書摘：『3D列印的概念、原理與應用』

    「積層製造」，現在更流行的說法是「3D列印」，已經發展到一個階段，能製造出的複雜機械是其他方式所不可企及。1982年，日本名古屋市工業研究所首次公開實作實體模型的印製，然而，最常被冠以發明「現代」3D列印機的人是Charles W. Hull，就是他提出了 SLA（Stereolithography Apparatus）立體平板印刷技術。不過直到2010年代，才出現了商業的3D列印機。在『自造者時代』一書問世後，更引起普羅大眾的目光，成為世人眼中即將可能改變世界的新製造科技!!??

    這樣的趨勢可從美國國家情報委員會提出的一份報告，名為「2030全球趨勢：不同的世界」略窺端倪。報告中提到，在2030年以前，3D列印可能會取代特定的傳統量產製程，像是鑄造、造模、切削，尤其是那些生產時程較短，或是專注在客製化產品的製造商，例如波音或是奇異航太公司，已經開始將這項技術應用到先進產品線。對於客製化、少量製造的應用來說，積層製造具有驚人的力量。隨著快速成型專利過期以及 RepRap 這個開源專案的進行，讓技術擴展與價格大幅下降，勢必全面開啟製造業新思維。

作者：水野操 譯者：林詠純 出版社：木馬文化 出版日期：2014年10月01日

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傳統產出立體形狀物體的方式

＃ 以刀具切削 ＃

最古早的方式，用於製造只生產一件的物品，目前還有可以用精密刀具的切削機製造出模具的工具機。

＃ 利用塑性變形的方法 ＃

利用施加負重到一定程度，使材料永久變形，如製造一體成型的汽車車體。這類塑性金屬被稱為「板金」。

＃ 將熔化的材料倒進模具的方法 (鑄物/射出成型) ＃

也是古早就存在的方法，如在製造黃金首飾時，使用的「脫蠟法」。將蠟材製造的原型埋入鑄模中，加熱使蠟熔化形成空洞，最後再將目標金屬(如黃金)倒入空洞中成型。

＃ 將材料積層製造的方法 ＃

是目前3D列印採用的方式，有點像黏土工藝，將材料堆積疊成立體形狀。

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3D列印物體的方式

    原理其實相當簡單，也就是目前我們使用的印表機 3D 版，將印出來的紙張層層堆疊，就會有個立體 3 維的形狀跑出來。如果將目前的印表機墨水替換成噴出後即可硬化固定的材質，以噴頭在成型台上移動並輸出樹脂，並從原本的2維移動，改為3維移動（加入噴墨頭高度的 Z 軸），完成一層之後再往上堆積下一層。這樣就能處理複雜的造型，只是若要產生大體積的產品則較費時。如果細分3D列印的不同成型方式，在材料種類、如何把材料一層層堆積起來的方式各有不同，產出的質感也將大不相同。

＃ 熔融沉積成型(FDM，Fused Deposition Modeling或稱 FFM，Fused Filament Fabrication) ＃

利用高溫加熱材料使熔化後堆積在成型台，然後冷卻固定。材料通常為 ABS 或 PLA 樹脂。優點：危險性低、易操作，故家用機通常是這種模式。缺點：質感較粗糙、積層紋路也較明顯。在高階機種，可藉由多個噴頭和列印材料，可列印出多色物件，甚至是將支撐材料和成型材料分開，由於支撐材料只是提供物件在列印中途的支撐，因此強度不需太高，以方便移除為主。但在消費機種經常只有 1 個噴頭，只能列印單色物件。

＃ 立體噴印(DLP，Digital Light Processing或稱 FTI，Film Transfer Imaging) ＃

很像噴墨印表機，材料是液狀的光硬化樹脂，只要照射紫外線等特定波長的光就會硬化。比 FDM法可造更細緻、更表面光滑的造型產品，不用打磨即可立即販售。缺點：持續光照(如日光) 會繼續硬化，最終導致變形，不適合須長時間保存的物品。在消費市場和 FDM 算是互補的技術，想要機械強度用 FDM、想要表面精細度就找 DLP。

＃ 光成型(SLA 立體平板印刷) ＃

最早實用化的快速成型模式。也是用光硬化樹脂，但用雷射光照射後形成1片硬質切片，接著將模型往樹脂內部沉浸，再用雷射照射硬化下一層。優點：可製造非常精細的造型。但部分原料有毒。有家用款。

