取材自3dprintingforbeginners.com的文章"How to make DIY Filament for your 3D Printer"

今天3D列印最大的問題之一就是線材還相當貴,這裡指的是3D印表機的熱塑料或耗材。雖然3D印表機的價格持續地降低,但是線材的價格卻不然。現在線材比2-3年前容易取得,可以選擇的顏色也更多,尤有甚者,3D列印的材料也越來越多樣化,且更容易取得。

但是線材的價格卻沒有跟著降,尤其是品質良好的線材。雖然我們看到工業線材製造商的競爭益趨激烈,長期來看離量產階段應該不遠且整體價格應該會下降,但目前線材仍在20-30美金/公斤的價格區間盤旋,500公克的特殊線材甚至要價50美金。價格之所以高居不下,部分原因是製造及銷售線材很有賺頭。

這也讓家用或桌上型線材壓出機(或稱線材製造機)有伸展手腳的機會。一些精明的製造商/發明者開發出讓人在家製造自己的3D印表機塑料,而且只要零售價幾分之一的花費。這種所謂的線材製造機就是一種壓出塑膠線材供3D印表機用的機器,下圖是來自英國的桌上型壓出機Noztek Pro。在分析線材製程及原料價格之前,讓我們很快地看一下這種機器的工作原理。

1 Noztek-front-small  

工作原理

以下的圖示可以讓你對標準桌上型線材壓出機的工作原理有個簡單的概念。

2 Plastic-Extrusion-Infographic  

圖1-線材壓出機的主要零件及工作原理

壓出機的主要零件是圓筒(barrel),其內有螺桿(screw),連結至遠端的加熱器(或加熱室或加熱元件),螺桿的另一端接到電動馬達,藉由機械作用將所謂的樹脂粒(參考下圖9)經由圓筒送到加熱器。樹脂粒經由進料斗連續送入,當馬達連續驅動螺桿時,樹脂粒就被推入加熱器,並受熱軟化及熔解,再經機械力推經沖模,生成和沖模具有相同直徑的連續線材,這個過程就叫壓出,也是壓出機一詞的由來。圖2以更詳細的方式顯示這些零件。

3 Noztek-pro-overview-image_mod  

圖2-  Notzek Pro的細部(auger螺鑽;drill鑽頭;hopper進料斗;barrel圓筒;air-cooling system氣冷系統)

但是壓出器之間也有很多差異,有些使用大馬達連接齒輪驅動系統,有些使用步進馬達直接驅動螺鑽。大部分的壓出器允許兩種標準尺寸3D線材(1.75 mm3 mm)的沖模互換,有些具有氣扇冷卻機制,有些甚至備有自動捲線系統,將壓出的線材捲至捲軸上。至於電子零件部分,有些允許極為詳盡的溫度設定,另一些則只有基本設定。下圖顯示幾種不同類型的壓出機,但其基本工作原理大同小異。

4 Extruder01-Thingiverse  

3(照片來源Bender24601 http://www.thingiverse.com/thing:83570

5 strudittle-filament-extruder-3  

4(照片來源Ben Fishler)

6 DSC01488_zps73ababc8  

5(照片來源Befu http://www.soliforum.com/topic/4188/another-filament-extruder-design-and-build-with-machining/

7 filafab-filament-extrusion-system-3  

6(照片來源FilaFab)

8 Lyman  

7(照片來源Hugh Lyman)

由以上的實例可以看出大部分市售的家用3D線材壓出機都是套組(kit),必須經過使用者的組裝。上圖2先讓你對不同零件有粗略的概念,以下將再以Noztek壓出機讓你進一步識別個別的工作零件。

9 Noztek-front-01-explained_mod-1024x682  

8 Noztek Pro 壓出機零件

說明過壓出機基本工作原理後,接下來談談線材壓出製程。

線材壓出製程

線材是由所謂的"原料樹脂粒"壓出而得,圖9顯示這些樹脂粒的外觀。注意圖中的樹脂粒是供射出成型用,其原料也許不適合3D列印。如果你想要購買樹脂粒自己在家壓出線材,你要找適合壓出而非射出成型的樹脂粒,如果你不確定,那就發信給製造商或供應商詢問清楚。

