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3D列印技術專利分析報告
貳、傑出技術獲證專利說明

過去,製造業在研發過程中,需要花費金錢、時間進行模具設計,有時更得挖空心思,尋找合適的廠商協助設計、產出模具,這樣的研發投入,對企業來說是一項讓人煩擾、又不得不面對的必經過程。

而3D列印技術發展後,製造業只要透過電腦輔助設計軟體,繪製模具物件的立體圖,並傳送到3D印表機,便可快速列印出成品,僅需確認設計概念是否正確即可,大幅縮短研發的時間及成本,讓研發製造更具彈性。透過這樣這樣的技術,人人都可以將天馬行空的創意,實踐為實體物品,成為創業家或夢想實踐家,因此3D技術方會被《The Economist》雜誌譽為帶動第三次工業革命的關鍵技術。

而引起各界矚目的3D列印技術是什麼呢?它的原理很簡單,我們先從傳統平面印表機說起,過去我們在紙張上列印出文字、圖形,靠著的是印表機的噴頭左右移動、紙張的前後移動,將墨水、碳粉等印壓於紙張上;3D列印材料包羅萬象,有粉狀金屬、塑料、蠟、陶瓷、木材、混凝土、黃金、鈦、碳纖維、蛋白質、甚至是細胞等,透過「堆疊」的方式,一層一層的列印,往上堆積成立體物件。

目前3D列印的程序,主要是由設計者透過電腦輔助設計軟體進行3D繪圖,或是以掃瞄的方式,建立3D立體圖;再利用切層軟體,將繪製的物體分割成一個一個平面的切面圖(即輸出所謂的「G-code」,在G-code含有控制機器移動的參數或相關指令);最終,3D印表機再依據G-code,由噴頭將列印材料繪製成一個平面、一個平面,經過層層列印後形成立體的物品。

在3D列印技術領域中,依據列印材料特性不同,使用的成型技術各異,常見的有FDM、LOM、SLA、SLM、SLA數種,以下將分別介紹之。

技術名稱 技術類型 原理 適用材料

熔融沉積成型/熔融沈積製造FDM(Fused Deposition Modeling)

擠出成型 將絲狀的熱塑性材料加熱到一定的溫度後,形成半熔融狀態後,以一定的壓力將材料擠出在工作平面上後,並迅速回復成固態,一個層面沈積完成後,工作平面垂直下降一個層面沈積厚度,進行下一層面沈積程序;如此反覆堆疊,即可逐層列印出立體物件。 熱塑性塑料,如:ABS 、醫用ABS、PLA、PC、PPS等;或共晶系統金屬、可食用材料

分層實體製造LOM(Laminated Object Manufacturing)

層壓型 該製程屬於材料黏接或銲接成形之領域。該製程過程與早期的點陣式印表機列印方式相仿,利用撞針撞擊色帶,將色帶上的墨水打到紙上轉印; LOM 則是將色帶換成塑料薄膜、撞針則以雷射或刀具取代,透過雷射或刀具將塑料薄膜切成所需形狀,再一層層使用膠水或熱壓黏貼,堆出立體物件。 紙、金屬膜、塑料薄膜、陶土等

立體平版印刷SLA(Stereolithography)

光固化合成型 在溶液槽中填滿透明且具黏性的光感樹指,利用雷射(紫外光)依形成輪廓沿液面進行掃描,將樹脂固化形成一層硬質切片,並將工作平面垂直下降一個硬化層面厚度,進行下一層面硬化程序。與 數位光處理(Digital Light Processing, DLP) 不同的是,DLP 在製造過程中將物件逐步拉出光硬化樹脂,而 SLA 是逐步的將物件沉入光硬化樹脂;兩者使用的光源也不相同,DLP 使用燈泡照射,而燈泡的亮度會因為使用時間而逐漸變弱,須注意光照強度問題。 光硬化樹脂(photopolymer)

選擇性雷射熔化成型SLM(Selective Laser Melting)

粉末物料成型 這種 3D 列印技術主要的材料以金屬粉末為主,將金屬粉末以高能量雷射瞬間加熱至熔融態,便可和附近的材料融合在一起,其概念與傳統的雷射焊接相似,成品機械強度較佳,幾乎和澆模鑄造產品相同,列印出來後即可直接使用。 鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁

選擇性雷射燒結SLS(Selective Laser Sintering)

粉末物料成型 將 3DP 程序中的膠水替換成雷射,將粉末溫度提升至熔融點附近,再使用雷射選擇性地將粉末加熱超過熔融溫度之後,便會熔融黏著在一起,使用的材料從塑料到金屬粉末皆可。 熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末、砂
資料來源:Wiki、工研院等   

3D列印與傳統的生產模式相比,相當適用於限量商品、一次性成品及原型的製造,且具備重量輕的優勢,但在列印速度、解析度及可適用的材料種類上,是各家3D列印大廠技術突破的關鍵,但2015年3月權威學術雜誌《Science》中報導,革命性的CLIP(Continuous Liquid Interface Production,連續液面生產)技術誕生,該項技術將3D列印速度大幅提升了20~100倍、在解析度上也可達到10微米以下的微結構,為3D列印技術發展帶來跳躍性的突破,未來也將顛覆整個3D列印的市場。

鑑於全球各行各業都在默默地在運用3D列印技術,發展新商機, 3D列印已然成為21世紀最熱門的發展技術之一。本案專利趨勢分析技術,將以「3D列印」技術中的3D列印機技術為主軸,製作美國、台灣、歐盟、中國之專利分析地圖,使國人掌握全球3D列印技術的發展脈動,窺探技術地雷區與處女地,作為研發策略擬定之參考。