Powder Bed Fusion Explanation
Inn 3D Engineering
一、原理&定義
Powder Bed Fusion(PBF,粉末床熔融)是一類以「逐層選區熔融粉末材料」為特徵的3D列印技術。其基本原理是:在成形區域鋪上一層粉末材料後,再利用高能量光束(如雷射或電子束)選擇性地熔融需要的區域,再鋪上新一層粉末,重複此過程,最終生成三維實體零件,如圖一所示。
1. 粉末鋪層:利用刮刀或滾輪在工作平台上均勻鋪上一層薄粉(通常 20–100 µm)。
2. 選區熔融:任意種類的能量源依據CAD數據做精準的位置控制,僅照射於所需成形的區域,使粉末瞬間熔融並與下層結合。
3. 降平台再鋪粉:成形平台下降一層厚度,再次鋪粉並熔融,重複進行直到完成零件。
4. 冷卻與脫粉:成形完成後冷卻,再將未熔融粉末清除,可回收再利用。
圖一、粉末床熔融製程示意圖[1]。
二、優勢:
主要優勢包括能夠製造高密度、高精度的金屬或高分子零件。由於其中幾項製程工藝無須支撐材料,因此能夠製造複雜幾何形狀之內部通道結構或拓撲優化零件。強度上,由於熔融過程能達到近鑄造的緻密度(>99.5%),同時機械性能也接近傳統鍛造件因此經常應用在支撐型零部件上。
三、各類工藝之技術詳解
據能量來源與材料種類之不同,PBF 技術可再細分為SLS(選擇性雷射燒結)、SLM/DMLS(選擇性雷射熔融/直接金屬雷射燒結)、EBM(電子束熔融) 及 MJF(多射流熔融) 等分支技術 [3]。此類製程可製造造型特殊又具備高緻密度的零件,廣泛應用於航太、醫療、汽車與模具產業 [4]。
1. 選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering,縮寫SLS)
SLS(Selective Laser Sintering,選擇性雷射燒結)為最早發展之粉末床熔融技術之一,其採用CO₂雷射於預熱後的高分子粉末床上進行選區掃描,使粉末顆粒局部熔化並藉由分子擴散與黏結作用融合成形 [2]。該製程無需額外支撐結構,因未熔粉末可作為自然支撐,因此特別適用於複雜幾何形狀。SLS成品具有良好尺寸穩定性與力學性能,常用材料包括PA12、PA11、TPU、PEEK等 [3],主要應用於工業夾具、外殼件與功能性原型製作。
A. 製程原理
SLS使用高功率雷射(通常為CO₂雷射, 波長10.6 ),在加熱接近熔點的高分子粉末床上進行選區掃描。能量使粉末表面局部熔化(非完全熔融),粉末之間因分子擴散與界面黏結而融合成形。
B. 機構組成
(1) 粉末供應槽與成形槽:透過升降平台控制鋪粉高度。
(2) 雷射掃描模組:高速振鏡控制雷射光路,依據CAD輪廓逐層燒結。
(3) 加熱系統:預熱粉末床至約90 ~ 98% 熔點溫頓,降低翹曲。
(4) 刮刀/滾輪鋪粉機構:均勻分散粉末層厚約100 。
圖二、選擇性雷射燒結(SLS)技術運作原理示意圖[6]。
C. 材料特性與行為
(1) 常見材料:PA11、PA12、TPU、PP、PPS、PEEK等。
(2) 因為僅部分熔化,粉末之間仍保留多孔結構,未熔粉末支撐效果良好。
(3) 熔池溫度梯度低,殘餘應力較小。
D. 優點
(1) 無需支撐結構,適合複雜幾何。因為未熔融的粉末在列印過程中本身就能支撐零件,因此可以自由製作懸空結構、內部流道或格構設計,不受傳統支撐拆除限制,極適合拓撲優化或一體化零件。
(2) 未被燒結的粉末在冷卻後可經篩選再利用,回收率通常超過 90%。這不僅降低材料成本,也使SLS在中小批量生產上更具經濟效益。
(3) 適合聚合物、彈性材料。SLS能穩定加工如PA12、PA11、TPU等熱塑性粉末,能列印出具韌性與彈性的成品,常用於鞋底、減震件與功能性原型等應用。
E. 限制
2. 由於粉末粒徑較大(約 50–100 µm),且採「燒結」而非完全 縮寫SLM / DMLS)
SLM/DMLS(Selective Laser Melting/Direct Metal Laser Sintering,選擇性雷射熔融/直接金屬雷射燒結)此類技術使用高功率光纖雷射(Yb-laser)在惰性氣體環境中(如氬氣或氮氣)將金屬粉末完全熔融,使熔池冷卻後形成高密度冶金結合層 [3]。由於熔融與凝固過程極為迅速(冷卻速率可達 10⁵–10⁶ K/s),可生成細微晶粒並提升機械強度與疲勞壽命。典型材料包括Ti-6Al-4V、Inconel 718、AlSi10Mg、316L不鏽鋼等,其成品密度可超過99.5%,強度接近鍛造件。然而,成形過程易產生殘餘熱應力,需輔以支撐結構與後處理(如熱等靜壓 HIP)以提升穩定性 [4]。
