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產業技術評析

3D列印碳纖維發展趨勢分析
發表日期:2019-07-24
作者:葉錦清(工研院)
摘要:
碳纖維可以提供與金屬相當的強度,但其重量卻非常輕,在需要考慮重量與強度比的行業,如航太、汽車、船舶等運輸行業中有廣泛應用的潛力。傳統工藝製造碳纖維過程十分複雜並需要大量勞動力,採用3D列印技術無疑會使碳纖維複合材料的製造更為便捷,同時大大減少人工投入。

全文:

一、碳纖維與3D列印的結合
 

根據創投界新寵”Markforged”的描述,3D列印碳纖維可能是繼3D列印金屬之後,目前最受追捧的積層製造技術。由知名的3D列印媒體”3dprintingindustry.com”的報導得知,截至2019年3月,該公司已經藉由融資募集到了總計約8,200萬美元的資金,而投資的廠商包含西門子、微軟、保時捷等。
 

碳纖維是高強度、高韌性新型纖維材料,是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌,再經碳化及石墨化處理而得到的。這種材料質量比鋁還輕,但強度卻高於鋼鐵,並且具有耐腐蝕等優異特性,在國防軍用和民生(航太、汽車、運動器材等等)方面都有很高的應用價值。正因為具有如此優異的特性,碳纖維這種材料在幾年前就進入到了3D列印的領域中。
 

碳纖維可以提供與金屬相當的強度,但其重量卻非常輕,在需要考慮重量與強度比的行業,如航太、汽車、船舶等運輸行業中有廣泛應用的潛力。傳統工藝製造碳纖維過程十分複雜並需要大量勞動力,採用3D列印技術無疑會使碳纖維複合材料的製造更為便捷,同時大大減少人工投入。
 

二、3D列印碳纖維技術
 

2009年美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)將3D列印分成七大技術,包含:光聚合固化技術(Vat Photopolymerization, VP)、材料噴塗成型技術(Material Jetting, MJ)、黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting, BJ)、材料擠製成型技術(Material Extrusion, ME)、粉體熔化成型技術(Powder Bed Fusion, PBF)、疊層製造成型技術(Sheet Lamination, SL)與直接能量沉積技術(Directed Energy Deposition, DED)等,並不是每一項技術都適合列印碳纖維材料,目前有幾項3D列印技術被應用在列印碳纖維材料:
 

(一)光聚合固化(VP)技術
 

利用雷射光透過掃描系統,在光硬化樹脂上進行軌跡掃描,以光敏樹脂的聚合反應為基礎,形成一層硬化層,沿著零件各分層截面輪廓,對液態樹脂進行逐點掃描,一層層的照射固化而形成三維實體形狀,成型的模型再除去支撐結構等後處理。

材料特點:短纖增強尼龍、聚醚醚酮(Polyetheretherketone, PEEK)、熱塑性聚氨酯彈性體(Thermoplastic Urethane, TPU)等粉末材料。
 

工藝特點:以一定比例混合短切碳纖維和尼龍材料,透過雷射燒結實現一體成型。
 

(二)黏著劑噴塗成型(BJ)技術
 

黏著劑噴塗成型技術使用多噴嘴的印表機,來回噴出黏結劑使粉末黏結在一起,完成一層之後平台下降一層的厚度,再重複以上工序直到工件加工完成。此技術不用將粉末材料熔融,而是通過噴嘴本身噴出黏合劑,將這些材料黏合在一起。
 

材料特點:短纖增強尼龍、PEEK、TPU等粉末材料。
 

工藝特點:透過燈管加熱,在助溶劑作用下零件截面匯集足夠熱量實現熔化成型。
 

(三)材料擠製成型(ME)技術
 

運用絲狀材料熔覆的原理,加熱噴頭在電腦的控制下,根據產品零件的截面輪廓資訊,作平面運動。熱塑性絲狀材料由供絲機構送至噴頭,並在噴頭中加熱和熔化成半液態狀態,然後以移載平台帶動熱擠頭,將具流動性的塑料像是擠蛋糕的方式給擠製出來,有選擇性的塗覆在工作台上,快速冷卻後形成一層大約0.1 mm厚的薄片輪廓,如此循環,最終形成三維產品零件。
 

