從Rapid + TCT看3D列印發展現況：材料世界網

李明駿/工研院材化所

前言

3D列印又稱數位製造，為工業4.0中技術革命之一。相較於傳統的減法製造，加法製造對於許多複雜工件的直接製造不僅減少許多耗費材料，也加速了複雜工件的製造時間。最早的3D列印起於高分子材料的熱塑性質以及光起始劑，繼而發展出熱熔擠製成型技術(Fused Deposition Modeling, FDM)以及數位光製造(Digital Light Processing, DLP)的高分子3D列印技術。然而，由於早期3D列印的逐層製造性質以及列印速度緩慢，多停留於產品初期打樣所用以及產品機構評估等。

隨著近年3D列印技術的迅速發展，不僅是製程上的突破，可用材料上的選用也逐漸增多。常見的工程用橡膠、金屬，甚至是陶瓷的3D列印也都逐漸被發展出來。在這項工業4.0的革命當中，3D列印製程的進步與發展不僅改變了製造產業，進而帶來的是一系列上下游產業鏈的發展。3D列印又稱為數位製造的原因在於，可直接將我們常見的3D數位設計圖(Computer Aided Design, CAD)透過3D列印軟體直接利用3D列印機生產製造，使得產品製造更加方便及容易。然而，新製程上下游也跟著蓬勃發展，例如：3D掃描、製程前處理軟體(包括數位影像處理及支撐設計軟體)、後處理機台(打磨、拋光等)、相關材料開發(高分子樹脂配方、金屬及陶瓷粉末製程)以及產品設計軟體(最佳化設計)。3D列印技術的發展並非為了取代傳統製程技術，而是補足傳統技術的缺點，進而達到1加1大於2的效益。

Rapid + TCT展會概況

本次舉辦於底特律Cobo Center的Rapid + TCT即為全球最大的3D列印展覽會及研討會。總計參展內容以及比率約：3D列印機台(40%)、粉末處理機台(10%)、逆向掃描機台(20%)、產品後處理機台(20%)、3D列印前處理軟體(5%)以及設計(5%)相關軟體等3D列印產業中上游至下游技術。展覽廠商高達400多家，登記參觀人數近9,000人，且4天下來約進行了近150場的研討會。為了使參觀者能夠更加熟悉與了解3D列印製造過程，主辦單位SME也有額外一天的3D列印工作坊可額外報名，內容包括3D列印原理及基本操作等實際體驗，同時提供3D列印認證證照。

在3D列印的應用當中，由於3D列印的製程特性，目前多使用於航太業、汽車工業以及醫療產業等高單價之產業。除了前述兩項產業之外，醫療方面的應用也逐漸增加。尤其往年Rapid + TCT舉辦之研討會多著重於3D列印技術與製程的開發與應用，這次特別為醫療相關產業舉辦了MMI(Medical Manufacturing Innovations Program)的醫材應用研討會。除了目前主流應用：術前模擬及手術導板之外，染色技術以及生物材料印製也有相關的發展。

展會亮點

在這次的3D列印展覽中，除了常見的3D列印大廠：HP、Stratasys、EOS或3D System之外，也有不少廠商逐漸崛起。主要特色在於新的3D列印製程或者是實際的產業應用。尤其以Desktop Metal以及Carbon在這次展覽中受到各界密集的關注。Desktop Metal更於本屆中獲得RAPID + TCT 2019 People’s Choice Award的獎項。

1. Desktop Metal

Desktop Metal的亮點在於其將粉末噴膠型技術(Binder Jetting)應用於金屬3D列印製程中。相較於目前主流的選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting, SLM)技術，能夠有更快的列印速度以及更完善的終端產品製造完成度。粉末噴膠型技術並非新創之技術，相較於一般金屬選擇性雷射熔融製程透過直接雷射加熱至欲成形之金屬粉末使其溶融，因此製程時間較長且因逐層加熱導致成品具有內應力的問題，另外需進行加熱製程消除內應力。

Desktop Metal使用的粉末噴膠型技術則將製程分成三個階段。第一階段：在粉末鋪完後，在欲成形位置添加Binder使粉末相連並逐層添加，最後成形產物，如具有特定外型的金屬胚，製程過程與傳統噴墨印表機類似，所以成形速度快上非常多。第二階段：會加入特殊材料達到De-binder的功能。第三階段：將金屬胚送進融爐進行燒結使粉末溶融，成品除了較無內應力的問題之外，強度也更接近金屬塊材。透過此方法製造之成品除表面光滑度會比傳統來的好，且強度表現也會較佳之外，Desktop Metal的機台設計支撐非常好拆且換料容易。另外，透過此製程在許多傳統不易做SLM製程的金屬，如銅等也可達成數位製造(圖一～圖二)。