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3D印表機在過去幾個月以來吸引了大眾的目光，不論是被媒體譽為新一波工業革命，或是更為新穎的「自造者革命」詞彙，但不可否認的是未來的確是個值得重視的製造技術。本文不批判3D列印是否又是另一種商業手段，而是把重點放在現今的3D成型技術介紹。
1980 年代開始實現
3D 印表機這個詞彙出現以前，更常被人們所提及的是快速成型（RP，Rapid Prototyping），從英文直接翻譯就得知，這是在正式開模大量生產之前所製造的樣品，用於校驗最終設計是否有問題。在 1980 年代，美國和日本的研究者開始紛紛製造出能夠實作快速成型的機器，其中最有名的就是美國 Charles W. Hull 所提出的 SLA（Stereolithography Apparatus）立體平板印刷技術，同時也建構出目前快速成型經常使用的 .stl 檔。
▲Charles W. Hull 解釋 Stereolithography Apparatus 的運作原理。
至於為何近期 3D 印表機會被炒作起來，這都得要感謝部分快速成型專利過期以及 RepRap 這個開源專案的進行，使得過去價位高不可攀的機器搖身一變，化為消費者桌上那台小小的機器。
切層、堆疊、加法製造
3D 列印的原理其實相當簡單，也就是目前我們使用的印表機 3D 版，將印出來的紙張層層堆疊，就會有個立體 3 維的形狀跑出來。如果將目前的印表機墨水替換成噴出後即可硬化固定的材質，再把噴頭從原本的 2 維移動（噴墨頭左右移動視為 X 軸、紙張饋紙視為 Y 軸），改為 3 維移動（加入噴墨頭高度的 Z 軸），就是目前 3D 印表機的基礎原理。
過往我們在列印報告時，會先在文書編輯軟體或是相片編輯軟體內將內容填好，按下列印後印表機即會以一條一條的方式在紙張上噴出墨水，最終吐出成品。3D 列印也是如此，先在電腦中繪製完畢想要列印的 3D 物體，再送入切層軟體中輸出 G-code（工業製造中所使用的語言，內含控制機器移動的參數或相關指令），此 G-code 即可控制 3D 印表機印出所繪製的物體。
3D 印表機接收到 G-code 之後，便會把噴頭吐出的東西繪製成 1 個平面，接著再一個個地讓平面堆疊上去，即可形成 3D 立體的成品。
目前世界上有 3 家公司在快速成型業界非常有名：3D Systems、Stratasys、MakerBot Industries，只不過後者在去年年中時被 Stratasys 併購，但可做為 1 個獨立品牌服務消費和桌上型市場。而讀者則可將 3D Systems 視為傳統高階快速成型的代表，MakerBot Industries 則是一般家用市場的推手，事實上 MakerBot Industries 的創立者之一 Zach "Hoeken" Smith 也是 RepRap 的創立者之一（MakerBot Industries 的 3D 印表機 Replicator 後來走向閉源，招致開源社群許多批評）。
3D 成型的分類
前段筆者簡易說明了 3D 印表機的成型原理，但其實在實作上卻有許多不同的分野，從材質到固化方式皆有不同，以下分為幾個部分慢慢介紹。
FDM（熔融沉積成型）
FDM（Fused Deposition Modeling）又稱 FFM（Fused Filament Fabrication），名稱不同主要是為了避開專利問題，其核心技術是相同的。首先將使用的材料加熱到一定的溫度後，形成半熔融狀態，將材料擠出在平面的架子上後迅速回復成固態。如此反覆進行堆疊作業，即可印出立體物件。
在比較高階的機器中，藉由多個噴頭和列印材料，可列印出多色物件，甚至是將支撐材料和成型材料分開，由於支撐材料只是提供物件在列印中途的支撐，因此強度不需太高，以方便移除為主。但在一般的消費市場的 FDM 印表機，經常只有 1 個噴頭，只能列印單色物件，也沒有額外的支撐材料，支撐部分就用列印密度較低的成型材料代替。
支撐
在快速成型時用以支撐半成品的部分，譬如 1 個陀螺若是以一般底部朝下的方式列印，將無法印出或是印出品質不佳（斜邊部分相當於列印在空氣中，沒有地方附著）。此時可在切層軟體中設定支撐，就像是蓋房子的鷹架一樣，支撐物件結構，等到列印完成時即可移除。在快速成型技術中，FDM、DLP、SLA 都需要支撐結構。
因為 FDM 的相關建置門檻較低，因此成為目前民用市場頗受歡迎的 3D 列印技術。常見的材料分為 ABS 和 PLA（聚乳酸）這 2 種，ABS 的強度高於 PLA，可惜的是在列印的加熱過程中會釋出比較毒的氣體，其列印成品的熱脹冷縮也比較厲害，容易產生翹曲導致列印失敗，因此底板需要持續不斷的加熱，3D 印表機最好也要有罩子蓋住避免溫差過大。PLA 的強度較 ABS 弱一些，但若是使用在日常生活中不靠近熱源的應用足堪負荷（PLA 遇熱會變軟），列印過程也比較沒有異味，因此在家庭中較適合使用。
▲Solid Concepts 的 FDM 列印說明影片。
LOM（層狀物體製造）
