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title: 3D列印重點整理
tags: Course note
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# iPAS指引重點整理

## 第一章

### 分類

#### Vat Photopolymerization (VP)

光聚合固化成型，將槽體內的液態聚合樹酯以特定頻率的光線促進鏈結形成實體。

#### Meterial Extrusion (ME)

材料擠製成型，將材料加熱透過噴嘴或小孔將材料擠至特定位置堆疊成型。

#### Meterial Jetting (MJ)

材料噴印成型，將粉末狀材料噴塗至特定位置堆疊成型。

#### Binder Jetting (BJ)

黏著劑噴印成型，將黏著劑噴塗至特定位置的粉末材料表面，逐層黏合成型。

#### Powder Bed Fusion (PBF)

粉末床熔融成型，在粉末床上導入熱能至特定位置使該位置粉末熔融結合成型。

#### Directed Energy Deposition (DED)

指向性能量沉積成型，在材料需沉積的位置聚焦熱能使其熔融沉積成型。

#### Sheet Lamination (SL)

薄片疊層成型，以薄片狀的材料切割相互結合形成實體。

### 製程名詞

#### 成型室 build chamber

製造系統的封閉空間

#### 成型平台 build platform

工件堆疊成型的平面

#### 成型空間 build space

工件可以被加工的空間，在成型室中，或成型平台上，依設計可能大於成型區間

#### 成型區間 build envelope

工件被製造的範圍，最大成型範圍，描述為長方體長寬高尺寸

#### 成型面 build surface

材料被疊加的面，上一層所完成的面，第一層的成型面是成型平台

#### 成型體積 build volume

設備中可以用來列印工件的最大體積

#### 供料區 feed region

成型過程中的材料放置區

#### 加工參數 prcess parameters

在一次成型循環中使用的系統設定及操作參數

#### 製造批量 manufaturing lot

在同一批受控制的生產中所使用的材料、條件、設備、後處理程序
- 確保相同製造批量中有一致的品質
- 可以是不同材料批號、多台製造或後處理設備

#### 成型循環 build cycle

一次加工程序中，可以在成型中空間同時完成一或多個工件

### 資料處理

#### AMF Additive Manufaturing File Format

##### 積層製造檔案格式
為了積層製造使用的實體模型設計的專用檔案結構
- 提供STL結構的進階能力
- 透過3D檔案的面資料描繪實體
- 可描述曲面、顏色、材料、編織網格、貼圖、群集、詮釋資料

#### STEP Standard for the Exchange of Product Data
##### 產品模組交換格式
依據ISO標準CAD設計模型的資料製作的可交換檔案格式，使不同CAD軟體設計出來的結果在其他CAD軟體中開啟

#### STL STereoLithography file format
##### 三角網格檔
原是3D System 公司為SLA設備STereoLithography開發的檔案格式
- 目前最廣泛使用的格式
- 透過實體表面的描述定義實體模型
- 以三角形的面facet為基礎定義出完整包覆實體、互相連結且封閉的所有三角形
- 三角形面包括方向facet normal、頂點座標vertex
- 以逆時針順序描述(右手法則)

#### 原料
##### Feedstock
加工前準備好的原料

#### 快速原型(實體)
##### Rapid Prototyping
第一個被商品化的積層製造設備宣稱其可很快製造出原型而命名
- Rapid Prototyping Technologies 快速成型技術(製造方法)

### 步驟

1. 3D CAD設計
2. STL資料轉換
3. 切層
4. 層加工
5. 快速原型成品

- 增加三角網格數目可減低資料轉換失真的誤差

### 與傳統製造之比較

- 小量
- 客製化
- 加法製造
- 形狀較不受限
- 較不需要複合製程技術
- 腦力密集(工程師，使列印成品具功能性)
- 市場取向，在地設立工廠 -->減少長距離運輸耗能

## VP

### 歷史

- 1981 小玉秀男首次提出雷射光作用於光聚合固化樹酯，逐層加工構建3D模型，類似後續發展之SLA，完整專利未能如期(一年)提交
- 1983 Chuck Hull 提出使用電腦控制紫外線燈逐層固化來製造模型，在小型實驗室中成功製作
- 1984/7/16 法國三位學者申請使用雷射逐層固化光聚合固化樹酯建構模型之專利，並製造3D列印積達到增材製造目的，爾後專利於優先權到期後結束
- 上述專利提出三週後 Chuck Hull 申請專利(US)
- 1986 Chuck Hull 成立3D Systems
- 1988 推出第一個商業產品
- 今日 3D Systems 為最大3D列印設備商之一

