取材自engineering.com的文章"6 Next Gen 3D Printing Technologies That Might Change Everything",作者是Michael Molitch-Hou

3D列印的問世已經超過30年,剛開始發展的很慢,直到2009年左右,低價開放源3D印表機再度燃起大眾興趣,不但吸引大量媒體的目光,連工業疊加製造(AM)技術也受惠良多。

除了現有的工業AM機器製造商將其技術推展至極致外,許多新興公司也挾其潛力十足的革命性3D列印技術,以更多元的材料及更快的速度步上舞臺。

本文精選20152016年最耀眼的63D列印技術。

CarbonCLIP 3D列印

雖然這兩年很少有新的3D列印技術問世,但是Carbon的連續液體介面製造法(CLIP)絕對可以作為下世代3D列印的典範。CLIP最出色的地方就是能夠克服迄今3D列印的最大缺點-速度。

Carbon能夠在10分鐘內3D列印完整的物件,靠的是LED固化裝置與樹脂槽之間的透氧窗(oxygen-permeable window)。物件在列印時就像從樹脂槽長出來一樣,並且不會有其他3D列印法出現的層間線。

這家矽谷的新興公司收到約2億美金的奧援,包括來自GE8千萬美元,這些投資就是看上這項技術具有快速3D列印終端零件的能力。

雖然CLIP是兩階段光固化製程,但製得物件的機械特性和射出成型者相當。另外,CLIP法不會分層的特性可使製得的物件具有等軸強度,也就是各個方向的強度都一樣。第二個固化階段是進一步活化其他性質,例如讓剛度及撓度變得更大。

目前已有許多大公司使用CLIP法進行零件的雛型化,甚至製造一些終端零件。例如嬌生公司(Johnson & Johnson)雖然尚未明確揭露如何使用這項技術,但暗示可能會用於客製醫療裝置;BMW用它來客製MINI Coopers的銘版及其他車種零件的雛型化;FordDelphi Automotive則用於零件的雛型化。

Xjet

以色列公司XjetRAPID 2016第一次公開展示其奈米顆粒噴印(NPJ)技術。NPJ先將奈米顆粒金屬墨水從壓電列印頭澱積至基材上,然後在建造室加熱使液體成分蒸發,並讓金屬顆粒融合,最後在烘箱中進一步燒結成完全緻密的金屬零件。

這個方法最讓人讚嘆的地方是其具有史無前例的1微米層解析度,並且所使用的特殊支撐材料在後續燒結過程中可以完全燒除,因此列印的零件可以具有極為複雜的幾何形狀,讓其他3D金屬列印技術難以望其項背。

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- Xjet平台以3D列印得到的不銹鋼及銀的零件

在其他的3D金屬列印技術(例如定位能量澱積或選擇性燒結)中,因應設計所建立的支撐材料必須一起印出,並在後續製程用CNC機切除。使用NPJ法除了燒結外,不需要額外的後加工製程,並且單一次列印就可以製得移動件及金屬零件,例如互鎖齒輪。

另外,這項技術也非常有變通性,可用於3D列印陶瓷零件。

HP的多重噴印融合(MJF)

2016年是3D列印史值得記念的一年,因為印表機巨擘HP挾其多重噴印融合(MJF)技術正式跨入3D列印業。此技術是將黏著劑及細節劑澱積在一層層的粉末上,再用紅外線實施融合。

這項技術可以用比選擇性燒結(SLS)10倍的速度製得尼龍零件。因為使用粉末床,這項技術能夠列印和SLS相同的幾何複雜度,但強度更高。

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- MJF技術3D列印的全彩零件

HP已經展示MJF一些未來的應用,並且後續將正式推出。MJF藉由將更多的墨水導入製程,得以全彩進行3D列印,這是SLS無法達到的境界,MJF甚至能列印功能性材料。在RAPID 2016HP展示MJF具有3D列印內嵌電路零件的能力。藉由3D列印導電墨水,MJF可以一次列印得到完整功能的應力感測器。

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- 3D列印製得的具有隱藏浮水印的齒輪

HP團隊展示的應用實例還包括緻密且精細的陶瓷件;具有內建AR CODE3D列印彩色零件;用於列印UV可讀取符號的具有不可視量子點的零件。

碳纖維3D列印

雖然目前市面上只有一家公司提供連續碳纖維強化,但碳纖維的3D列印確實開始蓬勃發展。Markforged2014年以其連續線材製造(CFF)技術開啟此一趨勢。CFF能夠在列印熱塑性物件的時候,摻入連續碳纖維,製得的物件質輕強固,是其他方法無法比擬的。

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- Mark XMarkforged公司較大且更精準的印表機,具有內建品質管制機制

Markforged即將面臨來自工業大咖及新興公司的劇烈競爭。以光致聚合物3D印表機及生物印表機聞名的EnvisionTEC,在RAPID 2016推出可以3D列印碳纖維強化材料的大型機器,著實在業界投下震撼彈。

