高分子3D列印材料及製程技術介紹：材料世界網

3D列印市場回顧與展望
3D列印(3D Printing)技術又稱為「加法製造」或是「積層製造」技術，其原理相當簡單，可以想像成目前使用的印表機3D版技術。舉例來說，若將目前的印表機墨水替換成噴出後可硬化固定的材質，再把噴頭從原本的2維移動，改為3維移動（加入Z軸的噴墨高度），就成為目前3D印表機的基礎原理。根據Wohlers的統計報告指出（圖一），2015年全球3D列印市場達51.6億美元，未來幾年成長幅度還可保持在兩位數，若能持續維持下去，估計2020年可突破達到100億美元以上的產值。此外，在材料應用上，Wohlers的統計報告（圖二）也說明了高分子材料在應用上仍占多數，並且有越來越多材料商投入在此領域的開發。

圖一、全球3D列印產值統計與預測

高分子3D列印材料及製程介紹
高分子材料於3D列印機台主要有兩個機制，一種是熱塑性(Thermoplastic)系統，另一種則是光聚合(Photopolymer)系統，以下將分別介紹這兩種材料系統在3D列印的發展及應用。
1. 熱塑性系統
(2) 選擇性雷射燒結與HP Multi Jet Fusion
選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering; SLS)所使用的材料為粉末狀，將粉末加熱至熔融狀態進行塑型。其製作過程是將粉末從供粉槽經滾輪鋪於工作檯上，一開始先將材料預熱到接近材料的熔點，經由雷射光束照射於指定區塊使其升溫至熔融狀態，再燒結成所需的形體。由於目前選擇性雷射燒結需對粉體加熱溫度有良好的控制，使欲成型區塊材料能夠得到足夠的熔融外，未成型區域要能維持未熔融狀態，所以在製程時間相對較長。HP近期將推出一款能快速生產且有良好機械強度的MJF(Multi Jet Fusion)3D列印機台，其設備的製程示意圖如圖三所示。

圖三、HP Multi Jet Fusion設備製程示意圖

2. 光聚合系統
根據BIS Research的研究報告指出，在2016年光聚合高分子材料的產值約占3D列印塑膠材料市場的65%，且預估2017~2023年的年均複合成長率約為21.5%。其應用範圍涵蓋健康照護、消費性產業、汽車工業、時尚流行產業、國防太空、建築、教育等領域，在3D列印積層製造技術的發展中扮演舉足輕重的角色。

光聚合高分子主要應用於SLA(Stereolithography)、DLP(Digital Light Processing)、CLIP(Continuous Liquid Interface Production)與PolyJet等3D列印技術。光聚合高分子材料依照光聚合反應機制的不同，主要可分為自由基型與陽離子型二種材料配方系統。自由基型誘發聚合的配方，最常使用的單體/寡聚合物系統為丙烯酸酯樹脂(Acrylate)系，而陽離子型則主要為環氧樹脂(Epoxy)系，此兩種配方系統的基本特性比較如表一。

工研院高分子系統3D列印現有能量
2. 光固化材料
工研院近來在光固化3D列印樹脂上的發展，除配合相關計畫開發了具有Gradient效果之材料列印技術外，亦針對目前3D列印技術工業化需求，開發了數種不同的樹脂材料。如光固化高韌性材料（表七），其利用高剛性單體或寡聚合物的搭配，調控分子特性，使其分子間產生不同的化學交聯、氫鍵作用；或是產生互穿網狀結構的高分子結構(IPN)與半互穿結構(Semi-IPN)等；抑或是將無機奈米粒子導入光固化的樹脂材料中，藉由3D列印方式，來達到市售產品所缺乏的高韌性與高強度的光固化材料。

表七、工研院材化所開發3D列印用之光固化高韌性材料特性表