積層製造：從原型到生產

為了迅速開發出原型，並讓產品更快投入生產，數位製造蔚為趨勢，其中有個類別就是積層製造 (AM)。

在進入 3D 列印時代前，世界曾大規模採用 3D CAD，之後則採用原型製程。這種製程中，工程師使用 3D CAD 來設計零件，接著將細節匯出成 2D 製圖。機器操作員檢閱製圖後，會對 CNC (電腦數值控制) 機台進行編程，以便生產零件。如今，數位製造則是將 3D 零件模型直接送交機器生產，無論是 CNC 機台還是 3D 列印機。全自動的演算法是這些零件製造的執行推手。這項功能可大幅縮短零件設計到生產之間的延遲時間。

數位製造也大大增加工程師能使用的資訊量。某些情況下，透過網路入口網站提交設計，以取得原型開發和批次製造服務時，甚至能立即取得有關可製作性的回饋意見以及準確的定價。因此，還沒開發原型之前，就能快速估算多個設計的成本。

圖 1：包括此圖的 FDM 型機械在內，各種積層製造機械都使用步進馬達來控制和協調動作，讓擠壓成型噴嘴或其他沉積末端效應器在 3D 空間中的運動受到控制且協調一致。高達 60 oz-in. 扭力的 NEMA 17 步進馬達已經相當普遍。(圖片來源：Dreamstime)

這種現代版迭代前置設計，以積層製造為核心命脈。積層製造也能生產出傳統加工方式無法生產的零件形式，例如內部為格狀、類似骨頭的中空結構。當熱塑性元件能以低成本快速列印完成，就會對早期的原型開發作法產生巨大衝擊。這種元件能當作實際的原型零件，或當作工具，以固定加工零件或模製複合零件。透過最新的技術發展，已經可直接列印高效能的金屬零件，這可促成原型開發、生產工具的製造，甚至是直接製造少量生產所需的零件。

圖 2：使用進階動作控制，能讓進入 3D 列印機軸馬達的電流正弦波達到最小的波動，讓操作更安靜、更平穩。例如，某些獨立 IC 在驅動雙相步進馬達驅動器的馬達步進和方向時，會利用最佳化的截波常式達到最大的運動效能、馬達扭力和效率。(圖片來源：Trinamic Motion Control GmbH)

自行研發的積層製造流程雖有各種名稱，但離不開七種 ISO 標準積層製造類別。

材料擠壓成型 3D 列印：材料會經由噴嘴或孔洞選擇性獨行分配。最常是將熱塑性聚合物擠壓成型，此製程通常稱為熔融沉積成型 (FDM)。幾乎所有低成本的 3D 列印機都都採用 FDM 製程，許多較高級的機器也是如此。

粉末床融合成型 (PBF)：雷射、電子束或等離子弧發出的熱能量會聚焦，以熔化和熔合粉末床中的粉末材料。

事實上，史上第一種粉末床融合成型稱為選擇性雷射燒結 (SLS)，開發於 1980 年代。比起如今使用的某些技術，SLS 無法讓粉末完全熔化，因此無法生產完全緊密的零件。現代的粉末床融合成型設備，能讓金屬粉末完全熔化，生產出完全緊密的零件，而且紋理結構和鍛造的元件旗鼓相當。以 SLS 技術生產的零件，其機械特性明顯優於鑄造元件。

光聚合固化技術：這種技術將液態光敏聚合物放在大桶子裡，並利用光活化聚合作用選擇性地固化該聚合物。此流程通常稱為光固化立體造型。

圖 3：光固化立體造型 (SLA) 和數位光處理 (DLP) 是一種積層製造技術，用於建立模型、原型、圖案與生產零件。(圖片來源：Dreamstime)

定向能量沉積成型 (DED)：雷射、電子束或等離子弧發出的熱能量會聚焦，在材料沉積的過程中熔化和熔合該材料。饋線或吹製的粉末皆可當作原料使用。

圖 4：桌上型 3D 列印機和更複雜的設備上，常使用圓軌線性導軌和外露的同步皮帶驅動器。(圖片來源：Dreamstime)

黏著劑噴塗成型 (BJ) 和材料噴塗成型 (MJ)：BJ 製程會選擇性地沉積液體黏合劑，以連接粉末材料。相反地，MJ 製程則是使用非常類似噴墨列印的製程，選擇性地沉積水滴狀的製造材料。

圖 5：此 3D 列印機具有較重的末端效應器，因此圍繞 SCARA 機械手臂來打造。(圖片來源：Dreamstime)

板層壓成型：這種技術將一片片材料黏結成零件。這是現今最古老的積層製程，早期的機器將紙張輪廓層層堆積並黏合，建立出複雜的 3D 零件，方式和膠合板的製造方式類似。

各種積層製造的專用設備有何通用性

上述所有積層製造方法皆指出，3D 零件的建構是透過逐層向上堆積 2D 輪廓而來。若疊層非常突出或某些特徵將會分離，會先沉積支撐結構，並在建構後將其拆除。

從業餘級別 3D 列印機到塑膠產業的原型開發，將材料擠壓成型的 FDM 技術是各種活動最常採用的積層製造法，但如今有兩種製程越來越常用來製造高強度的航太級金屬元件。包括：

