熔融沉積成型積層製造技術演進

摘要：熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling, FDM）技術，乃是將ABS （Acrylonitrile Butadiene Styrene）塑膠或PLA （Polylactic Acid）生物可分解玉米材質等條狀膠條，經加熱熔化通過微細孔徑熱擠壓頭，擠壓沉積成型在列印底板上，透過切層軟體控制，層層堆積成3D物件。在3D列印技術中，FDM的機械結構最簡單，設計也最容易，製造成本、維護成本和材料成本也最低，因此也是桌上型3D印表機中使用得最多的技術。為提升國內積層製造技術研發能力，本文將從FDM設備，FDM噴印頭結構，FDM列印環境控制等專利內容來逐一介紹FDM關鍵技術，使國內廠商對於FDM技術有更多的認識，開發出具有市場競爭力的產品，避免侵犯他國專利，以提高國內FDM設備自主力，強化國內廠商在國際的競爭力。

Abstract: The fused deposition modeling (FDM) additive manufacturing technology is a technique that uses filament made of ABS plastic or biodegradable corn material (PLA, polylactic acid), which is heated to melt through a tiny aperture nozzle head, extruded and deposited on a print plate, and sliced by the slicing software. Then 3D objects can be built layer by layer. In 3D printing technology, FDM printers have the characteristic of simple mechanical structure, easy designs, low manufacturing costs, low maintenance costs and low material costs, so a desktop 3D printer uses FDM technology most often. In order to promote the research and development ability of additive manufacturing technology, this article introduces the FDM equipment, FDM extrusion head structure and FDM print environmental control. Manufacturers will have more information about the FDM technology and have the ability to develop competitive products and to avoid infringement of FDM patents.

關鍵詞：積層製造、三維列印、熔融沉積技術

Keywords：Additive Manufacturing, Three-Dimensional Printing, Fused Deposition Modeling

前言
3D積層製造技術採用加法原理，與傳統CNC的減法加工不同[1]，3D積層製造技術省去了複雜零組件冗長的製作過程，除了可以輕鬆印刷出複雜的零件外，其一體成形的技術更突破傳統需以毛坯加工的麻煩程序，讓後期輔助加工量降低，亦能直接做出免組裝之活動工件，可減少繁瑣的組裝工作，其應用從早期的輔助設計的模型製作、客製化製作驗證產品功能，演變到目前零組件或具功能性產品的直接製造，廣泛地應用在機械業、模具業、玩具模型、航太、文化創意、汽（機）車、醫療、珠寶飾品等諸多領域。透過3D積層製造技術，無論是否具有機械製造背景的人，都可以導入該產業，把公仔、玩具、遙控汽車、自己想像的創意物品或研發的新產品“列印”出來。結合電子及電機零組件，製作出具有各種功能的產品，因此目前在歐美掀起一股製造者運動（Maker movement） [2]。

在積層製造技術發展過程以及早期的專利佈局，在1980年代美國3D systems [3]、Stratasys [4]、德國EOS [5]等公司分別創立，發展至今已成為全球3D列印設備的領先公司。在1984年，Charles Hull開始研發3D列印技術並自立門戶，創辦了世界上第一家3D列印技術公司，也是現在的3D市場領軍者之一3D Systems公司，擁有SLA （光固化）的原始專利，且於2012年併購了Corp Z和Vidar Systems。在1988年，Scott Crump發明了FDM技術，並成立了現在的Stratasys公司，擁有FDM的原始專利，且收購了以色列的Objet公司，從而成為全球最大的3D印表機製造商。

熔融沉積技術（Fused Deposition Modeling, FDM）
熔融沉積原理如圖1所示，將熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，噴頭底部有微細噴嘴，噴嘴直徑一般為0.2~0.6 mm，供材料以一定的壓力擠噴出來，同時噴頭在水平方向移動，而工作平台在垂直方向移動。這樣擠出的材料與前一層熔結在一起，一層沉積完成後，工作平台按預定的量下降一個層的厚度，再繼續熔融沉積，直至完成整個實體造型。因此如何設計熱擠壓頭使膠條不會斷料或阻塞，選擇強度強、後置處理容易的材料，控制積層的精度與速度成為FDM開發技術的重點[6]。此技術由美國的Scout Crump所發明，1989在美國明尼蘇達州創立Stratasys Inc.公司，此公司為該技術的領導廠商。FDM的特點機械結構簡單，設計也最容易，製造成本、維護成本和材料成本也最低，因此是桌上型3D印表機中使用得最多的技術。目前ABS和PLA為FDM積層設備常用材料，具有熱塑性。ABS化學學名為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，是一種強度高、韌性好、易於加工成型的熱塑型高分子材料。ABS可以在-25~60 ℃的環境下表現正常，具有良好的熱塑性，加工後其表面光潔，易於染色和電鍍。因此它常被用於家電外殼、玩具等日常用品。當ABS膠條加熱時會發出塑膠臭味，因此必須在通風的環境下操作。PLA中文為聚乳酸，具有良好的機械及加工性能，且PLA產品廢棄後可以通過各種方式快速降解，如自然分解、堆肥、焚化處理。因此PLA被認為是一種良好的綠色塑料，且無毒性，製作時只有發出些許的玉米燒焦味，完工的成品變形量較小，成為市面上FDM最常用的材料。