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• 粉床熔融技術最常用於3D 列印中的金屬材料製造，能夠逐層堆疊、製成複雜結構的產品。
• 3D 列印使構件設計不再被製程限制，可更自由的設計和輕量化。
• 鋁鈧合金的比強度高但複雜構件成形的良率低，不過目前臺灣各單位正持續努力研究相關技術。

3D 列印技術逐漸廣泛應用在各種產業，其中包含了航太、醫療、車輛、民生等各個產業面向。3D列印技術為什麼可以應用在這些地方、更讓各產業爭相研究與開發？其中的原理又是什麼？

什麼是3D 列印？

積層製造（additive manufacturing）技術，又稱3D 列印（3D Printing），也被稱作「加法式製造」，是指將3D 圖檔轉換為一層一層的2D 加工方式。最常用於金屬材料製造的積層製造技術為粉床熔融技術（powder bed fusion），依照熱源的種類可分為電子束粉床熔融技術及雷射粉床熔融技術等兩種技術，原理主要包含三個步驟（圖一）：

（1）利用鋪粉刮刀鋪設金屬粉末於加工區，粉末大小僅為數十微米（μm）。
（2）透過電磁線圈或光學稜鏡控制，照射於預先鋪設的金屬粉末上，將電子束或雷射選擇性聚焦於加工區的金屬粉末，進行粉末熔融，使粉末達到熔點後，再冷卻成形。
（3）下降載臺，以確保電子束或雷射的聚焦平面可維持在同一平面。

經由不斷地重複上述步驟（1）～（3），逐層堆疊製成所設計的工件，可產生近似100％緻密度的成品。積層製造方式可以製造擁有結構較複雜的產品，克服一般金屬製程於複雜結構加工的不易。

圖一｜粉床熔融式3D 列印設備運作原理

3D 列印技術的應用

隨著技術的成熟，積層製造技術開始廣泛應用於各個產業，包含航太、醫療、車輛、民生等。以車輛產業為例，積層製造技術已應用於各項輕量化產品與零組件的開發，例如汽車鋼圈、自行車把手、自行車車架、機車車架等。其中，車輪輪圈公司HRE Wheels 與金屬增材製造公司GE Additive 合作開發汽車鋼圈，結合高比強度（specific strength）〔註〕的鈦合金材料與積層製造技術，打造特殊外型且輕量化的汽車鋼圈；增材製造公司Arcam 配合三鐵選手的身形客製化打造自行車把手，同時考量人體工學以及騎乘自行車時的流體力學，在2012 年倫敦奧運會時締造了世界紀錄；同樣以高比強度著稱的鈦合金所打造的自行車車架，則由單車製造公司Empire Cycles 及光學器材製造公司Renishaw 共同打造，藉由積層製造技術實現拓樸優化的自行車車架設計，達到減輕重量達33％的效果；而機車車架則是Airbus 航空公司集團的子公司APWorks 透過近期科學家們所重視的可列印鋁合金－鋁鈧合金所打造，拓樸優化並結合積層製造不受限的製程特色，實現減重30％的成果。……【更多內容請閱讀科學月刊第637期】