10 Raw-resin-pellets  

9- 原料樹脂粒(由左至右分別為壓克力、ABS及玻璃纖維-尼龍)

線材著色


樹脂粒(也就是線材的原料)通常呈現白色或透明,並且只有幾毫米大小,它會和所謂的母料混合,而母料是用來將塑料著色(又稱為著色母料)或賦予塑料其他特性(指加成母料)的特殊樹脂。著色母料是將彩色顏料在加熱過程中包覆在載體樹脂中,冷卻後切成粒狀而得的濃縮混合物。

11 Masterbatches  

10-著色母料的實例

因為著色母料含有濃縮的彩色顏料,所以只要加入少量母料,就可以讓1公斤的原料樹脂粒具有顏色。圖11是混有母料粒的原料樹脂粒,其可以製得櫻桃紅線材,圖12顯示加入不同比率的母料粒,可以得到較淡或較飽和的顏色。

12 Color-batch-example  

11- 原料粒與櫻桃紅母料粒的混合物

13 Color-batch-example3  

12- 母料粒的比率由左至右分別為1%2%3%

所以將特定顏色的母料粒加到原料樹脂,就可以得到那個特定顏色的線材。你也可以混合不同顏色的母料,創造新的顏色,為了確切知道混合後將會得到什麼顏色,記得查對製造商的建議,以及在網上搜尋"混合色""原色表"。另外也建議你自己做研究,記錄所用的母料比率及所得的結果,並將結果發表出來,與同好分享,因為目前網上對特定母料及混合比率的評論還很稀少,你也可以將相關資料寄到本文原作者的網站(3dprintingforbeginners.com),由他發表在該網站上。

為什麼網上有關母料混合比率及其壓出建議的資訊還很稀少?那是因為在家自製線材還是一個嶄新的概念,但一定會隨時間而倍增。強烈建議你抽空閱讀David Smith的部落格Bits into Atoms,特別是其關於母料混合及母料比率的文章[該部落格似乎已經下線了一段時間,但你仍可在WayBackMachine(https://web.archive.org/web/20131211213710/http://bitsintoatoms.com/2013/08/06/masterbatch-ratios-for-the-filastruder/)找到母料比率的資料。看一下David如何利用Filastruder壓出機得到各種顏色變化的線材,以及用這些多色線材印出的超酷物件。

14 Multicolor-spool  

13- 多色線材

15 Multicolor-printed-objects  

14- 多色列印物件

線材製程


工業級線材製造商使用大型線材壓出機,一個批次可以壓出多股線材且其直徑相當一致,另外,每小時壓出的線材量也很大。但工業級壓出產線的製程和家用壓出機的製程基本上是極為類似的。下圖15顯示工業核心製程,工業壓出機的外觀如圖16所示。

16 Filament-Extrusion-Process  

15- 線材壓出過程的簡圖

17 Cable-Extrusion-Producing-Line-GT--1024x529  

16(資料來源http://www.fiordtrimmerline.com

一些顯著的差異是你的DIY線材在壓出後可能沒有立即經過水冷,以及家用壓出機僅能製造單一股線材,因此每小時的壓出量就很小(工業機每小時可以壓出幾百公斤的線材)。家用壓出機可能配備捲線器(將壓出的線材自動捲繞在線軸或滾筒上的機器),除了控制線材張力外,某些捲線器還具備自動品管線材直徑的功能,因為當線材被不規則的壓出時,線徑會改變,繼而影響列印品質。

線材壓出成本


最重要的問題也許是,在家裡製造1公斤的線材到底要多少錢?當然,你無法將家庭壓出成本和工業製造成本放在同一天平上比較,因為在工業製造上,線材壓出必須遵守經濟規模的原則,工業製造商購入的原料量越大,其成本越低,但這些規則無法適用單一個人只購買少量的情況。

大部分銷售樹脂粒及母料的公司都是大盤商,通常都會要求至少10-25公斤的最小訂購量,最近已有人察覺到這個市場的潛力,也開始讓客戶購買小量的原料。但要找到值得信賴的供應商,願意以零售量提供品質良好的原料,仍然是一項挑戰,3dprintingforbeginners.com現在正在彙整這些供應商的資料,如果你曾經購買過這類產品,並且對供應商的產品品質及服務都很滿意,可以將相關資訊寄給該網站,分享給大家。