### 材料

- 光固化型高分子，能經由光輻射產生交聯固化
- 使用短波長(e.g.紫外線)曝光起始反應
- 波長短
- 能階高
- 大多使用405nm波長紫光
- 技術穩定
- 成本低
- 對人眼不敏感
- 優點
- 接著力強
- 快速固化
- 收縮率小
- 依據不同材料特性、用途可提高產能降低成本

#### 材料發展

##### 單體 Monomer
與其他單體分子起反應形成更大的聚合物或三維網狀結構
- 分子量小
- 流動性好
- 約佔整體50%
##### 寡聚物 Oligomer
- 低聚物、預聚物
- 具部分連結
- 分子量較大
- 流動性較差
- 抑制反應、降低反應效率
- 提升工件品質
- 約佔整體40~50%
光聚合為放熱化學反應，當寡聚物過少，會反應過快產生大量熱能，造成工件收縮或變形
##### 光起始劑 Photoinitiator
最關鍵成分，吸收光輻射能形成自由基/陽離子引發單體與寡聚物的聚合、交聯、接枝
- 決定光聚合固化速率
- 成本最高
- 約佔整體1~2%
- 常用光吸收波長365~480nm(紫外線至藍光波)
- 最常用395~405nm

###### IRGACURE819
- 405nm後吸收率快速下降
- 適用365、405nm之UV雷射/LED
- 氣味低
- 揮發少
#### 材料類型
熱固性 Thermosetting resin、熱塑性 Thermoplastic resin
- 光固化形樹酯為熱固性，由分子量幾十、百、千發展為幾十萬、百萬分子量網狀結構
- 無法恢復原線性結構
##### 自由基型 (壓克力)
光起始劑: 丙烯酸酯類不飽和雙鍵寡聚物和單體

##### 陽離子型 (環氧樹酯)
光起始劑: 具環氧基團/乙稀基醚之寡聚物和單體

| 類型 | 自由基型 | 陽離子型 |
|:---- |:---------------- |:-------------------------- |
| V | 固化快 | 體積收縮小 |
| V | 黏度低 | 黏度低 |
| V | 成本低 | 附著力強 |
| V | 反應深度大 | 耐熱 |
| V | 起始劑觸發波長廣 | 耐化學性 |
| V | 光源選擇多 | 精度高 |
| V | 產業利用性佳 | 固化後表面乾燥 |
| V | 適用大型物件 | 較少刺激物質 |
| X | 體積收縮大 | 固化較慢 |
| X | 容易變形翹曲 | 易受鹼和濕氣影響 |
| X | 分子間黏度小 | 價格高 |
| X | 硬度較低 | 合適的寡聚物和活性稀釋劑少 |

#### 物理特性
- 類壓克力系，工件特性偏硬脆
- 類 ABS 系，工件具一定程度韌性
- 類 PP，工件具一定程度機械性質與韌性
- 類陶瓷，工件有較高的硬度與耐高溫的特性
- 類蠟系，工件加熱至一定溫度可軟化或加熱至高溫燒除後有低灰燼的特性
- 類尼龍、類 TPU 系、類橡膠系，工件具彈性與韌性
- 透明樹脂，工件具一定透明度
- 可水洗樹脂，樹脂可使用水作清潔
- 生物相容性樹脂，接觸人體組織不會有毒害、過敏等反應

#### 價格
一般用途: 800-3000NTD/kg
醫療用途: 經FDA或等同效力 8000-12000NTD/kg

#### 特性選擇

- 一般
- 低收縮
- 低變形
- 牙科
- 低收縮
- 低變形
- 高精度
- 臨時假牙/咬合板
- 低收縮
- 低變形
- 生物相容
- 顏色
- 高剛性
- 拉力模數tensile moduls高
- 彈性
- 斷裂伸長率elongation break高
- 耐摔
- 韌性(衝擊模數impact modulus)高
- 耐熱
- 熱變形HDT溫度高
- 透明
- 波長405nm以上不敏感、385以下敏感
- 低黃化
- 鑄造
- 燒失過程低膨脹
- 燒失後低灰燼
### 技術製程
- 第一個導入市場的3D成型技術
- 由法國發明家Joseph Nicéphore Nièpce開發之攝影技術
使用特定波長之光源選擇性照射於低分子量的液態光聚合固化樹酯，樹酯吸收光能產生化學變化，分子鍵結成固態，堆疊加工後變成立體工件