A. 製程原理
SLM/DMLS使用高功率光纖雷射(Yb-fiber laser, 波長約1070 nm),將金屬粉末完全熔化。熔池冷卻後固化成緻密金屬層,實現層間冶金結合,零件密度可達 > 99.5%。
B. 機構組成
(1) 高精度雷射光學系統:雷射經聚焦鏡組與雙振鏡掃描頭,掃描精度可達±30 µm。
(2) 惰性氣體系統 (Argon/N₂):防止氧化與飛濺污染。
(3) 鋪粉系統:多採用單刮刀式,層厚約20–60 µm。
(4) 預熱系統:將底板加熱至 200–500°C,以降低熱應力與翹曲。
圖、選擇性雷射熔融(SLM)製程示意圖[7]。
C. 熔融行為
(1) 熔池內存在馬倫戈尼對流與高梯度熱傳導。
(2) 熔融冷卻速率可達 10⁵–10⁶ K/s,產生細微晶粒與高強度。但同時導致殘餘應力與晶向異向性。
D. 優點
(1) 密度高、機械性能接近鍛件。
(2) 可製造高強度金屬件。
(3) 適合功能性與最終用途零件。
E. 限制
(1) 熔池不穩定,易產生氣孔、裂縫。
(2) 建構速度較慢。
(3) 需要支撐結構
3. 電子束熔融(Electron Beam Melting,縮寫EBM)
EBM(Electron Beam Melting,電子束熔融)EBM 採用電子束為能量源,在高真空腔體中以高電壓加速電子對粉末床進行掃描與熔融 [2]。為降低粉末帶電與飛散風險,製程中會先以低能束多次預熱,使粉床維持在 600 ~ 1000 °C 之高溫,藉以降低殘餘應力。由於電子束能量密度高,適用於 鈦合金、鎳基超合金等高溫材料,特別用於航太結構件與生醫植入物。成形件晶粒較粗但內應力低,整體尺寸穩定性佳 [3]。缺點為設備昂貴、真空維護成本高,且僅能使用導電材料。
A. 製程原理
EBM利用電子束(能量由陰極電子槍加速至 60–120 kV)作為熱源,在真空腔內選區掃描金屬粉末。電子動能轉換為熱能,導致粉末完全熔融並冶金結合。
B. 機構組成
(1) 真空腔體:約10⁻⁴ mbar,防止電子散射與氧化。
(2) 電子束掃描線圈:藉磁場偏轉控制掃描路徑,可達10 km/s掃描速率。
(3) 粉末預熱系統:以低功率電子束多次預熱粉末,避免粉塵飛揚與帶電。
(4) 建構平台:高溫(約600–800°C)減少熱應力。
圖、選擇性雷射熔融(SLM)製程示意圖[8]。
C. 熔融行為
(1) 熔融完全,層間結合緻密。
(2) 預熱溫度高,殘餘應力極低,適合Ti合金與Ni基超合金。
(3) 熔池寬而穩定,晶粒粗大但具良好方向性。
D. 優點
(1) 高能量密度,成形效率高。
(2) 無需支撐結構(因粉末已燒結固定)。
(3) 適合高溫合金與生醫用鈦。
E. 限制
(1) 僅能使用導電材料。
(2) 電子束需要 導電性良好的金屬粉末(多為鈦合金、鎳基超合金等),為避免電子在粉末間積聚產生靜電放電,若粉末太細會在高真空環境下「帶電飛散」,導致粉床不穩定。因此粉末顆粒必須較大、球形且導電均勻。表面較為粗糙約Ra 20 µm。
(3) 粒徑大使得熔池邊緣不易精細控制。
(4) EBM 在真空中操作,粉床會被預熱至 600 ~ 1000 °C,以減少熱應力與翹曲。預熱導致粉末間部分燒結(semi-sintered),這使去粉後的表面呈現「結塊粗糙」的外觀。
4. Multi Jet Fusion(MJF,多射流熔融)
MJF(Multi Jet Fusion,多射流熔融)MJF為HP公司開發之新型粉末床技術,結合噴射選區熔融劑與紅外線加熱進行快速成形 [5]。於每層粉末上噴灑吸熱之Fusing Agent(熔融劑)與抑制邊緣過熔之Detailing Agent(邊緣抑制劑),再以紅外光整層照射,使選區瞬間加熱至熔融溫度並層層堆疊。此方式無需雷射掃描,整層同時熔融,成形速度為SLS的兩至三倍,且表面平滑、尺寸精度高。常用材料為PA12、PA11、TPU等,廣泛應用於中小量產塑膠零件與功能性樣機 [5]。
A. 製程原理
MJF由HP開發,利用紅外線熱源與噴劑選區控制技術。在粉末床上噴射兩種液體:
