幾年前3D列印技術剛落入凡間進入產業界時,不願意購買3D列印機的公司通常是基於幾個重要的理由,列印速度太慢與材料不符合使用需要。然而這幾年的隨著硬體與材料的研發進度直接地推動了3D列印技術建立了它對產業界的關鍵地位。

這些所謂的高性能材料通常包含了像是工業材料常用的PEAK (polyaryletherketone, 聚芳基醚酮)家族聚合物,這使得工業用戶得以使用3D列印機來列印功能性零件甚至是直接可以應用在工業端的零件。在這之前,這樣的材料應用對於許多FDM機台來說是幾乎是不可能的任務。

我們觀察到在這個產業裡,儘管這些材料早已用在一般的工業製造上,但是不論是化學公司或是材料公司都致力於開發高性能材料,特別是提供給3D列印產業來應用。許多製造3D列印機硬體的公司與材料研發公司締造了緊密的合作關係,試圖能夠將兩者的產品應用做到極大化。正因為硬體與材料相互之間合作拉抬的互利關係,我們才得以看到更多的可能性。我們來看一下材料的分類。

複合材料(Composites)

第一類的高性能材料首推複合材料,基本上是結合熱塑性與強化纖維特性的複合材料,用在3D列印上的這類複合材料通常用到我們常聽到的碳纖、玻纖或克拉維(Kevlar fiber)。這類材料經常製造成顆粒、粉末或是拉成線狀,主要是著眼於可以用來列印功能性物件或是量產品,因為這類材料能夠展現出高強度與高效能,甚至拿來與金屬相比卻又沒有金屬物件所需的昂貴成本與重量。

眼下3D列印面臨的挑戰反而是如何開發出相對條件的硬體來處理這些高性能工程材料,業界有許多公司正在絞盡腦汁試圖在硬體與材料間求得平衡,盡快讓以複合材料為主的 3D列印製造早日問世。附帶一提,開發複合材料的主要廠商有Markforget, Stratasys, EvisionTEC, , Arevo Labs Composites 3D, Impossible Objects等公司。

高效能聚合物(High-performance polymers)

在這類材料裡面最為人知的大概是PAEK (polyaryletherketone)家族了,成員包含了PEEK,  PEKK與PEI。傳統製造業經常用到這類材料,因為這類材料具有幾個非常重要的特色,高強度與耐壓力。PAEK聚合物家族的特徵是熔點高達400度C,也就是耐高溫(防火)。

但這個特點也成為應用在3D列印材料上的最大挑戰。3D列印產業是否能成功開發出搭配的高效能材料,某種程度而言,也會是影響製造業是否能進一步使用3D列印技術的關鍵因素。經常用到PAEK家族材料的製造業如航太(用於商用機)、醫療與汽車產業等等。

值得注意的是,PEEK與PEKK材料也應用在如使用粉末與積層列印技術的3D列印機上。PEEK因為必較不容易受潮,相對於比較適用於FDM技術的3D列印機,但是比起傳統線材需要較高的操作溫度仍然是一大障礙。有一些公司像是Solvay, SABIC, Victrex, 3DXTECH等,正在研發用在FDM機台上的PAEK材料。

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Solvay的3D列印耗材

以粉末形狀呈現的PEEK高效粉末材料則被寄望於能夠拿來列印可以直接投入終端(ens-use)市場的物件。德國大廠EOS是使用PEEK粉末在自家的3D列印機上,另有第三方材料也被證實成功用於EOS機台上。其他專攻這類PAEK粉末材的德國公司有Rauch, Evonik, Oxford Performance Materials。

4D列印材料(4D printed materials)

仍處於開發階段的是之前由MIT發表的4D列印材料,時間是這個新材料的觸媒。這類有形狀記憶功能的材料也有人稱為智慧聚合物材料,經由特定的條件觸動,比如是熱度、濕度或是光線來改變原有的材料形狀。(見圖)

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具有記憶能力的4D材料

 

加法製造(AM, Additive manufacturing)已被證實非常適合用於製造會變形的物件,主要原因是因為4D材料可以提供使用者相當可靠的可控制性,也就是材料可以被準確的預測變形與成型後的形狀。目前有一部分的研究員著手開發這類4D列印材料與應用。這個材料個開發概念起源於MIT self-assembly Lab(由Skylar Tibbits主持),現在也持續在研究這個主題。

幸好,即使這些高階的工程塑料還未能普遍的搭配硬體使用,這幾年市面上還是有一些適合工業用戶使用的材料已經被開發出來並且大量使用在列印樣品製作上,些材料像是尼龍(Nylon)、PC、PP或是TPU等,材料的研究發展在3D列印產業裡絕對非常值得關注。

 

授權中文版編譯聲明

 

 

 

 

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