereolithography;SL)也使用熱塑性粉末,至於雷射燒結(Laser sintering;LS)則使用光敏熱固性聚合物。除 了這兩種外,部分3D列印機也使用其他類別的塑膠,像是軟塑膠,軟塑膠的別名是「彈性體」,顧名思義,這種原料具有一定彈性能力,矽樹脂就屬於此類,過去 矽樹脂可從注射器擠壓出來,再以風乾成形,3D列印蔚為風潮後,有廠商將類似的材料設計為可熱融,作為列印的材料之一。
DIGITIMES中文網 原文網址: 原料技術發展 決定3D列印未來。
印表機類型
工藝
材料
擠壓型
熔融沉積成型(FDM)或熔絲製造(FFF)
熱塑性塑料(例如,PLA、ABS樹脂、HIPS、尼龍)、HDPE、共晶、食用材料、橡膠(萬能橡皮泥)、雕塑粘土、普萊斯蒂辛橡皮泥、室溫硫化有機矽、瓷、金屬粘土(包括貴金屬粘土)
自動注漿成型
陶瓷材料、金屬合金、金屬陶瓷、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料
金屬線路型
電子束無模成型製造器(EBF3)
幾乎所有金屬合金
顆粒型
直接金屬雷射燒結(DMLS)
幾乎所有金屬合金
電子束熔煉(EBM)
包括鈦合金在內的幾乎所有金屬合金
選擇性雷射熔化(SLM)
鈦合金、鈷鉻合金、不鏽鋼、鋁
選擇性熱燒結(SHS)
熱塑性粉末
選擇性雷射燒結(SLS)
熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末
粉末噴墨針頭型
石膏3D列印(PP)
石膏
層積型
分層實體製造(LOM)
紙張、金屬箔、塑料薄膜
光聚合型
立體光刻(SLA)
光聚合物
數字光處理(DLP)
就目前發展來看,3D列印的主要原料是塑膠,在現實生活中,塑膠向來是低價的代名詞,不過3D列印所使用的塑膠原料並不便宜,這使得塑膠列印的材料使用成 為整體成本中相當大的支出比例,這也使得3D列印設備廠商的經營模式不再只單純依靠列表機的販售來獲取利潤。
大 部分的3D印表機廠商都會研發自己專用的列印塑料,藉由材料的持續販售,確保企業經營的長期獲利,這類作法與現行的平面印表機一樣,其印表機的售價都相當 便宜,廠商的主要獲利來源都是後續的墨水販售,只是平面印表機廠商對使用者的限制是墨水匣的設計,而3D列印廠商是透過材料材質與印表機的配合。
廠商各自研發3D列印原料,使其無法相容的作法,對3D列印的發展影響有好有壞,好處是廠商將熱衷於投資研發高性能而且可獲利的原料,缺點則是使用者擔心製造商的保固維修服務,而不願嘗試其他廉價的新材料。
把這兩項共存的優缺點放在一起可以發現,廠商綁住原料的作法,往好處看是在利之所趨下,廠商會自行創新,但缺點卻是創新只會於廠商端發生,整體市場的創意創新將會受限。再 回到材料本身,塑膠是現在3D列印最常用的材料,工程師將其分為熱塑型塑膠與熱固型聚合物兩類,這兩類原料的差別在於材質的轉化,熱塑型塑膠受熱後會融 化,使之容易塑型,但其內部結構不會改變,也就是說再加熱融化後,這材料還是可再反覆使用,熱固型聚合物則在加熱固化後,內部結構會改變,因此是單次使 用。目前多數以列印頭沈積原料設計的消費性3D印表機,使用的ABS原料是屬於熱塑型(與樂高玩具相同),立體光雕式的印表機。(Stereolithography;SL)也使用熱塑性粉末,至於雷射燒結(Laser sintering;LS)則使用光敏熱固性聚合物。除 了這兩種外,部分3D列印機也使用其他類別的塑膠,像是軟塑膠,軟塑膠的別名是「彈性體」,顧名思義,這種原料具有一定彈性能力,矽樹脂就屬於此類,過去 矽樹脂可從注射器擠壓出來,再以風乾成形,3D列印蔚為風潮後,有廠商將類似的材料設計為可熱融,作為列印的材料之一。
DIGITIMES中文網 原文網址: 原料技術發展 決定3D列印未來。
未來發展
3D列印現在存在著許多不同的技術,不同之處在於以可用的材料的方式,並以不同層構建建立部件。有些技術利用熔化或軟化可塑性材料的方法來製造列印的「墨水」
3D列印的專利申請主要集中在美、日、德、中、韓等五個國家,上述五國的專利申請量佔全球增材製造專利申請總量的九成,其中美國3D Systems公司在各先進國家擁有許多3D專利權。
3D列印的專利申請主要集中在美、日、德、中、韓等五個國家,上述五國的專利申請量佔全球增材製造專利申請總量的九成,其中美國3D Systems公司在各先進國家擁有許多3D專利權。
資料來源
- 維基百科〔2016年2月9日〕。3D列印,2016/2/19,取自: https://zh.wikipedia.org/wiki/3D%E6%89%93%E5%8D%B0
- 方惠萱〔2015年05月22日〕。 3D列印的意義? 學者:推動產業數位化 大紀元時報2016/2/19,取自: http://www.epochtimes.com.tw/n127423/3D%E5%88%97%E5%8D%B0%E7%9A%84%E6%84%8F%E7%BE%A9--%E5%AD%B8%E8%80%85-%E6%8E%A8%E5%8B%95%E7%94%A2%E6%A5%AD%E6%95%B8%E4%BD%8D%E5%8C%96.html
- PDF 2016/2/19,3D列印的歷史,應用,跟未來展望,取自: http://science.nchc.org.tw/EPoSC/DSC/homework/dsc_film/text/14.pdf