金屬積層製造技術應用發展：材料世界網

全球金屬3D列印市場應用在過去的幾年變得越來越廣泛，現今一些公司已經將金屬3D列印應用於日常生活物品，最常見的是醫療和牙科植入物，因配件很容易因應個人化需求製作，被醫療人員認為是最佳的選擇；另外，市場上應用較多的部分則是民生珠寶業。而航空工業也越來越依賴金屬3D列印技術，下一個將大量使用金屬3D列印的產業應是汽車產業。如果可以有效地解決3D列印金屬材料的量產瓶頸問題，金屬列印技術在未來的3D列印行業中，勢必將占據主流地位並且快速地成長。

本文將從以下大綱，介紹幾種新型金屬積層製造技術及其相關製品之發展現況。

‧Desktop Metal

　1. Studio System

　2. Production System

　3. Single Pass Jetting (SPJ)金屬列印機制原理

‧Markforged

　1. 17-4 PH & 316L (Beta)

　2. Ti-6Al-4V

　3. INCONEL Alloy 625

‧Digital Metal

　1. Digital Metal技術製程機制

　2. Digital Metal製程完成品材料表面特性

‧澳洲CSIRO

‧總結

【內文精選】

目前適合積層製造(Additive Manufacturing; AM)之材料種類繁多，包括塑料、金屬、陶瓷和複合材料等，這些材料分別對應不同應用，用途包括民生消費品、工業產品、醫療產品和航空軍事應用等。積層製造業市場預估將從2016年的61億美元增長到2022年約262億美元(Wohlers Associates, Inc.)，該行業於2018年之全球市場則將近95億美元（圖一(a)、(b)）。

圖一、金屬積層製造全球市場

根據Wohlers Associates, Inc. 2017報告，生產金屬積層製造系統主要是由幾家歐洲公司所提供，包括Arcam、Concept Laser、EOS、ReaLizer、Sisma、SLM Solutions和Trumpf等公司（圖二）。

然而，在金屬3D列印市場真正量產普及化之前，仍需要克服一些有關生產上的主要障礙。高成本製作費和生產過程耗時、低生產率問題是幾個主要瓶頸。在過去幾年中，國外漸出現了一些新創科技公司和新創技術，這些公司甚至改變了傳統金屬3D列印的整體格局。雖然金屬3D列印的主要市場並不是在消費者層面，但金屬列印技術已經取得了很大的進展，慢慢被中小型企業接受而應用到民生消費市場。以下介紹幾個國外專注金屬3D列印的新創公司與其相關的金屬積層製造技術。

Desktop Metal

總部位於美國馬薩諸塞州的3D列印新創公司Desktop Metal，很可能是金屬3D列印市場中最大的遊戲改變者。該公司目前推出了兩款金屬3D列印設備，分別稱為工作室系統(Studio System)和生產系統(Production System)。硬件設備串聯使得金屬積層製造更加經濟實惠，並且能夠更快速地大量生產金屬零件。

1. Studio System

Studio System是一款桌面大小的小型金屬3D列印系統，採用金屬沉積擠出製程技術。與FDM 3D列印類似，這款金屬3D列印機採用MIM金屬粉體原料，製程中再由聚合物混合黏合。3D列印完成後，將物體放置在Desktop Metal特製燒結爐中，溫度高達1,400度，熔化聚合物並融合留下之金屬部件。因設備體積小巧不占空間，使Studio System系統成為一種適用於桌面和辦公室的小型金屬3D列印製作系統。此套金屬3D列印系統可以通過工業安全檢查而存放於辦公室內，因為它沒有像粉體需要的典型工安考慮因素。製程是通過FDM列印，然後燒結除去聚合物，僅留下金屬部分。

Digital Metal

Digital Metal是瑞典金屬粉末生產商Höganäs的子公司。Digital Metal公布了世界上第一台專門製造小型金屬物體的高精度噴射黏合劑積層製造系統。這款名為DM P2500的金屬3D列印系統（圖十一），可生產體積極小且複雜的金屬部件。Digital Metal的設備包括具有2,500 cm3的列印體積，並且可以100 cc/h的速度列印42 μm厚層。這款金屬3D列印機具有35 μm的解析度，而且亦無需施作支撐結構層。Digital Metal主要是來自Höganäs AB開發的高精度黏合劑噴射添加劑製造技術，該公司設備正推廣至全球各地區域。此系統具高生產率、光滑的表面品質和高解析率，該公司目前已生產了超過300,000種高質量的零件產品。

1. Digital Metal技術製程機制

從CAD繪圖設計開始，主要使用金屬粉末和高精度黏合劑噴射列印，製作原理亦是一層一層地建構，如圖十二所示。直至3D列印建構完成後，再燒結物體以獲得高強度及高解析率的金屬製品（圖十三）。如今，Digital Metal可提供列印不鏽鋼或鈦零件製品，該公司亦不斷開發其他合金材料。表四展示Digital Metal列印不同金屬的機械性能…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。