高速積層製造技術
■高速 3D 列印研究中心 / 劉紹麒
前言
高速積層製造之源頭可追溯到所謂的射出成型(Injection moulding) 技術，射出成型屬於使用模具的成型方法之一。這種方法會透過將合成樹脂（塑膠）等材料加熱並融化，送入模具後再使其冷卻的方式進行目標成型。如圖 1 所示，達成圖案型貌與能量分開的製程，以模具定義圖案型貌、加熱裝置定義能量，由於過程看起來類似使用注射器送入液體，所以被稱為「射出成型」。
這邊以 100 公尺賽跑來闡述圖案形貌與能量分開以達高精度及速度的要點，在賽跑時，跑者不需要顧慮何處為 100 公尺的終點線，只需要拼命往前衝，終點線由他人進行標示，且跑者一定是經過終點線才減速，但若今天跑者需準確的停在 100 公尺處，在到達終點前就必須開始減速，則會導致速度下降，這個例子裡的跑者就是能量化，而標示終點線的人便是圖案型貌（精度），兩者分開才能夠達到高速的這一目的，否則就得犧牲掉精度或速度其中一項。
3D 列印與積層製造已開始出現複合式的技術。其中有以高功率光纖雷射燒結粉末，再結合 CNC 維持工件精度，稱為「加減法積層製造加工法」。另外也可使用噴印方法，目前工業上主要以光固化的 CLIP 技術、HP 及 Desktop Metal 的粉床式噴印技術為高速積層製造的主流技術。
高速光固化 3D 列印技術
光固化 3D 列印的發展起源於使用雷射的 SLA 技術，此技術運用雷射光點做為能量來固化樹脂，並同時藉由雷射來掃描圖檔每層的形貌，層層堆疊後得到 3D物件。而 DLP/LCD 技術差異只在光源的不同，其高速的原理都一樣使用 CLIP，主要 DLP 擁有相較 LCD 更強的光源以達更快固化速度，燈可為可見光波段或是紫外光波段，取決於應用的層面。而其形貌的定義則是由光罩來顯示圖檔每層的圖形，使光固化列印朝向面成型發展，也藉著形貌與能量定義的分離使列印效率與速度提高。其 CLIP 技術便為現今使光固化製程達到高速的主要原因。
連續列印 CLIP
連續列印最早是於 2006 年由 EnvisionTEC 發布的專利中所提出，如圖 2 所示，其做法是使用上照式光固化技術，其光源可以是 DLP/LCD 或其他投影裝置，列印過程中 Z 軸會不斷往下降，其過程可能是均速也可能是變速度下降，取決於每層的固化時間可能不同導致，而為保持樹脂液面永遠保持在同一水平位置，使用液面感應裝置，並搭配自動添加樹脂裝置，使液面不會因固化後而產生凹陷狀導致列印失敗。而到了2015 年，Carbon3D 才使用其 CLIP 技術，如圖 3 所示，使下照式光固化能夠達到連續列印，其做法主要是以死區的概念使固化層與樹脂槽底部間形成一不固化液態層，使樹脂回流及列印分離力得到解決。列印速度可達 500mm/hr，相較於其他技術的列印速度數據如圖 4 所示。
連續列印限制
連續列印雖能大幅加快列印速度，但其仍有需改進的限制，每個連續列印技術皆可能有其特殊限制，但最常見的限制即樹脂的回流問題。樹脂回流問題限制列印的連續實體面積大小，使實心物體的連續列印容易失敗。因樹脂無法流進物件中心，使列印時物件中心一直無液體流入，若繼續列印則會使此真空區域愈變愈大，進而使底材受真空吸附力而拉起。
而為解決此問題，可藉由添加更多樹脂，透過較多的樹脂所形成的壓力差使樹脂流入固化層所形成的真空區域；另一做法則是降低 Z 軸抬升速度或使 Z 軸抬升後有個等待時間，讓樹脂能夠回填。但這些做法還是無法完全解決樹脂回流問題，因此可看到市面上大部分採連續列印技術的廠商，都傾向於列印空孔、網狀結構，如圖 5 所示，主要是這種結構能使樹脂更容易流入固化區域，且固化區域旁本身就有需多為固化的樹脂能夠進行填補，這種類似流道的概念使網狀結構能相對容易進行連續列印。
多噴嘴燒融技術：塑膠
多射流熔融 (Multi-Jet Fusion, MJF)
該技術由惠普 HP 公司開發，如圖 6 所示。利用成熟的熱泡式噴頭配合頁寬式 (Page Wide) 的技術將噴頭併接， 主要粉末材料 為 PA11、PA12 和 TPU， 並以墨水做為熱觸媒 (Fusion Agent) 噴印一平面圖案於已鋪平之粉末上後開啟紅外光進行加熱，藉由熱觸媒中的碳黑吸取紅外光的能量，使粉體完全加熱熔化，故可以製作強度非常高的零件，且開發出了精細劑(Detailing Agent) 噴印在平面圖案之外圍，使得外圍粉末不易因熱傳導造成部分粉末燒熔；讓精度得以提升，解決過去快速燒結技術上所遇到的熱傳遞問題。
•HP-MJF 系列機臺能力介紹
專為製造業、產品開發、設計業打造的工業級量產型 HP 3D 列印機，擁有下列三個特性：
1. 製作最佳機械特性的工程級熱塑性配件及外裝。
2. 加快設計週期，短時間完成創造、測試及量產。
3. 列印高硬度精密配件，並維持最佳機械特性。
•HP 3D 列印機卓越穩定的配件品質
以完美的尺寸準確度，生產功能配件，呈現最佳機械 特 性。HP Multi Jet Fusion 技 術，可 在 30 分 鐘內列印出一 個鍊 環。鍊 環 重量為 0.25 磅，可提舉10,000 磅。
•突破性的生產力
