取材自digitaleng.news的文章"3D Printing's New Materials: Plastics, Ceramics, Composites and More"

 

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上圖是以Tethon3D粉末列印,再經施釉及燒固所得到的陶瓷藝品。Tethon3D專精於將標準陶瓷粉末轉換成可3D列印且容易施釉的陶瓷粉末。

 

在過去,3D列印的供應商每年能推出3-4種新材料就已經是件了不得的事,但近年來,隨著基礎專利的到期及普羅大眾興趣的增加,不論專業級/消費端(開放源),甚至工業級(傳統設備製造商)的材料開發都以破紀錄的方式大步向前邁進。

 

事實上,3D列印材料的市場規模預計在2025年時將達到6億美元以上。非金屬3D列印材料的型態大致包括粉末、錠狀、漿體、液體及線材等,所用的基礎化學品有尼龍、陶瓷、ABSPLA、光固化樹脂等,產出的3D物件可能呈現可撓性、澄清、彩色、可回收、阻燃性、類蠟質、黑暗中發光、經過強化等性質。

 

樹脂

 

3D列印的原點應該從光硬化樹脂談起,其首次被3D Systems使用於355nm雷射光立體微影法(SL),而Envisiontec及其他製造商則是利用數位光處理(DLP)來固化類似的樹脂。

 

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上圖是以MadeSolid改良的MSUV固化的SL樹脂,經3D印出的傳統象棋,該公司亦生產壓出線材。

 

UV光敏性樹脂也可以用在StratasysPolyJet系統,及3D SystemsProJet MultiJet列印系統,這兩種系統都是基於噴墨式印表機的噴頭噴射出微小液滴,再利用UV光進行硬化的技術。但並不是所有的樹脂都適用所有的系統,許多系統需要專用的材料(如果產品熱銷,通常都會有副廠產品)。

 

Envisiontec先前推出一種深綠色蠟質鑄造材料EPIC,搭配其EC-500列印出的零件具有很好的脫蠟性。另外,Prodways提供3種基於其MOVINGLight數位光投影(DLP)技術的列印系統,包括可以固化高黏度陶瓷漿體的K20 Producer系統。

 

配合現在LEDDLP系統使用較新的365 nm波長,Royal DSMSomos系列提供ProtoGen Clear 365nm產品,其具有極佳的透明性、準確度及耐高溫性(和其Somos ProtoGen SL材料的特性極為類似),該公司355/365nm版的複合材料PerFORM具有改良的黏度及更快的建造時間。

 

另外,專利到期與集體創作也讓光聚合樹脂3D列印系統展現新的風貌,例如FormLabs Form1Old World Labs (OWL) NanoB9Creations B9CreatorFSL3D Pegasus TouchDWSLab XFABUncia 3DMAKEX M-OneHardcotton ElementalStalactite 102Peachy Printer等產品的問世,這些公司及產品讓設備及樹脂朝更廣泛的系統種類、更有利於終端消費者及預算的方向發展,因此值得持續追蹤。

 

與以上成果相互輝映的是獨立製造的材料亦如雨後春筍般出現,以下是一些製造商及其材料的例子:

MakerJuice消費系統的UV樹脂

Spot-A Materials通用、低黏度及彈性樹脂

Bucktown PolymersUV、可見光、紅外線及聚合物樹脂

3D Ink橘色及澄清樹脂

MadeSolid低黏度MS樹脂、耐久性橘色及黃色MS韌樹脂、無灰MS脫蠟樹脂。

 

其他液體及半液體材料

 

Stratasys3D Systems所用的噴印光致聚合物也有一些新的進展,例如StratasysObjet500 Connex3多重材料3D印表機就新增了樹脂的顏色及可撓性。另外,Stratasys也導入VeroGlaze牙科材料及可撓性、類聚丙烯Endur材料,搭配其Objet系統使用。

 

3D SystemsVisiJet 5500X可以實現多種顏色及材料的摻合,其可以在該公司的ProJet 5500X系統中同時混合兩種材料。藉由結合多種材料於單一印物,該系統可以建立複合材料的零件,例如結合黑色類橡膠、白色堅硬類ABS、澄清類聚碳酸酯材料而得的複合材料。

 

粉末

 

除了液態樹脂之外,另外兩種主要的列印技術,燒結法及噴墨法,使用粉末材料。燒結法可依據能量源的不同(UV雷射或光源)再細分,而噴墨法則可依據黏合劑及材料種類再分類。

 

大約20年前,3D SystemsEOS是熱塑料雷射燒結界的主宰者。2013EOS導入類橡膠PrimePart ST及阻燃性PrimePart FR(一種阻燃性聚醯胺12)等兩種材料,是時,諸如CRP TechnologyTaulman3DArkemaAdvanced Laser Materials (ALM) 等多家獨立公司也加入此一領域,推出數十種材料,例如ALM(現在是EOS的分部)專精於製造碳複合材料等客製化LS熱塑料。

 

傳統上,將碳纖維加到乾粉末所生成的零件,其在X軸的剛度(stiffness)很好,但在Y軸就稍差,在Z軸更有40% - 60%的損失。ALM開發出一種方法,就是將碳纖維與樹脂先化合成錠劑,再研磨成粉末供雷射燒結用。生成的材料雖然含有較短的纖維,但其顯現的剛度在XYZ軸僅有10%的變異。這些基於聚醚酮酮(polyetherketoneketonePEKK)及聚醯胺11(PA11)的新等向性(isotropic)材料已被開發成下一代的Boeing 777X材料。另外Lotus F1設計團隊現在正在使用這些材料。