＃ 粉末燒結(SLS，Selective Laser Sintering） ＃

材料以粉末形狀供應，如尼龍樹脂、金屬粉末、陶瓷粉末等。用雷射光燒結。優點：可製造具有柔軟性的產品，如IPHONE保護殼等需要大幅度彎曲、勘合的物品。大型輸出列印中心經常使用這種模式，可壓低輸出費用。

＃ 以樹脂固定石膏粉末 ＃

平台上鋪上薄薄的粉，利用印表機噴頭噴出膠水，將所需的部分黏著在一起；接著再往上鋪 1 層粉，再度噴出膠水將粉末黏著。最終膠水四周未被噴到的粉末被吸走回收再利用，被膠水黏住的部分就會是立體物件。也因為其成型方式類似噴墨印表機，所以在成形時能夠在白色粉末上噴出 CMYK 彩色的膠水，因此成型後的物件可帶有顏色，僅需將其表面塗上保護漆封住表層和增加顏色對比。優點：材料便宜、可彩色輸出。缺點 ：質地非常脆弱。另外，可以使用無毒材料，並放到爐中燒製。

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3D列印帶來世界的改變

優點：

• 成型速度快
• 幾乎不需要任何成型的相關技術

但限制(或目前的缺點)

• 一定要會3D設計圖
• 可選材質受限
• 加工精度較低
• 產品強度較低

帶來的變化 --

1. 製造商品更少：「商品」將不再被製造與運送給消費者，消費者想要購買的商品，從眼鏡到房子，現有的供應鏈流程將會被列印技術替代。一旦這一切變得更具成本效益，就會出現「專屬商店」讓消費者下載並列印所需物品，這將是自從有了網路之後，最大的科技革命。
2. 可以列印的小東西：不管是家中IKEA桌子所遺失的小螺絲起子，還是隨身行動裝置的耳機，未來都可以透過列印技術重新取得，3D列印將成為你我家中的「個人特力屋」。
3. 更便宜的打樣：在時尚界當中，若想打造樣本是件昂貴的事，平均要價200到400美元；有了3D列印技術可以協助年輕設計師打樣更容易。
4. 降低製造成本：3D列印讓人最感興奮的其中一項特點，就是可以顯著的降低製造成本；對剛起步的新創公司特別有幫助，可以大幅降低成本。
5. 想法可以驗證和測試：「製造需求」一直以來都是侷限小型企業發展的因素之一，剛好跨越製造數量門檻的成本相對較高；在精實創業（Lean Startup）的風潮帶動下，科技新創公司打造A+產品前，會先設想推出最小可行性產品（Minimum Viable Product）。3D列印技術可以在大量投入資源之前，協助驗證並測試更多的小量商品生產。
6. 可以列印的必需品：3D技術潛力無窮，運用在醫藥、食品方面也不成問題，你所見的每一件事都可能被列印出來。相信很快地，小配件將會率先成為第一波列印商品，例如手機殼和珠寶等。
7. 「在家」創業：在3D列印技術出現之前，藝術家小量設計的商品與企業大量生產的商品之間並無灰色地帶；不過現在可不一樣了，每個人都可以創建原型，在家裡就進行生產製造。
8. 提高效率：在最有效率的空間和材料運用狀況下，原型製造時間預估可加速10倍以上，而且會有越來越多的想法透過3D列印技術實現。

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自行創業的準備

1. 擁有 3D建模技術
2. 熟悉產品製造的流程
3. 了解不同3D列印的原理、方式、材料、特徵
4. 活用網路(電子商務、生產外包 ….)

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其他補充資料

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台灣的自有品牌產品

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網路服務商或資源

美國輸出服務商 Shapeways

3D檔案網站 http://www.thingiverse.com/

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最新發展(2015/3 Science雜誌封面介紹)：
Carbon3D 公司的 CLIP 技術（Continuous Liquid Interface Production，連續液面生產）

• 比傳統的 3D列印機要快 25–100倍，理論上有提高到 1000倍的潛力。
• 比傳統疊加出來的表面，在分層理論上可以無限細膩，且有良好抗剪切性，在連續液面生產的零部件的力學特性在各個方向保持一致。