(1) Fusing Agent(熔融劑):吸收紅外能量,加熱後區域熔融。
(2) Detailing Agent(抑制劑):防止熔融蔓延,控制邊緣精度。
整層粉末在紅外燈照射下同時加熱,使選定區域快速融合。
B. 機構組成
(1) 噴頭陣列:類似噴墨列印頭(每層噴灑數百萬滴)。
(2) 紅外加熱單元:整層同時加熱熔融。
(3) 粉末循環系統:自動回收、混料與篩粉。
(4) 雙工作床機構:一床列印、一床冷卻,提升週轉效率。
圖、多射流融合(MJF)製程示意圖[9]。(a) HP 3D 4200 列印機(顯示熔融過程步驟 1–5);(b) 3D成形單元;(c)處理站。
C. 材料行為
(1) 常用材料:PA12、PA11、PA6、TPU。
(2) 熔融區均勻,層間結合良好,密度可達99%。
(3) 因同層同時加熱,冷卻均勻、翹曲小。
D. 優點
(1) 成形速度快(比SLS快2–3倍)。
(2) 表面平整度高(Ra 6–9 µm)。
(3) 機械性質穩定、批次重複性佳。
(4) 適合中量產(功能性原型、小批量產品)。
E. 限制
(1) 僅支援聚合物(主要為尼龍)。
(2) 粉末再利用率略低於SLS(因熱影響區擴散)。
(3) 設備與專利封閉,材料選擇受限。
Powder Bed Fusion材料
四、 工藝成品之共同特徵與特性:
綜上所述,PBF系列技術皆以「鋪粉、選區熔融、層層堆疊」為核心原理,但能源型態與材料特性決定了成形品質與應用範圍。SLS偏重聚合物與功能原型,SLM/DMLS專注於高性能金屬零件,EBM適合高溫與真空製程,而MJF則兼具速度與表面品質。四者共同推動粉末床熔融技術向多材料化、高速化與智慧監控方向發展 [3][4]。
五、四大技術比較總覽:
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技術項目 |
SLS |
SLM / DMLS |
EBM |
MJF (HP) |
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能量來源 |
CO₂ 雷射 |
光纖雷射 Yb-laser |
電子束 E Beam |
紅外線 + 噴劑選區控制 |
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適用材料 |
聚合物 PA12, PA11, TPU |
金屬 Ti-6Al-4V, AlSi10Mg, 316L |
金屬 Ti, Ni超合金 Inconel 718 |
聚合物 PA12, PA11, TPU |
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熔融狀態 |
部分燒結 |
完全熔融 |
完全熔融 |
局部熔融 |
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成形環境 要求 |
氮氣或真空保護 |
氬氣或氮氣或真空保護 |
高真空 |
空氣 |
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成形環境 溫度 (°C) |
170 ~ 190 |
200 ~ 500 |
700 ~ 1000 |
160 ~ 180 |
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粉末 循環使用比例 |
新粉 30 ~ 50% 回收粉50 ~ 70% |
新粉 30% 回收粉70% (須再檢測) |
回收粉 95% 要機械破碎&篩粉 (須再檢測) |
新粉 30 ~ 50% 回收粉50 ~ 70% |
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粉末 顆粒直徑( ) |
Range:40 ~100 |
Range:15 ~ 45 |
Range:45 ~105 |
Range:60 ~100 |
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表面品質 粗糙度 |
中等 Ra ≈ 8 – 12 µm |
高 Ra ≈ 6 – 10 µm |
中等偏粗 Ra ≈ 15 – 20 µm |
高 Ra ≈ 6 – 9 µm |
