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3D列印技術應用於複合材料元件製程之趨勢發展 [趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2021-09-29 10:00
作者:邱琬雯/工研院

一、複合材料應用市場趨勢

複合材料具有質量輕、高剛性、高強度、耐腐蝕等優點,因而被廣泛應用,如運動器材、船舶、飛具等。尤其在現今對於節能需求愈來愈高,大型工業生產設備、機具、交通運輸工具走向大型輕量化趨勢,同時須符合剛性、強度規格,因此複合材料應用結構件走向大型化、輕量化,以符合效能提升、節能之需求。尤其在交通運輸工具電動化市場,電池效率未臻至善,結構輕量化為必要之趨勢,複合材料應用市場預估將逐年成長。

二、3D列印技術導入複合材料製程趨勢

目前現行複合材料製程有四種,分別為Hand Lay-up(手積層法)、VaRTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding, 真空灌注法)、Hot Press(熱壓成形法)、Autoclave(壓力釜)。除了第一種方法,其他三種製程設備與模具之投資成本高,同時在生產產能方面受限。因此複合材料元件雖然具備優異的剛性、強度特性,但一直存在著產能有限及製造成本高之問題。以汽車零件來看,碳纖維複合材料之製造加工成本相較於鋼鐵、鋁材沖壓件可高出10倍之多。

三、3D列印複合材料技術發展狀況

2017年,美國能源部之研究機構Lawrence Livermore National Laboratory(簡稱LLNL)宣布成功應用3D列印技術列印航空級碳纖維複合材料,為第一個實現該技術的研究實驗室。LLNL採用Direct Ink Writing(DIW)3D列印製程印製複雜的3D結構,該印製材料可在幾秒鐘內固化。同時LLNL使用實驗室的高性能計算能力開發了碳纖維細絲流動的準確模型,可以準確預測碳纖維流動,確定最佳纖維長度和最佳性能,進一步控制材料及製程參數,以得到最佳化之碳纖維分佈,如此可確保元件之強度及品質。未來將進一步應用在導電材料及高絕緣材料之元件製作。這項進展為碳纖維複合材料開啟起了另一項更廣大的應用。

四、結論與建議

隨著電動車產業之發展趨勢,因應節能之輕量化需求愈來愈高。以複合材料零件取代金屬零件,為可預見之趨勢。但現行複合材料製程量產效益低,產品成本高。採用3D列印製程製作複合材料零件,零件外型設計自由彈性、不需要模具,依需求訂製生產。同時複合材料之強度與金屬相近,可達到高剛性、高強度,同時可輕量化。而複合材料3D列印設備相較金屬列印設備,成本較低,亦不需嚴格控制製程環境。因此全球3D列印廠商紛紛投入,亦吸引許多新創廠商加入此項技術開發。

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更新日期:2020-04-28

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