原料技術發展 決定3D列印未來

2015/05/04-魏淑芳  

DIGITIMES企劃

原料是3D列印的核心技術之一，目前塑膠、金屬、陶瓷是3大主流，不過放眼未來，多元材料的列印將成必然，不過多元材料需要強大的材料科學背景，方能列印出最佳化產品。

3D列印的各項專利在2013、2014兩年陸續到期後，吸引了大量廠商投入，也引起各界的熱烈討論，美國總統歐巴馬更2013年發表的國情咨文中提到，希望藉由3D列印重拾美國製造業風光，不過一直以來，3D列印的探討多集中於軟硬兩端的技術與未來應用創意，對原料的討論相對較少，但原料是3D列印的核心之一，台灣長期以來在材料科技部分的技術投注較少，不過未來若要發展3D列印，這部分仍要持續關注。

放大

塑膠仍是3D列印的主流原料，不過隨著技術發展，多元材料仍會是未來趨勢。DIGITIMES攝




塑膠仍是3D列印主流

就目前發展來看，3D列印的主要原料是塑膠，在現實生活中，塑膠向來是低價的代名詞，不過3D列印所使用的塑膠原料並不便宜，這使得塑膠列印的材料使用成為整體成本中相當大的支出比例，這也使得3D列印設備廠商的經營模式不再只單純依靠列表機的販售來獲取利潤。

大部分的3D印表機廠商都會研發自己專用的列印塑料，藉由材料的持續販售，確保企業經營的長期獲利，這類作法與現行的平面印表機一樣，其印表機的售價都相當便宜，廠商的主要獲利來源都是後續的墨水販售，只是平面印表機廠商對使用者的限制是墨水匣的設計，而3D列印廠商是透過材料材質與印表機的配合。

廠商各自研發3D列印原料，使其無法相容的作法，對3D列印的發展影響有好有壞，好處是廠商將熱衷於投資研發高性能而且可獲利的原料，缺點則是使用者擔心製造商的保固維修服務，而不願嘗試其他廉價的新材料。

把這兩項共存的優缺點放在一起可以發現，廠商綁住原料的作法，往好處看是在利之所趨下，廠商會自行創新，但缺點卻是創新只會於廠商端發生，整體市場的創意創新將會受限。

再回到材料本身，塑膠是現在3D列印最常用的材料，工程師將其分為熱塑型塑膠與熱固型聚合物兩類，這兩類原料的差別在於材質的轉化，熱塑型塑膠受熱後會融化，使之容易塑型，但其內部結構不會改變，也就是說再加熱融化後，這材料還是可再反覆使用，熱固型聚合物則在加熱固化後，內部結構會改變，因此是單次使用。

目前多數以列印頭沈積原料設計的消費性3D印表機，使用的ABS原料是屬於熱塑型(與樂高玩具相同)，立體光雕式的印表機(Stereolithography；SL)也使用熱塑性粉末，至於雷射燒結(Laser sintering；LS)則使用光敏熱固性聚合物。

除了這兩種外，部分3D列印機也使用其他類別的塑膠，像是軟塑膠，軟塑膠的別名是「彈性體」，顧名思義，這種原料具有一定彈性能力，矽樹脂就屬於此類，過去矽樹脂可從注射器擠壓出來，再以風乾成形，3D列印蔚為風潮後，有廠商將類似的材料設計為可熱融，作為列印的材料之一。


金屬與陶瓷應用多元

相對於塑膠的早期運用，金屬則是在3D列印發展較後期才出現，早期仍以塑膠為主原料的時代，3D列印不被視為機器製造的技術，直到金屬列印技術被開發出來，此一看法才逐漸扭轉。

目前金屬列印有兩種方法，一種是先在金屬粉末上塗敷熱敏塑膠黏合劑，再用雷射使之選擇性的燒熔黏合，成形後在於熱爐中燒解塑膠黏合劑，另一種則是透過列印噴頭擠出溶解金屬，依照設計檔移動噴射頭，使噴出之金屬精準成形。