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- EnvisionTEC3D印表機SLCOM 1可以3D列印大型複合零件

EnvisionTEC的方法稱為選擇性積層複合物件製造(SLCOM)技術,其使用預浸過熱塑料(例如聚醚酮酮或尼龍)的整卷編織強化材料(例如碳纖維或玻璃纖維)作為進料,然後在列印室中,以加熱滾筒將一層層的材料實施壓製,並將各層的熱塑性基質融合在一起。噴印頭同時澱積蠟及黏著劑,配備超音波放射器的碳刃再將蠟質材料切除。印物完成後自列印室取出,剝除多餘的材料,即得到成品。

SLCOM 1是第一台使用SLCOM技術進行3D列印的機器,並且能夠列印尺寸高達610 mm x 762 mm x 610 mm,重量高達226.8 kg的大型零件,推出時間為2016年第四季,售價約1百萬美金。

另一家新興公司Impossible Objects有它自己3D列印碳纖維及其他強化材料的方法。該公司的複合基疊加製造(composite-based additive manufacturing )技術係在強化材料(例如碳纖維)的基材上澱積液體,再將熱塑性粉末溢過基材,讓粉末附著在液體,然後將多餘的粉末吹除或真空吸除,留下僅附著至代表個別物件層區域的熱塑料。

對每一張基材重複實施此步驟,再將各張基材堆疊在一起,施以壓製並在烘箱中將熱塑料融合,多餘的材料以化學浴或噴砂去除,即得到所要的列印物件。

Stratasys也有碳纖維3D印表機,稱為3D機器人複合示範機,它是和西門子共同開發的成果,其使用6-軸機械手臂在2-軸旋轉台上3D列印碳纖維-塑料複合材料,此種8-軸運動的方式幾乎可以由任何角度進行3D列印,因而能製得各軸性質相同的物件。

為什麼以上廠商都對碳纖維有興趣?這是因為碳纖維和強度相同的金屬對應物(例如鈦)相較,其重量輕多了;但是目前能將碳纖維強化導入物件的方法需要大量勞力且價格昂貴,但碳纖維3D列印可以自動化方式生產客製,一次性或少批量零件,並且成本僅為傳統方法的幾分之一。

大型混合式3D印表機

大型混合式3D印表機也在起飛。自從機器製造商Cincinnati Inc與橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory,縮寫為ORNL)結盟開發大面積疊加製造(BAAM) 3D印表機之後,多家CNC生產廠商也挾其大型壓出3D列印技術跳進市場,事實上ORNL也和其中幾家廠商有合作關係。

雖然BAAM不具內建的CNC路由器,因此無法精細調整熱塑料-碳纖維複合印物,但ORNL的下一台機器就不一樣了。ORNLIngersoll Machine Tools合作開發的寬且高疊加製造(WHAM)技術可以3D列印高達23呎寬 x 10呎高 x 46呎長的大型物件。在此製程中,WHAM可以利用CNC路由器轉換工具頭以切除塑膠,甚至可以轉換成碳纖維疊層工具,以舖放碳纖維強化材料。

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- WHAM 3D 印表機

CNC製造商Thermwood Corporation正在開發它自己的巨型混合製造技術,稱為大型疊加製造 (LSAM) 系統。LSAM 的特色在於其具有高能壓出機,能在靜態基材上3D列印,同時第二台CNC龍門架可以將列印物件修整至最後形狀。LSAM可以列印10呎寬 x 10呎高的物件,但列印床可以延伸100呎或以上。

這些平台的共同特色是具有高能壓出機,其能夠提供3D列印大型物件所需要的快速澱積速率。

電子產品3D列印

3D列印的終極目標就是一次列印即能夠得到功能完備的物件,包括複雜的電子產品。目前市面上只有少數產品能夠達成此一目標,包括Voxel8Developer套組及Nano DimensionDragonFly 2020

Voxel8的系統可以3D列印具有導電線路的塑料,而DragonFly 2020主要用於製造印刷電路板 (PCBs)Voxel8的系統使用蠕動印刷頭噴印導電墨水,塑料壓出機則將塑膠線材印刷在基材上,該系統任何時間都可以停止,以利手工插入電晶體或微晶片等組件。

另一方面,DragonFly 2020則使用噴墨法一層層噴印導電材料(例如奈米銀顆粒)及特殊的光致聚合物,直到PCB列印完成,然後就可以插入電晶體及電阻器等電子零件,測試PCB樣板是否功能正常。因為噴墨法具有較高的靈活性,Nano Dimension也開始用DragonFly系統測試一些獨特的材料,例如銅墨水及幹細胞。最近,該公司和歐洲機能紡織品廠合作,在經過處理的紡織品上3D列印導電線路。

以上這些公司的成就展現3D列印業從此將越來越精彩。雖然這些技術目前尚處於初期階段,但隨著經驗的累積及技術的演進,它們必將使3D列印變得更好、更快及更強固。

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