• 粉末床融合成型 (PBF)，可用於小型零件和完全完工的零件
• 定向能量沉積成型 (DED)，可用於通常需進行最後加工的大型零件

圖 6：用於生產高級金屬工件的積層製造設備，是一種採用進階運動元件的伺服系統，有時甚至採用直接驅動式馬達。這種結構能讓操作員運用雷射型建構方法的精密性。(圖片來源：Dreamstime)

各種積層製程都已進化，紛紛採用許多相同的自動化解決方案。例如，從業餘級設備到專業設備，以及高複雜性的 SLS 設備，FDM 機器中皆可發現來自 Festo 的多款先進自動化元件，包括帶有滾珠螺絲或皮帶驅動器的機電線性致動器。

積層製造的設計自由度與限制

比起加工等減材製程，積層製造零件有個顯著優點在於，有更大的自由度可建立不同的形狀。加工的特徵完全靠機床切割器的可擺放位置來決定。這通常會限制內部角落的最小半徑，導致某些突出部分很難處理，而且光憑一個元件根本無法在內部產生空隙。在這些限制下，結構往往由許多相互閂接的元件組裝而成，導致製造成本和重量增加，強度和可靠性也跟著下滑。使用積層製程生產的零件則不受這些限制，通常都能整合許多元件，大幅降低成本，同時增進效能。

生成式設計是一種由演算法設計元件的流程，會進行許多小幅度更動，並以非常類似演化的流程來模擬不同元件的效能。產生的形狀，在複雜性上往往遠遠超出設計人員可打造的任何物件，而且在結構上和自然演化十分相似。

圖 7：以生成式設計打造的結構，雖然通常是透過數位製造和五軸 CNC 加工來生產，但往往和積層製造有關。此圖顯示的元件，使用 NASA Evolved Structures 程式建立而成；NASA 團隊之所以使用 CNC 加工製程，是因為機製零件比積層製造的零件更能滿足超高效能的應用。其中一個原因是，雖然積層製造流程已有所進步，但機製元件的材料特性比較不會發生變化。(圖片來源：NASA)

元件變得越來越複雜，並採用有機外部形狀與內部格狀構造及通道，因此數位模型的資料也越大。許多作業變得更加困難，像是渲染、切片，以及支撐結構和機器碼的產生。既定的棋盤格檔案格式 (以平面三角形的網格來呈現曲面) 逐漸變得麻煩而複雜。目前已經有個方法能讓網格檔案帶有 3D 曲線三角形，如此便能用較少的三角形來概略估算某個曲面。

要呈現這種複雜的幾何形狀，使用隱式幾何形狀來呈現會更有效率，但卻與多數 CAD 軟體仍不相容。

積層製造可控制內部的幾何形狀

積層製造建立內部幾何的能力無與倫比。此能力可促成輕盈且高強度的結構，現今其他技術都無法辦到，而且內部格狀構造類似於骨骼及植物的莖。此能力還能讓設計出統合式零件，並具有內部導管、管路、歧管、冷卻通道或熱交換器等特點。雖然這種元件過去是以管件和板件加工製造，以至具有固定的直徑與通道寬度，但積層製造流程能改變輪廓。可納入湍流器等特點，以便增加熱傳遞。

圖 8：GE 的 Aero LEAP 燃油噴嘴。(圖片來源：GE)

積層製造的航太元件在飛機上的運用已行之有年，想想這是如何辦到。最著名的例子之一就是 General Electric Aero LEAP 燃油噴嘴，這款噴嘴自 2015 年投入生產。以單一統合式元件取代了原本的 18 個元件，當中集結了所有必要的複雜內部通道。

General Electric Catalyst 渦輪螺旋槳引擎更進一步運用積層製造流程，將過去製造的 800 多個零件整合成 12 個積層製造零件。此引擎預計在 2023 年獲得認證。

雷射束粉末床融合成型 (PBF-L) 是最受肯定、最成熟的積層製造金屬製程。此製程用於生產 GE 的引擎元件，也能生產高品質的聚合物元件。由於需要在製造面積上保持一致的氣體流量，也要考量粉末床的粉末填充成本，因此製造體積需限制在 400 mm × 400 mm × 800 mm 左右。金屬粉末很重，品質上也必須投入許多成本才能確保一致熔合。若是鋁質元件，單一雷射時的沉積速率最高可達每小時 20 cm³，多重雷射型系統最高則可達到每小時 150 cm³。零件成品可達到適當且優良的表面光潔度。表面品質取決於粉末原料的顆粒大小，顆粒直徑小至 5 µm。

粉末床熔合成型產生的零件，其材料特性大多取決於熔池的控制 (熔池中的粉末材料會熔合成固體零件)。控制此熔池的方式，基本上與熔接作業相同，相關的基本知識則是由多年的熔接研發活動累積而成。雷射和電子束熔接流程已使用了 50 多年，電弧熔接流程則已使用超過百年。這種知識能讓生產的零件具有十分精細的紋理結構，通常能媲美最高效能的鍛造零件。然而，製程的變異性仍然稍高。

結論

雖然較不常見，但除了雷射以外，粉末床融合成型也能使用其他能量束。電子束粉末床融合成型的優點在於，能量束能透過磁鐵轉向，而不需使用機械轉向鏡。因此製造速率可稍微提高，但表面光潔度不如雷射型製程那樣精細。

在技術領域的另一端，開源型 3D 列印機能在家中自行組裝，甚至能列印出自己的元件，基本上已經可達到自行複製的程度。只要購買幾個自動化元件即可，如步進馬達；製造時採用的機械元件，都能製作得到。