HP 3D 列印機，每秒於每一英吋的作業區，可產生 3千萬滴粉末，大大突破傳統，比以往 3D 列印機快將近 10 倍的速度。3 分鐘可列印 1000 個齒輪，如圖 7所示。HP Multi Jet Fusion 3D 列印技術以突破性的速度，達到一流水準的配件品質，其市面上量產品如圖 8、9 所示。
聚合物噴射 (PolyJet)
PolyJet 列印技術與傳統的噴墨印表機類似，由噴頭將微滴光敏樹脂噴在列印底部上，再用紫外光層層固化。其製程就是屬於光固化成型的其中一種，特點在於其使用多噴嘴的壓電噴頭技術，與 HP 同屬多噴嘴的燒結技術，由以色列 Objet 公司開發。PolyJet 3D列印技術具有快速加工和原型製造的諸多優勢，甚至能快速、高精度地生成具有卓越的精緻細節、表面平滑的零件。因此 PolyJet 技術應用廣泛，在航空航天、汽車、建築、軍工、商業品、消費品、醫療等行業具有很好的應用前景。其列印成品如圖 10、11 所示。
•Objet-Polyjet 系列機臺能力介紹
1. 超凡速度：對製造業來說，生產速度決定部件的成本效益。作為當前 3D 列印中速度最快的其中之一，PolyJet 技術不僅能在幾個小時內生產多個部件，且產品開發團隊能在幾天內快速收到回饋和修改，列印速度可達 14mm/hr。
2. 多材料精確製造：支援多種類型材料結合使用，為先進原型和概念模型提供更廣泛的外觀、觸感和功能模擬，以達到最精美的效果。如 Agilus30 ™系列模擬熱塑性柔性材料、柔韌性極高，類似玻璃的透明材料進一步增強外觀效果，而數位 ABSPlus 模擬用於最終產品的工程級塑膠。
3. 具有低成本優勢：由於 PolyJet 列印的零件幾乎沒有可見的臺階紋；顏色鮮豔，無需後期處理或精加工；可噴射多種材料，無需裝配，大幅縮短交付時間，節省更多成本。因此，PolyJet 3D 列印技術是種成本相對較低的原型製作方式。
多噴嘴燒融技術：金屬
Production System™高速噴印式金屬積層製造
Production System 是 Desktop Metal 用於批量生產高分辨率金屬零件最快的 3D 列印系統。Production system 採單通道噴射 (SPJ) 技術，使金屬零件製造速度能比現有的雷射金屬 3D 列印系統還快 100 倍，其列印速度可達 12000 cm3/hr。金屬 3D 列印量產由黏著劑噴射和單程噴墨技術發明者創建的 Production System™可提供與傳統製造方法競爭所需的速度、質量和單件成本。這是大規模印刷金屬零件的最快方法，其商業量產品如圖 12、13 所示。
HP metal jet
有先前 HP-MJF 系列塑膠量產的噴印技術，HP 進而發展成對金屬做噴印燒結的高速金屬積層製造機臺，唯獨尚未正式發售，Metal Jet 3D 金屬列印機的運作方式如下：先在機床上鋪上一層薄薄的金屬粉末，隨後一排噴嘴掃過這層薄粉末撒下微小的黏合劑滴、基本上就是可黏合金屬的膠水；當完成一個金屬層後，會再依原型設計樣式，重複同樣動作進行下一層金屬黏合。以列印機最大可製尺寸 430x320x200 mm 估算，完成一個成品約需 4~5 個小時。列印機的體積像素 (voxel) 非常高，最小可測量金屬元素僅 20x20x50 µm，相較之下，人類頭髮的直徑約在 17~181 µm。其設備外觀如圖 14 所示。■
參考文獻
［1］標題圖參考自 https://www.lumitex.com/blog/rapidprototyping
［2］http://www.ctlcom.com.tw/news_detail.asp?nid=13
［3］https://envisiontec.com/
［4］https://kknews.cc/zh-tw/science/gyejz3y.html
［5］https://3dprinting.com/news/carbon3d-reachesincredible-3d-printing-speeds-with-clip/
［6］https://kknews.cc/tech/x5a94lg.html
［7］https://kknews.cc/zh-tw/tech/rzjpk3v.html
［8］https://www.youtube.com/watch?v=VXntl3ff5tc&t=165s
［9］https://www8.hp.com/us/en/printers/3d-printers/
products/multi-jet-fusion-4200.html
［10］http://www.caemolding.org/cmm/polyjet-3dprint/
［11］http://3dprinting.com.tw/app/products/detail/73
［12］https://www.desktopmetal.com/products/production
［13］https://www.digitimes.com.tw/iot/article.
asp?cat=158&id=0000542116_DXE0ZUG72JJJMK5Y22J7Y
