近年來3D列印設備以及材料不斷推陳出新，創造了明顯的市場成長，並逐漸聚焦在幾個主要潛力領域，如生醫、汽車、航太以及民生應用。投入此領域的廠商不再僅限於列印設備商，原料商與下游應用端也看好未來市場的成長性紛紛投入研發，這將成為市場成長的動力來源。由於粉床列印技術具有多元材料潛力，並且列印成品具有機械強度優勢，預期在10年內可望成為市占最大的列印技術。因此，本文最終聚焦粉體材料技術規格，介紹高分子粉體研發指標。
本文將從以下大綱，介紹目前高分子3D列印市場現況，也分析主要3D列印技術的成型原理。
‧塑料3D列印市場需求
1. 生醫應用
2. 汽車與航太產業
3. 民生消費
‧現行高分子列印技術
1. 光固化聚合(SLA)
2. 連續液面生產(CLIP)
3. 熔融沉積成型(FDM)
4. 選擇性雷射燒結(SLS)
5. 多噴頭融合(MJF)
‧3D列印粉體材料需求
1. 熱性質(Thermal Properties)
2. 光學特性(Optical Properties)
3. 粉體粒徑(Particle Size)
4. 粉體流動性(Powder Flowability)
【內文精選】
塑料3D列印市場需求
在過去十年間，塑料3D列印技術在工業的應用大幅成長，包含列印設備、材料的市場規模，在過去3年內平均成長率更高達33%。主要是受惠於列印相關早期專利陸續過期，許多新進廠商或新創公司得以進入產業，設備以及材料得以不斷推陳出新，創造了明顯的市場成長；並逐漸聚焦在幾個主要潛力領域，如生醫、汽車、航太以及民生應用，在探詢新技術以及新應用的過程中也同時奠定成長的基礎，目前技術逐漸成熟並滲透到各式工業應用。根據SmarTech分析，未來市場將更進一步地快速擴展，2027年整體市場將大幅提升到160億美元。市場技術板塊也會有所變動，隨著應用端對塑料強度以及列印速度的需求，市占最大的技術會由現行的FDM轉變為粉床3D列印(Powder Bed Fusion)系統，如圖一。以最終應用市場的觀點，未來十年間我們可以聚焦在四個主要領域，分別為生醫、車用、航太以及民生消費應用。
圖一、未來高分子3D列印技術板塊變動趨勢
現行高分子列印技術
3D列印又稱為積層製造(Additive Manufacturing; AM)，透過逐步添加材料的方式製造三維物件。高分子積層製造所使用的原料型態主要有高分子粉末(Polymer Powder)、液態樹脂(Liquid Resin)以及高分子線材(Polymer Filament)，並結合不同製造技術來生產高分子物件。接下來將介紹幾個主要的高分子3D列印技術(3D Printing with Polymer)成型原理。我們將這些技術名稱以及縮寫整理在表一。
3. 熔融沉積成型(FDM)
熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling; FDM)技術是利用加熱的方式熔化線狀的熱塑性高分子材料，使其形成半熔融狀態，將此材料均勻地擠出至平台上後，其會逐漸冷卻並回復成固態，如此反覆進行堆疊作業，即可列印出所需的立體成品，製程原理如圖七所示。因為此列印技術的相關建置門檻與成本較低，因此成為目前市場最受歡迎的3D列印技術，約占所有3D列印技術的60%以上。此技術使用的材料有ABS、PLA（聚乳酸）、PC、Nylon（尼龍）及PEEK等熱塑性高分子材料，其中目前較常被使用的為ABS與PLA。
圖七、熔融沉積成型(FDM)技術製程示意圖
3D列印粉體材料需求
高分子粉床系統3D列印技術主要包含SLS以及MJF兩種，一般預期憑藉著優異的產品強度、相對廣泛的材料選擇性、快速列印的進展以及彩色列印願景，在10年內粉床系統3D列印將取代FDM成為高分子領域的主要技術。我們都知道，在3D列印領域，設備能力與關鍵材料的掌握程度是建立技術壁壘的核心，粉床列印是發展許久的技術，早期設備專利逐一過期，材料與設備研發逐漸脫鉤，技術不再綁定於大型設備商身上，投入特殊粉體材料研發的下游應用廠商與上游原料商日漸增加，無非是想藉由自身產品結合3D列印優勢，以下世代產品取得市場領導地位。本文最後將焦點集中在列印粉體原料需求規格剖析，使讀者可以對粉體材料有初步的了解。
1. 熱性質(Thermal Properties)
任何對高分子加工領域了解的人必然知道熱性質是製程成敗關鍵，高分子3D列印自然必須考量熱性質。前面提到在製程中粉床必須加熱保溫，避免過度的形變，粉床溫度的選擇依據就是參考材料熱性質。一般來說會將溫度設定在...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：李治宏、黎彥成／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」388期，更多資料請見下方附檔。