找商機

取材自digitaleng.news的文章"3D Printing with Composite Materials"，作者是Pamela J. Waterman

幾年前有關複合材料3D列印的文章還寥寥可數，時至今日，相同的主題可能隨處可見，顯示材料及系統發展的最新風潮正吹向更強固且更輕的3D列印零件。

上圖是完工的Shelby Cobra汽車及其建造零件，它是用複合線材在Cincinnati 的大面積疊加製造(BAAM)系統經3D列印而得。

碳纖維強化塑料(CFRPs)製得的零件，因為有高的強度對重量比，所以已有數十年的使用時間，尼龍等聚合物及玻璃纖維等填料亦被廣泛的使用。但是，傳統的複合材料製造法涉及手工疊層且需要後加工（例如密蒸處理及真空成型），這些工作比標準塑料或金屬的加工需要更高的技巧及更貴的成本。因為設計師經常在尋找更強固的材料，以供3D列印/疊加製造(AM)系統使用，也難怪此種材料概念越來越受到重視。

供複合材料3D列印用的硬體

■義大利製造商3ntr推出的A2V2印表機是一種熔融線材製造(FFF)系統，其寬廣的操作溫度範圍（高至410℃）可以列印多種複合線材，包括尼龍/碳及PA66尼龍/玻璃，其列印體積為24.4×13.7×19.2 吋，設定為工業製造機種，Plural Additive Manufacturing是此印表機的美國代理商。

■近年來，Cincinnati Incorporated (CI)積極行銷其大面積疊加製造(BAAM)壓出設備，其大多用於列印經碳纖維強化的ABS塑膠複合材料。CI和Local Motors合作3D列印Strati car及Shelby Cobra的複製品，開啟了社區設計在地製造的先例。

■另一家專精FFF疊加製造技術但訴求中尺寸零件的廠商是Cosine Additive，其AM1系統的列印體積為43×33×35 吋，主要用來製造複合基零件，其強度可以和鋁質模具相當，當纖維含量變高時，複合模具可以達成類似的抗壓屈服及硬度。

上圖是Cosine Additive的中面積疊加製造(MAAM)線材基系統，該公司特別專精以此系統操作高纖維含量複合材料的模塑及成型市場。

■自從在2015年RAPID秀嶄露頭角之後，Impossible Objects持續開發其積層法的複合基疊加製造(CBAM)技術。一種專用的低黏度液體按CAD圖檔噴印至碳纖維、芳綸纖維(Kevlar)、玻璃纖維或其他適當的纖維材料上，再將熱塑性粉末（例如尼龍PA12、高密度聚乙烯、PEEK）澱積及附著在噴濕的區域，再施以壓縮及加熱，讓熱塑料熔解，去除餘料之後即得到完全緻密的零件。雖然目前是代印業者，但Impossible Objects正積極進行其製造機器的認證，訴求以更快的速度建造強固且複雜的AM零件。

上圖是以Impossible Objects的CBAM技術建造而得的碳纖維複合材料摺疊遙控飛機螺旋槳，其表面經過加工處理。

■MarkForged是連續複合纖維線材AM系統的開發商，最近剛推出Mark Two，替代Mark One。此機種可列印碳纖維的最小體積比Mark One小15倍，且列印速度快40%。Mark Two共有三個版本，標準版可以列印碳纖維及玻璃纖維，專業版還可以列印連續芳綸纖維，企業版再增加高強度高溫(HSHT)玻璃纖維。

MarkForged表示Mark Two配備新的列印頭、電子零件、軟體及不銹鋼驅動機制，可選配的遙測監控及其他改良性能，就是要讓客戶在使用這些具挑戰性及磨耗性的複合材料時能夠運作順暢。