目前1公斤原料樹脂粒的價格大約是3.4 - 4歐元,彩色母料的價格大約是每公斤1.2 - 3.5歐元(購買量5 - 10公斤以上),請注意以上是大盤價。考慮壓出所用的電力、壓出機成本、機器使用率及折舊率等因素,每公斤自製線材的成本大約5 - 7歐元,這可比零售價格節省了約70%,如果線材成本對你很重要,那可以考慮購買線材壓出機,但要收支平衡,你得努力地列印,因為線材壓出機並不便宜。作者整理了市售家用線材壓出機的機型及價格,如果你想購買線材壓出機,可以參考後面的附表。

由廢塑料壓出線材

除了價格之外,另一個常被忽略及低估的重要因素是,擁有自己的線材壓出機可以有效降低塑料廢棄物的量。線材壓出機不但讓你回收某些塑料並由此製造線材,同時也能有效地再利用於你的列印物件(經過一些基本的處理之後)。2011年全球塑料製造量高達約28千萬噸,雖然回收工作持續在改善,但是塑料仍造成嚴重的環境問題,因為大部分的塑料用完後就丟棄。

18 waste-plastic- bottles-Dishfunctionaldesigns.blogspot.com_  

17-塑膠瓶垃圾場

19 waste-plastic  

18-塑膠瓶撿拾者

3D列印結合塑料壓出機可以改變此一情況,雖然不能就此改變世界,但至少可以讓大眾知道這種廢棄物還可以有效地利用於其他目的。以塑膠牛奶瓶為例,其大多由高密度聚乙烯(HDPE)製成,通常這些瓶子在使用後就丟掉,假如你有環保意識,可以回收這些廢棄塑料,但如果你有壓出機及3D印表機,那就應該留下它們,用來製造自己的線材。實務上應該如何回收利用這些廢棄塑料呢?

確認瓶子標示HDPE後,徹底清理乾淨,不要殘存任何內容物,並去除瓶子上的貼紙、價格標籤及印記;將瓶子剪成小片,放入切碎機、研磨機或類似機器中(例如Markus ThymarkDIY Mini shredder),將其切成適合壓出機使用的細片。廢棄塑膠瓶的整個製備過程示於下圖20

細片的尺寸大致為5 mm x 5 mm,方便讓螺鑽或鑽頭將其送至壓出機的加熱室。細片的尺寸一致性有助於避免壓出的線材線徑發生變異,一旦切碎的塑膠片變得夠細,就可以將其投入壓出器的進料斗。雖然整個製備過程比直接使用原料樹脂粒來的費時,但利用廢塑料的最大優點就是成本可以大大地降低。

依據密西根大學Joshua Pierce博士的資料,壓出1公斤廢塑料製成的線材,其成本大約0.1美金,這和零售價格相較,有極大的價差,因此有經濟誘因。額外的好處是你把原來該丟掉的東西拿來再利用。這對廢塑膠來說,不啻開闢了一條新路,它可以轉變成有用的東西,而非成為麻煩事及環境問題。

20 Shredder  

19- FilaMaker的塑膠切碎機

21 Recycled-milk-jug-process  

20- 牛奶瓶經過清理、切割及切碎後的狀態

為了瞭解隱藏其後的巨大潛力,可以看一下Pierce博士的團隊由廢棄牛奶瓶所得的塑膠列印出來的Dremelfuge(圖21)。Dremelfuge(http://www.thingiverse.com/thing:1483)本身是非常有用的物件,可以作為實驗室的微離心管(標準1.5 mm2 mmEppendorf管或類似物),這個3D列印物件結合Dremel動力鑽/多刀工具,可以轉變成用於DNA萃取的半專業離心機,其市價可要至少300 - 500美金,如果你用全功率33000 rpm運轉,就相當於擁有一台所謂的"超離心機"

以上的貢獻,除了讓你可以不用投資很多錢在昂貴的機器上,就能享受"DIY生物研究"的樂趣外,更重要的是當有一些地區因為各種原因無法取得DNA萃取技術時(成本太高、缺乏基礎建設、技術限制等),那邊的人就可以利用3D列印技術自製上述的離心機,進行DNA研究。這對存在大量廢塑料的開發中國家而言,具有很大的應用潛力。