### 加工方式
#### 上照式(下沉式) Top-Down
加工光源由上而下，聚合附著於成型平台，平台下降覆蓋新的樹酯
- 較常使用點/線(雷射)投影
##### SLA Stereolithography
電腦控制雷射源聚焦於樹酯表面
##### 振鏡掃描
- 控制XY兩方向反射鏡的反射角掃描路徑
- f-θ 鏡頭將不同反射角對應到不同的焦距，讓雷射光能正確聚焦在樹脂表面
- 光能量與硬化深度正相關，藍色倒三角底部尖端為雷射系統理想的焦點位置
- 受限於雷射光學系統，光點大小不會是無窮小
- 焦點形成之兩弧線中間部位為光斑
- 中間分佈有最強的光能，距離中心距離越遠，能量開始遞減
- 光斑大小影響列印工件的品質
##### 上照式點掃描
- 不會產生真空離型力
- 較大列印範圍
- 避免大面積固化收縮翹曲，多採用雷射掃描曝光
- 加工前需進行平行四邊形校正、桶形校正及成型尺寸校正，以得到正確的尺寸
- 先輪廓、再往復
- 以線為結構由線的伸長變形彌補體積收縮
- 參數:線間距
- 掃描間距=雷射光斑+線間距
- 不連續掃描線 -->避免形成一大區塊無法由線變形補償造成整面翹曲
##### 上照式面曝光
DLP Digital Light Processing
- 系統 XY 平面解析度與光的能量隨投影機的位置不同改變
- 1080p
- 列印尺寸192mmx108mm 一個pixel 的解析度為 0.1mm
- 列印尺寸384mmx216mm 一個pixel 的解析度為 0.2mm
- 列印範圍變大，投影機需距離成型面越高，成型時間拉長
- 2008 法國Prodways 公司發表
- 移動數字光處理技術(MOVINGLighttechnology)
- 移動投影機與反射鏡位置作影像拼接，列印大範圍成型面
#### 下照式(上拉式) Bottom-Up
加工光源由下而上照射於光聚合固化樹脂的下表面，平台下降覆蓋新的樹酯
- 槽體底部需為具有高透光性的底板
- 加工件倒著從樹脂槽底向上製作
- 較常使用面投影 DLP/LCD
- 拘束面產生真空離型力
- 掃描的線間距必需為負值
- 硬化深度比SLA系統大，Z方向的最小厚度大於SLA系統所能達到的細緻程度
##### 製程
##### 下照式點掃描
- 半導體雷射
- 振鏡系統控制雷射光反射的位置
由 Formlabs 公司發展的 Form 2 與台灣三緯科技的 Nobel 系統
- 成本考量下光源系統中無f-θ鏡頭
- 雷射光斑尺寸在中心與在周圍不一樣
##### 下照式面曝光
##### DLP
- 成型面 XY 解析度取決於投影機解析度與成像距離
- 最初由德州儀器於1987年使用DMD(Digital Micromirror Device)技術
- 由數百萬個鋁製的微型小鏡子組成
- 16x16um
- 單位面積內鏡子越多解析度越高
- 鏡子可單獨旋轉±10º~12º控制是否反射光源
- 一般商用:可見光波段LED、白燈泡
- 常用405nm LED
##### LCD 3D
- 控制電壓改變液晶的排列方式
- 更換為高功率的 UV LED提高列印效率
- 像素的光源為廣角發散狀 -->影響工件邊緣品質，大幅降低列印效率
- 發展為Mono-LCD取代商用LCD
- 使用平行光控膜，只允許與薄膜垂直的光通過，增加列印品質
- 壽命較低
- 不耐藍紫光、不耐熱
- 短波長光源長期照射快速衰退
- 化學變化產生高熱量使LCD面板變質
- 光源不均
- 成型面與LED光源較近的中心位置與較遠的邊緣位置有能量落差
- 發展為陣列式平行光源