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緻密程度 |
約 92~96% 取決於掃描功率與粉末品質 |
約 99.5~99.9% 可媲美鍛造 |
約 99.8~100% 密度最高 |
約 97~99% 結構致密均勻 |
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後處理 |
噴砂去粉 熱處理改善應力 染色塗裝 |
去粉與支撐移除 熱靜壓消除孔隙 機械加工 真空退火 |
去粉與支撐移除 熱靜壓消除孔隙 機械加工 真空退火 |
噴砂去粉 熱處理改善應力 染色塗裝 |
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優點 |
無需支撐、 材料回收率高、可製作複雜幾何 |
密度高、強度近鍛件、可製高性能金屬件 |
熱應力最低、掃描速率快、適用高溫材料 |
成形速度快、表面平滑、尺寸穩定性高 |
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限制 |
表面粗糙、強度略低於射出成型 |
熔池應力高、需支撐、速度慢 |
僅限導電材料、表面粗糙、設備昂貴 |
材料受限、粉末再用率略低、封閉系統 |
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主要應用 |
機構件、功能性原型、塑膠外殼 |
航太零件、模具嵌件、醫療植入物 |
航太渦輪件、生醫植入物 |
中量產塑膠件、功能樣機 |
六、材料
1. 金屬材料
(1) 鈦合金(Ti-6Al-4V)
具高比強度、耐蝕與生物相容性,是航太與醫療應用的首選材料。PBF製件可達鍛件級密度與強度,常用於渦輪葉片、結構支架、植入物與輕量化零件。
(2) 鎳基超合金(Inconel 625 / 718)
擁有極高的耐熱與抗蠕變性能,可在700°C 以上工作。常用於噴嘴、燃燒室與火箭冷卻結構,是高溫金屬 PBF 的主要材料。
(3) 不鏽鋼(316L / 17-4PH)
成形穩定、抗蝕性佳、成本低。適合製作模具嵌件、醫療器械與結構零件,力學性能優於鑄造件。
(4) 鋁合金(AlSi10Mg)
具優良的導熱與輕量特性,快速冷卻下組織細緻、強度提升。多用於汽車結構件、散熱器與外殼零件。
(5) 銅與合金(CuCrZr、CuNiSi)
導電、導熱性極佳,但雷射反射率高、成形困難。應用於高導熱模具、電子接頭與冷卻通道零件。
2. 高分子材料
(1) 尼龍 12(PA12)
最常見的 SLS/MJF 材料,尺寸穩定、強度均衡、吸濕性低。適合外殼、夾具、功能原型與小批量成品。
(2) 尼龍 11(PA11)
生物基材料,柔韌性佳、抗衝擊性高。常用於醫療支架、運動用品與汽車內裝件。
(3) TPU(熱塑性聚氨酯)
具高彈性與耐磨性,適合柔性與減震零件。應用於鞋底、護具、密封墊與防震結構。
(4) PEEK / PEKK
高溫工程塑膠,耐熱達 250°C,強度高、化學穩定。多用於航太電氣元件、醫療植入物與結構支撐件。
(5) 碳纖複合材料(PA12-CF、PPS-CF)
具高剛性與導熱性,尺寸穩定度佳。適合承載結構件、夾具與工業零件。
七、SLS著名案例
1. Airbus:以SLS技術導入客艙零件增材製造
Airbus與Materialise及EOS GmbH合作,通過SLS技術製造飛機內裝塑膠零件。這些零件採用阻燃尼龍粉末(如PA 2241 FR)列印,符合飛機客艙對阻燃、煙霧毒性等嚴格標準。該製造方式相比傳統注塑或模具成型,不僅設計自由度高,可縮短生產週期,亦有助於減輕零件重量與降低成本。該案例標誌著Airbus首次認可SLS成形材料與製程為飛機內裝“飛用零件”之一[10]。
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圖、以EOS PA 2241 FR材料列印的3D成品。 |
圖、配備EOS系統的Materialise 3D列印廠房。 |
2. 醫療應用 — 客製化支具與義肢
SLS技術在醫療領域被廣泛應用於義肢、矯形器與支具 的客製化生產。此製程使用PA11或PA12 粉末材料,可精確符合患者身體結構,達到「一人一件」的個別化醫療需求。由於 SLS 成形過程不需支撐結構,能以自由形狀實現輕量化與通風設計,同時保持良好的結構剛性與舒適性。
