3D打印機技術比較

本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

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3d-printer

在過去的十年中,對3D打印技術的越來越多的使用已經徹底改變了各個領域的現狀,包括學校、企業、軍事和醫療領域等,甚至是家中DIY maker創客的普及。但是,有了許多可用的方法,決定使用哪種方法可能是一個艱鉅而令人困惑的過程。本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

FFF (熔絲式線材製作 / Fused Filament Fabrication)

FFF是最通用,最實惠且較易接觸及入門的3D打印過程,應用範圍最廣。用這種方法,將固體熱塑性塑料加熱到所需的熔融溫度並通過噴嘴擠出。3D打印機將熔化的長絲沉積在冷卻過程中,然後沿著預定坐標逐層沉積到構建板上,直到完成物體,熔化的長絲在冷卻時會固化。近年來,隨著高分辨率工具頭的推出,FFF打印質量證明了分辨率的提高。這項技術可在任何環境中使用,它可以放置在您的辦公桌上,放在教室裡的推車上或家中放置的打印機架子上。

SLA (光固化立體造型製作 / Stereolithography)

使用SLA,可將感光型光敏聚合物樹脂倒入盛有淹沒型表面的槽中。 使用紫外線調諧的激光,一次將樹脂選擇性地固化一層,以形成固體。 一旦完成印刷階段,下一個清潔任務便開始了。 打印機操作員戴上手套,眼睛保護裝置。視工序及規模,操作員可能需要面罩及開啟呼吸器的個人防護設備。將未固化的樹脂從零件中排出,除去印刷表面,並用溶劑或化學藥品沖洗掉剩餘的樹脂。然後,零件將經受額外的UV固化過程。 儘管此方法特別適用於具有復雜幾何形狀和小尺寸對象的零件,但相對於其他3D打印方法,構建完成所需的周期時間和其他設備更為重要。

SLS (選擇性激光燒結 / Selective Laser Sintering)

SLS利用粉末狀的合成聚合物,這些聚合物形成片狀,放在「建構」區域上一層,之後使用高功率激光將選定的部分融合在一起,然後逐層重複此過程,直到完成對象。該方法主要使用聚酰胺,通常簡稱為尼龍,簡稱PA。 這種3D打印方法不需要支撐材料,仔細度高,甚至可以在成品外觀上完全不會看見層線。

FFF

SLA

SLS

應用材料

工程熱塑性塑料,包括ABS、尼龍、聚碳酸酯,柔性TPE,PVA/PLA等

光敏樹脂

尼龍粉

層高範圍

0.05 mm – 1.5 mm

0.025 mm – 0.15 mm

0.06 mm – 0.15 mm

尺寸精度

±200 μm

±100 μm

±300 μm

價錢

專業台式機起價為2000美元,更大規模的起價為15,000美元

台式機起價為$ 3000,較大的價格為$ 80,000- $ 750,000

台式機起價為9000美元,更大的價格範圍為10,000美元至100,000美元

應用材料價錢

$20-$50/kg

$50-$100/liter

$100-$500/kg

物料消耗

一卷1公斤的燈絲等於約400件標準尺寸的棋子

一升樹脂等於大約90個標準尺寸的棋子

不確定,取決於機器和材料

額外費用/注意事項

PEI構建的表面塗層可確保在打印時保持適當的底座附著力,在正確保養後幾乎不需要更換。 一些較昂貴的市場選擇需要定期更換打印床表面。

一些FFF打印機製造商收取服務費用,例如基本技術支持和必需的培訓。 更大型的可能要求維修合約費用。
個別FFF類型打印機要求專有的線絲,限制了用家在材料上的選擇,同時增加了成本。
徹底清洗成品上的樹脂可能需要使用超聲波清洗機,價格從$ 300- $5000不等
如需要樹脂在單獨的單元中進行「後固化(post-curing)」,
這可能會額外增加成本$ 100- $ 5000
樹脂托盤需要時常更換,並且壽命根據托盤類型和所用樹脂的不同,可能在2或3幅打印紙之間變化,最多20幅打印紙。 這些通常每個花費在$ 20- $ 50之間。
PEC/PAD無污染抹布(用於清潔敏感的打印機組件)
用於處理樹脂和溶劑的個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)
需要良好的通風系統
防爆真空吸塵器(有些粉塵可燃,只需點燃一點火花即可),價錢約為1000美元
需要添置設備,例如用於「後處理」時的成品清潔櫃(約(3000美元及以上)及粉末回收系統($2,000-$12,000)
操作和設備維修需要熟練的操作員
高功率激光可能是危險的,需要特定空間
個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)用於處理和清潔粉末

優點

使用安全,無毒,無刺激性化學物質
清理簡單,無有害粉末或樹脂
材料選擇範圍最廣; 使用最終用途材料(如ABS)進行打印。 可以使用雙擠壓3D打印機打印水溶性支撐物,多種顏色和多種材料模型
最低的新手「入場」門檻和材料成本
易於設備操作和維護
最小的物理佔地面積,不需要額外的實體設備
可以快速打印
打印的物體可以具有光滑的表面光潔度
印刷成品精確,尺寸公差小
無需其他支撐物料
牢固的層附著力
可以同時打印大量零件而不會影響打印時間

缺點

印刷件的結構強度可能取決於印刷密度、方向和印刷分辨率
如需最佳的成品表面處理,便需要更薄的層處理和更長的打印時間
多種材料選擇可能需要線絲存儲空間
已知樹脂和清潔劑有毒; 含有紫外線固化樹脂的材料應作為危險廢物進行處理和處置
不打印最終用途的材料。 材料僅模擬所需的聚合物。
由於難聞的煙氣和雜亂的樹脂,需要專用的空間; 易損件可能會污染附近的表面
不能一次打印多種材料
打印後需要額外的洗滌和固化
薄壁成品通常很脆
UV過度或曝光不足會影響打印次數和壽命
與其他方法相比,桌面模型的構建量較小
具有封閉結構的成品需要添加孔,以使未固化的樹脂逸出
原料是粉末,如果吸入有害
只適合大批量生產; 中小型單品打印不經濟
粒狀,沙質表面處理
材料通常是專用的
產生大的平面和小孔可能會產生問題,因為它們容易翹曲和過度燒結
印刷品本質上是多孔的(通常約為30%),需要特殊潮濕的環境在可為成品「後處理」
打印需要長達12小時的冷卻時間
必須在設計中添加排料孔,以去除空心部分中未燒結的粉末

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