材料特點:長纖增強聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)、尼龍、PEEK等絲材。
 

工藝特點:透過ME技術將長纖維填充進一般3D列印絲材中,具有強化零組件作用。
 

三、投入廠商
 

(一)Arevo Labs
 

Arevo Labs是一家集碳纖維3D列印硬體、軟體和材料開發的公司,曾研製出碳纖維與奈米碳管加強型3D列印線材,開發了世界首個基於雲端平台的智慧積層製造(Additive Manufacturing, AM)軟體,能精確控制碳纖維方向。另外,該公司在2015年開發出一個基於ME技術的機器人3D列印平台,能使用碳纖維複合材料製造出超高強度零組件。
 

Arevo於2018年5月獲得1,250萬美元(約3億8,600萬新台幣)的B輪融資。Arevo的技術將3D列印與基於網絡的軟體和定製原材料結合在一起。使用安裝在機器人手臂上的”沉積頭”來列印出碳纖維自行車車架的三維形狀。這項技術能夠讓Arevo以300美元的成本製造自行車車架。憑藉其新資本,Arevo希望將其軟體和製造工藝商業化,以生產高強度零組件,特別是航太零組件。
 

(二)MarkForged
 

MarkForged是碳纖維3D列印企業中商業認可度最高的,該公司於2014年推出世界首款桌面級碳纖維3D印表機Mark One,能將列印速度提升90%,同時還比傳統工藝便宜70% ,也是以ME技術為基礎而發展的公司。該公司的專利3D列印技術主要依賴於其獨有的雙列印頭,其中一個擠出尼龍材料而另一個則擠出專用的增強材料。2016年MarkForged推出了它的升級版---Mark Two,性能比第一代設備更優異。並且在同年,推出了Mark Two的下一代產品-Mark X 3D印表機,該設備同樣整合了Markforged 專有的連續纖維線材(Continuous Filament Fabrication, CFF)3D列印技術,可列印的材料包括Markforged公司的尼龍和縞瑪瑙(Onyx)等塑膠材料,以及碳纖維、玻璃纖維等纖維增強材料,可廣泛應用在汽車、機器人、義肢和運動器材等行業。
 

(三)Impossible Objects
 

Impossible Objects是一家美國3D列印公司,以複合碳纖維3D列印技術“碳基積層製造(Carbon Based Additive Manufacturing, CBAM)”聞名,已經推出了採用此技術的首款3D印表機Model One,該公司是以BJ技術為基礎而發展3D列印碳纖維設備。Impossible Objects推出了其革命性的碳纖維3D列印技術“CBAM”,能列印碳纖維和玻璃纖維等材料,甚至宣稱可以製造出同類產品10倍強度的物件。CBAM技術的加工過程中需要向碳纖維層噴射黏合劑,另外,還需要後期的熱處理去除黏合劑製程。

 

(四)EnvisionTEC
 

EnvisionTEC是德國的3D列印領導廠商,該公司以VP技術發展相關應用。於2016年中推出SLCOM 1工業級複合材料3D列印機,該項核心技術是EnvisionTEC擁有的SLCOM(Selective Lamination Composite Object Manufacturing )專利技術。SLCOM可以用來加工玻璃纖維織物、碳纖維織物或其他品種的加強型芳綸纖維織物,可選擇使用尼龍6、尼龍11、尼龍12、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚碳酸酯和很多其他材料予以增強。適用於航太、汽車、消費品、體育用品和醫療領域高品質3D列印零組件的客製化。這些複合材料可量身定製,使其具備非凡的韌性、耐候性、減震性能、不易燃性、高耐磨性和高強度重量比。
 

四、結論
 

碳纖維材料擁有其他材料沒有的性能:輕質、高強度、高導電性、高耐腐蝕性。而3D列印技術則能提供快速的設計平台,製造出傳統工藝無法完成的複雜零組件,還能讓設計更自由。結合兩者,將對現有的產業產生重大衝擊。
 

碳纖維3D列印雖然發展潛力巨大,然而就目前來看,這項技術的大規模應用還有很長一段路要走。設備和材料高昂價格、技術難題讓很多人望而卻步。但是市場已經有許多廠商投入,並且得到創投與下游應用廠商的青睞與支持。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2019-04-25

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