LOM（Laminated Object Manufacturing）的印製過程相當類似點陣式印表機的列印方式，點陣式印表機利用撞針打到色帶上，色帶再打到紙上將墨轉印；而 LOM 則是將色帶換成塑料薄膜、撞針替換成雷射或刀具，利用雷射或刀具將塑料薄膜切成所需形狀，再一層層使用膠水黏貼，堆出立體物件。此種製造方式相較 FDM，可做出實心物體（FDM 因為列印速度和省料的關係，物件內部通常不是實心的，而是利用不同的結構保持表面完整，就像蜂巢一樣），列印速度也比較快一些，可惜此種製造方式的廢料較多，越接近印表機的列印極限大小，才會比較划算。
▲Solido 公司的 LOM 列印方式介紹影片。
DLP（數位光處理）
DLP（Digital Light Processing），又稱 FTI（Film Transfer Imaging），利用德州儀器的 DLP 投影技術，將切片後的一片片圖案照射在光固化樹脂上，一層做完後就將物件稍微提高，再次投射下一層的圖案，如此反覆堆疊就會形成物件。
DLP 所製造的立體物件精細度相當不錯，不用打磨即可立即販售，但是光固化樹脂的硬度受到許多變因影響，未顯影的光固化樹脂也會因為時間推移慢慢變硬無法使用，加上耗材比較貴的關係，適合製作模型、玩具等強調表面精細度不強調硬度的產品，或是翻模使用。在消費市場和 FDM 算是互補的技術，想要機械強度用 FDM、想要表面精細度就找 DLP。
▲DLP 列印方式介紹影片，注意影片使用了縮時攝影。
SLA（立體平板印刷）
SLA 身為第一種實用化的快速成型方式，其列印方式和 DLP 類似。利用雷射（最初為紫外線，現在發展成任何高能量光束皆可）照射光固化樹脂後形成 1 片硬質切片，接著將模型往樹脂內部沉浸，再用雷射照射硬化下一層。與 DLP 不同的是，DLP 在製造過程中將物件逐步拉出光固化樹脂，而 SLA 是逐步的將物件沉入光固化樹脂，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時間而逐漸變弱，須注意光照強度問題。
▲3D Systems 的 SLA 列印方式介紹影片。
3DP（3D 列印）
3DP（3D Printer）也可稱為 Plaster-based 3D printing 或 Powder bed and inkjet head 3D printing，翻成中文就是膠水固化噴印或其他類似的名稱。首先在平台上鋪上薄薄的粉，利用印表機噴頭噴出膠水，將所需的部分黏著在一起；接著再往上鋪 1 層粉，再度噴出膠水將粉末黏著。最終膠水四周未被噴到的粉末被吸走回收再利用，被膠水黏住的部分就會是立體物件。
也因為其成型方式類似噴墨印表機，所以在成形時能夠在白色粉末上噴出 CMYK 彩色的膠水，因此成型後的物件可帶有顏色，僅需將其表面塗上 1 層保護漆封住表層和增加顏色對比。
▲Z Corporation 的 3DP 介紹影片（Z Corporation 於 2012 年被 3D Systems 收購）。
SLS（選擇性雷射燒結）
將 3DP 的膠水換成雷射，將粉末內部的黏合劑加熱到一定溫度之後，便會黏著在一起，即是 SLS（Selective Laser Sintering），使用的材料從塑料到金屬粉末皆可。
▲C&EN 的 SLS 介紹影片。
SLM（選擇性雷射熔化）
將 SLS 的雷射功率再加高，就會是 SLM（Selective Laser Melting）或稱作 DMLS（Direct Metal Laser Sintering）。這種 3D 列印技術主要的材料以金屬為主，將金屬粉末以高能量雷射加熱到變成液態，便可和附近的材料融合在一起，機械強度很不錯，幾乎和開模澆鑄產品相同，列印出來後即可直接使用。
SLS 和 SLM 的不同點在於 SLS 的溫度比較低，材料也比較多元，而 SLM 的溫度比較高，適合金屬材料製造。如果把 SLM 的雷射換成電子束，就會變成 EBM（Electron Beam Melting），但 EBM 需要預熱金屬粉末和在真空下製造，因此適合以一些容易氧化的金屬（鈦）做為材料。
▲SLM 的介紹影片。
再過幾年會更好
如同開頭所述，這幾年各家的快速成型專利將陸續到期，原本只能在高階產品上看見的功能很快就會下放。目前網拍須自行組裝的 Prusa i3 約新台幣 15,000元（FDM），已經是一般使用者能夠負擔得起的「玩具」，未來更多廠商投入這一塊市場，價格只會往下掉而已。
筆者之所以稱之為玩具，是因為一般人買來的用途有限，除了上 Thingiverse 抓別人的 3D 模型來列印之外，如果自己不會使用 CAD（Computer Aided Design）相關軟體，有能力自行設計想要的東西並列印出來，那麼 3D 印表機真的只是個玩具而已，自行列印個衣夾出來，還不如走到巷口的雜貨店買 1 個，更便宜品質也更好。
對於部分更為客製化的產品（齒模、紀念商品……），則是能夠以更低的成本製造（相反的，大量同質性高的產品適用傳統開模方式），一方面也是鼓勵文化創意產業的蓬勃發展。
延伸閱讀：
是不方便提供代表廠商嗎?