22 Dremelfuge  

21 由廢牛奶瓶列印而得的Dremelfuge

因此未來廢塑料再利用的前景非常值得期待,但目前壓出廢塑料及進行3D列印還不是一件容易的事,並涉及DIY與許多修補作業,所以離完美還很遠。舉例而言,用3D印表機列印HDPE還具有相當的挑戰性,你的3D印表機需要加熱床,甚至加熱室,以避免印出物產生捲翹缺陷。

另外,廢塑料也不能無窮無盡的回收及再壓出,因為重複的再加熱會讓塑料變脆,因而產生結構問題。你必須注意塑料的"加熱歷史",因為每一次熱循環都會打斷構成熱塑料的聚合鍵。建議在壓出時,要經常加些新的塑膠粒或塑膠細絲,和舊料混合,以維持材料強度。另一件要注意的事是汙染物,如灰塵、污物或者不應該出現在壓出機中的其他物質。因此,好的壓出機應該配備有噴嘴,並整合成所謂的"熔漿過濾器",其構造類似一片極細的金屬網篩,用以避免汙染物混入線材,進而防止3D印表機的熱端(hot end)堵塞,否則,將付出昂貴的代價。

雖然上述廢塑料再利用的實例聚焦在HDPE,其他可回收的聚合物也可以用於壓出。但要注意像PVC或其他氯基聚合物之類的塑料,在加熱時會釋出有害煙霧,嚴重危害人體健康。如果你正在進行廢塑料壓出的試驗,請確認安全性,必要時,檢視一下物質安全資料表(MSDS)

壓出機彙整表

目前只有幾款市售的桌上型壓出機讓你可以在家裡壓出線材,其型號及規格等資料,請參考以下的彙整表。

 

 

壓出速度

電壓

是否提供可更換的沖模/熔漿過濾器

套組/已組裝

價格

Noztek Pro

1kg/3-4小時

110V 220V

是,含1,75-3mm沖模;也含過濾器

已組裝

843 €

695£

1164$

FilaFab

N/A

220V

是,含沖模;

過濾器

已組裝

849€

699 £

1170$

Filamaker

N/A

N/A

否;

是否含過濾器未揭露

套組

1200€

984£

1655$

FilaBot Original

300公尺/小時

110V 220V

是,含沖模;

是否含過濾器未揭露

已組裝

899$

652€

534£

FilaBot Wee Kit

150公尺/小時

110V 220V

是,含沖模;

是否含過濾器未揭露

套組

649$

470€

386£

Filastruder

1公斤/12小時

110V 220V

是,1.75-3mm未鑽孔的沖模;

是否含過濾器未揭露

套組

299$

217€

178£

Lyman filament extruder - DIY

N/A

N/A

否;

是否含過濾器未揭露

DIY

499-900$

362 - 653€

297-535£

Extrusion Bot

120公尺/小時

N/A

否;

是否含過濾器未揭露

已組裝

625$

453€

372£

 

至於壓出速度,製造商通常以公斤/小時或米/小時表示。為了易於記憶,1公斤3 mmPLA線材大約有110米的長度,而1公斤3 mmABS線材大約有130米的長度;如果PLA線徑是1.75 mm,那長度大約為330米,如果是ABS,那大約有400米的長度。但這些數值可能會變動,視所用線材的密度而定。

就原作者的經驗,Noztek Pro是目前設計最佳的市售壓出機之一,不但是組裝好出貨,其價格在同極品中也不算貴,並且產品附加的特色也已齊備,包括可以交換的沖模、內建的熔漿過濾器、冷卻機制及高扭力行星式馬達。壓出誤差約0.04 mm,壓出1公斤線材約需3 - 4小時,另外還贈送500ABS塑膠粒。

一般而言,Noztek Pro最常壓出的材料是PLAABS,但用於壓出HDPE也沒問題。Noztek Pro除了熔解溫度可達180℃外,產出的線材品質也不錯,同時還可以將回收的家庭廢塑料製成有用的東西。另外,壓出時產生的煙霧,也不比3D印表機列印時釋出的煙霧來的多,但還是建議在通風良好的環境中使用。這款壓出機不附帶切碎機或捲線器。

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