上圖是包含球形接頭的高強度零件，它是用MarkForged新的工業級Mark Two系統以連續碳纖維強化的尼龍經3D列印而得。

複合AM材料

許多家公司在開發雷射燒結(LS)用的複合AM材料擁有數十年的經驗，例如3D Systems及EOS。EOS完全持股的子公司Advanced Laser Materials (ALM)也在持續開發雷射燒結用塑料，包括PA 11尼龍（填充碳纖維或玻璃纖維）及PA 12尼龍（填充鋁、玻璃珠、碳纖維、玻璃纖維或礦物）。CRP Technology以其高性能Windform粉末著稱，產品線包括以聚醯胺為基礎的材料，其具有高強度、高剛性、防水性、耐水性及/或可撓性。在光固化(SLA)系統方面，DSMSomos的PerFORM是一種陶瓷塑料樹脂，可以製得剛性、灰白色耐高溫零件，適合射出成型及風洞測試等應用。

另外，在熔融線材製造(FFF)部分，Arevo Labs不但已經開發出一系列專利複合熱塑性線材，並且還有好幾個計畫正在進行，目前上市的產品有Katevo（高強度PEEK/碳纖維）、Quantevo（PAEK/碳纖維或奈米碳管）以及Xanevo（PARA/玻璃），該公司也在電子業看到商機，因為以Quantevo及奈米碳管製得的測試模具可以提供靜電放電保護；在醫療領域方面，以Xanevo製得的零件因為具有剛性，可以作為金屬手術導架經濟、一次性用途的替代物。

Arevo Labs表示其連續纖維基複合材料結合軟體可以3D列印出強度和金屬相當的大型航太及工業零件，且重量僅有金屬的1/3。

上圖是以Arevo Labs複合材料經3D列印得到的翼尖(wingtip)

■Avante Technology前幾年推出其工程級AM材料的產品FilaOne GREEN先進複合線材，主攻桌上型3D印表機。該公司宣稱此材料比ABS及PLA更為強固且回彈性更佳，列印時比ABS或尼龍更為安全及容易（不會釋出有害氣體），並且不受水分及濕氣的影響。FilaOne GREEN的列印溫度為210℃，且掩埋時可分解。

該公司的另一項產品FilaOne GRAY是堅韌但具有可撓性的線材，亦為親油性且列印溫度為220℃，並具有高抗化學性。這種奈米碳管強化材料的特性在於其同時具有高抗彎強度及高回彈性，在荷重負載下回復時，不太會產生裂紋或破裂。該公司也推出適用其各式線材的列印床附著板及Emendo STL檔案修復/驗證軟體。

■Graphene 3D Lab的3D列印用複合材料極受好評，其石墨烯線材最讓人印象深刻的應用就是供Ideum智慧桌(smart table)用的電容式觸摸互動裝置。該公司最近推出PLA/鐵複合線材，可被磁性吸引，適合製造開關、感知器及制動器。另外，Graphene 3D Lab有幾個部門致力於以下一代3D印表機為目標的先進科技計畫。該公司除了靜態物件外，亦涉足3D列印電子零件、光源、電池等，鑑於未來的3D印表機勢必結合各種不同的技術，因此其產品也不以線材為限。

自成一格的公司

■Amedica是一家醫療植入物公司，其氮化矽製成的脊髓融合裝置在2008年取得美國FDA 510(k)的許可證，該公司的第一期目標是用3D製造將此漿體狀態的專利複合陶瓷材料製成其他植入物（例如脊椎、膝蓋、髖關節等），第二期目標是以更高的解析度產生零件，讓材料可以3D列印成更精細的產品，例如牙科植入物，第三期目標是改善製程，生產多孔性氮化矽，拓展整形外科以外的應用。該公司對未來3D列印及客製重建外科所需的能夠承受負載、對骨骼友善且抗菌的可吸收模架，保持樂觀的看法。

■Aeroprobe在經過9年的默默研發之後，其疊加摩擦攪拌澱積技術終於步入商業化階段。該公司表示此技術大約30年前開始發展，它和其他的固態法可以得到類似的結果。Aeroprobe系統有兩個進料斗，可以高澱積速率建立極大型的零件。該公司已研究許多基礎金屬（例如，鎂、鋁、鋼及鎳合金），以及固態或粉末強化材料（例如，氮化矽、鎢、鉭、鈮）。因為Aeroprobe系統是開放系統，該公司可和客戶合作以求得強度及延展性的最適化。