歐洲多家醫療輔具公司(如Materialise Medical、Össur、以及 Sinterit)均採用此技術,用於製作手臂支具、足踝矯形器與義肢外殼。與傳統手工或模具成形相比,SLS可將製造週期縮短超過60%,且具備優異的重現性與外觀品質。此技術已被廣泛認可為客製醫療器材數位製造的重要途徑。
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圖、Sinterit公司使用SLS製作的手臂支具(左圖)及脊椎模型 [11]。 |
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八、SLM/DMLS著名案例
1. BMW Group — 金屬SLM技術於汽車產業應用基礎建構
BMW集團多年來積極推動金屬增材製造於汽車生產中的導入,並在慕尼黑設立Additive Manufacturing Campus,整合SLM技術開發、材料研發與製程標準化。該中心配備多台工業級SLM系統,用於製造汽車引擎、變速箱、懸吊系統與車體結構中的高強度金屬零件 [12]。
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圖、這款由雷射束粉末床熔融(PBF-LB)製程製造的一體式輕量化鋁合金水泵葉輪於2015年首次公開,用於BMW德國房車大師賽(DTM)賽車以及 Z4 GT3客戶賽車。 |
圖、在高密度堆疊的 PBF-LB 成形區中分離批量生產零件。 |
2. ASCO與Nikon SLM Solutions合作製造航空用吊鉤支架(Gooseneck Bracket)
ASCO與Nikon SLM Solutions使用SLM技術為航空產業設計並列印一款吊鉤支架(Gooseneck Bracket),利用金屬粉末床熔融製程實現複雜結構設計與輕量化効果。該案例展示SLM在航空結構件的應用潛力,包括零件輕量化、部件整合、以及減少傳統機械加工與組裝工序的優勢[13]。
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圖、ASCO 與 Nikon SLM Solutions 合作製造航空用吊鉤支架。 |
九、EBM著名案例
1. 醫療植入物 — 三維鈦合金網格顎骨重建
研究者利用EBM製作鈦合金(Ti-6Al-4V)三維網格結構植入件,用於顎骨重建。透過 EBM 的粉末床熔融技術,可製造高度多孔、與骨骼結合良好的支架結構,並且符合生體植入需求。該研究表明EBM適用於醫療植入領域的客製化高性能金屬零件[14]。
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圖、以電子束熔融(EBM)技術製備 Ti6Al4V 支架。(A)清理零件以去除滯留於 3D 網格結構內的鬆散鈦粉;(B)以EBM技術製作的 3D 網格狀鈦下頜骨義體支架(重量:107 g;孔隙率:81.38%;支撐桿尺寸:0.7 mm)[14]。 |
十、MJF著名案例
1. NECO — 高性能無人機零件製造
NECO利用HP MJF技術與Autodesk Fusion軟體設計,為無人機製造複雜幾何的高性能結構零件。透過MJF,他們縮短開發週期、減少零件數、提升結構整體性與性能表現。該案展示MJF在航空/無人機領域中從原型向高效量產的潛力[15]。
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圖、MJF技術列印的無人機框架結構。 |
2. CNC Würfel — 製造自動化夾具與工具
CNC Würfel使用HP MJF技術製作治具、夾具與工具零件,並且進一步用於最終功能零件的生產。透過MJF,他們獲得了更高的設計自由度、更快的迭代速度與成本優化,從而改變了傳統製造自動化中的工具生產方式[16]。
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圖、CNC Würfel公司利用MJF技術製作的自動化夾具組件[16]。 |
參考文獻
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