過去消費性3D印表機只能使用塑膠材質，不過隨著印表機與原料技術的進步，目前已有部分消費用機台可使用特殊材質的原料，像是將金屬粉末與凝膠混合，至於純金屬的3D印表機，目前的價格仍然偏高，並不屬於消費端層次。

除了塑膠與金屬外，陶瓷與玻璃也是3D列印原料之一，不過這兩種原料的應用都有其侷限，陶瓷列印目前有兩種方式，一種是陶瓷粉末是以列印頭噴灑加入加凝結劑或加光硬化樹脂的方式，另一種則是列印頭擠出泥條，形成粗胚後再進爐燒製，不管是那一種方式，陶瓷列印都需要2階段以上的製程，列印後再施釉窯燒，而且容易有變形及膨脹係數控制的問題。

目前陶瓷列印的最主要應用是在醫療領域，用以製作如假牙、關節等人體部位，陶瓷列印在此處的應用是先以斷層掃描出齒模或骨骼形狀，再以3D列印出陶瓷植入物，相較於現有的材質，陶瓷的隙孔較少，因此其堅硬度要高出3～5倍，除了減少植入後的磨損外，也降低了植入手術過程中發生微型碎片的風險，縮小術後發炎的機率。

除醫療用途外，近年來也開始有藝術家進行陶瓷列印創作，在陶瓷粉末中加入色粉，製作出藝術品，2014年的臺灣國際陶藝雙年展中，就有比利時設計團隊Unfold工作室展出以3D列印製作的陶瓷作品，Unfold是採用泥條擠壓的列印方式，形成粗胚後再窯燒。

至於玻璃在3D列印中的使用較少，主要原因在於玻璃有疏水性，也就是與水有相斥性，疏水性使玻璃難以黏附，而且玻璃粉末在熱源下的反應不易預測，目前3D列印在玻璃方面的研究不多，較知名的是Washington大學團隊實驗中成功利用再生玻璃列印出作品，不過在商業應用部分，仍不像其他原料可有多元應用，目前玻璃在3D列印的應用仍以藝術品與珠寶首飾為主。


多元材料將是3D列印未來

就發展現況來看，3D列印原料使用雖日漸多元，不過仍僅止於單一材料的使用，因此所列印出來的產品不是單一零件，就是材質單一的產品，而仔細觀察生活週邊的產品，絕大多數都由多樣式材質組裝而成，例如水壺，就以容易導熱的金屬製成壺身，不易導熱的橡塑膠製成把手。

而現今若要以3D列印出水壺，就需要兩部列印機作業，1部以金屬列印壺身，1部用橡塑膠做出把手，兩者再行組合，不過隨著技術的進步，現在已有廠商著手研發多元材料的3D印表機。

不久前被3D列印大廠Stratasys收購的以色列廠商Object，之前就開始研發多元材料的3D列表機，而與此一領域的無限想像創意應用一樣，3D列印的多元材料應用，也不會被侷限在單一層面的使用，Object的技術長Eduardo Napadensky就曾指出，多材料列印不僅要混合材料，還要創造出全新的材料，像是輕量與強度兼具，或是強度與延展性俱佳的材質。

不管是材料混合或是新材料的發生，對現今的3D列印業者來說，都是另一個全新範疇，而此範疇的專業需求，甚至遠高於所有的3D列印技術，然而3D列印要成為各國政府與廠商希望中的「製造業未來」，這部分的研發勢在必行，台灣以製造業作為經濟發展核心，面對此一「製造業未來」的技術，必須積極參與布局，才能繼續保有優勢，不過台灣的技術向來長於IT，在材料科學方面較為短缺，未來除必須加強這部分的研發外，還須整合IT與材料兩端技術，若未能提早切入，未來將優勢盡失。