 

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上圖是以Fenner DrivesNinjaFlex線材及3D印表機製成的軟彩鞋,共有8種顏色及半透明色。

 

目前的計畫包括開發工作溫度較低的PEKK,以生成較可回收的產品,並節省加工時間及降低成本。

 

在噴墨領域方面,3D Systems現在提供粉末塑膠材料VisiJet C4 Spectrum,用在新的全彩ProJet 4500塑料印表機。它是近15年來第一個適用此家族所有印表機的新材料,製得的零件比傳統類灰泥石膏製得者更為耐久。

 

Tethon 3D是一家具有藝術涵養的小公司,並且從事3D陶瓷列印已有8年的經驗。特殊調配的Tethonite陶瓷(黏土)粉末有陶器、粗陶器及瓷器等配方,搭配液態黏合劑,可以使用於所有粉末基噴墨3D印表機。另外,Tethon 3D也販售特別為其粉末量身訂做的數千種釉藥。

 

Emerging Objects是一家具有創造力的建築公司,並持續為3D Systems開發水泥、鹽、木材及紙等各種新材料,但目前不對外銷售。

 

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上圖是ColorFabb供線材壓出3D印表機用的woodFillbronzeFillglowFill的實例。

 

線材

 

UV樹脂便宜許多且似乎有無限發展潛力的是適用線材印表機的材料,不論傳統的Stratasys熔融澱積模塑系統(FDM)或者RepRap開放源3D印表機都使用線材,而自製線材設備供應商讓線材的種類更加多元化。

 

MadeSolidCylinderArt_opt

上圖是以MadeSolid改良的MS SL樹脂經3D印出的藝術圓筒,該公司亦生產壓出線材。

 

Stratasys提供數十種FDM線材,但近年來Bolson Materials等公司開發出替代材料,以及EEPROM ID chips,這種晶片可以讓Stratasys印表機使用非OEM的副廠墨匣。Bolson也提供客製化的顏色匹配,以及在黑暗中發光的ABS材料"Monster Green",它可以作為Stratasys uPrint systems的相容材料。

 

另一家甫成立數年的公司Taulman3D推出t-glase,一種高強度、低溫列印的PLA複合材料。

 

荷蘭線材製造商ColorFabb推出一種摻合polyhydroxyalkanoate (PHA)PLA,以增加強度,這種材料有29種純色或透明色與客製化顏色。該公司最近也推出在黑暗中發光的材料glowFill,以及PLA BronzebambooFillwoodFill,並銷售PLA/PHAPLAXT-CoPolyesterwoodFill的錠狀材料給一般消費者,讓他們自行壓出線材。

 

數年前,美國一家製造皮帶及軸襯的百年老店Fenner Drives推出一種聚胺基甲酸乙酯(PU)的線材NinjaFlex,這種可撓性熱塑彈性體材料已有9種顏色,未來將再推出更多顏色。

 

更輕更強的材料

 

業界對碳纖維、奈米碳管及其他堅韌材料製得的3D列印零件一直都很有興趣。以下是3家有潛力的公司:

 

MarkForged:其Mark One是雙壓出器3D線材印表機,使用者可以用連續碳纖維或玻璃纖維來選擇性強化物件。它目前使用4種專用材料,classic PLAnylon FFF適合作為基礎材料,carbon fiber CFF(比ABS20倍,也比同重量的6061-T6鋁來的強韌)及fiberglass CFF(當關注強度而較不在意硬度及重量時使用)為其專利材料。

 

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上圖的汽車氣動翼底座是用尼龍及連續股碳纖維一層層3D列印而得。MarkForged表示以連續股碳纖維製得的零件與ABS塑膠相較,其硬度高20倍且強度亦高5倍,另外,其強度對重量的比率也較6061-T6鋁來的高。

 

Arevo Labs:是一家矽谷新興公司,在2014年推出碳纖維及奈米碳管(石墨烯)強化線材。短纖維以高性能聚合物(例如PEEKUltem)包膜,可以噴印出質輕、強固、耐高溫及耐化學性的零件。但要使用這些材料,線材印表機必須先經過改裝,使用Arevo Labs的高溫噴頭及最適化系統。

 

Graphene 3D Lab:新創公司Graphene 3D Lab和石墨供應商Lomiko Metals合作生產浸泡石墨烯的線材,初期目標是結合此材料及傳統聚合物,用3D列印功能性電子裝置。

 

聰明選擇

 

不是所有的材料都適用所有的系統,品質確實很重要,但納入其他必須考量的因素,事情就會變得很複雜。不論原材料的初始性質及化學性為何,最終零件的物理性質仍然要視設備、材料、操作設定及CAD檔案處理的總和結果而定。但是今天的初創可能就是明天的主流,例如衍生自稻草、黏土、馬鈴薯、蜜蠟、大豆、海藻、絲及亞麻的材料都有人在研究。

 

傾向自己搞材料的使用者將有更多選擇,例如Ewe IndustriesFilaFabLegacy(開放源)都有提供線材壓出機,未來會流行什麼材料還真的很難說。

 

目前基本上是買方市場,使用者可有更多的選擇,所以可以要求系統製造商、代印業者及材料供應商說明其產品的優點及缺點。

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