:::

產業技術評析

3D列印技術應用於複合材料元件製程之趨勢發展
發表日期:2021-09-29
作者:邱琬雯(工研院)
摘要:
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。

全文:

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。

相較於金屬材料,碳纖維材料密度低,比強度及比剛度高。從圖1之比較來看,中碳鋼、鋁合金、碳纖維複合材料三者相比,中碳鋼雖然在拉伸模量、強度高,但無法符合輕量化應用需求。6061-T6鋁合金之密度低,但在模量、強度方面,碳纖維複合材料之特性還是略勝一籌。因此複合材料兼具輕量化及性能上之優勢。
 

表1 材料特性比較表
材料 纖維體積比(%) 拉伸模量(GN/m2) 拉伸強度(GN/m2) 密度(g/cm3) 比剛度(E/ρ) 比強度(σb/ρ)
中碳鋼   210 0.45~0.83 7.8 26.9 0.058~0.106
6061-T6鋁合金   69 0.26 2.7 25.5 0.096
碳纖維複合材料 58 83 0.38 1.54 53.9 0.24

資料來源:國際金屬加工網(2019/11)
 

根據MarketsandMarkets報告指出,全球複合材料市場從2020年的704億美元增長到2025年的1,128億美元。2020年由於全球流行的新冠肺炎傳染病(COVID-19),使得汽車、風力發電、飛機之製造需求減緩,但預估在2020年後將以8.8%的年複合增長率成長。其中因碳纖維的強度為玻璃和天然纖維的兩倍,重量輕30%,因此為年複合增長率成長最高之複合材料類型。

雖然相較傳統金屬材料,纖維複合材料在力學性能、輕量化、可設計性、抗疲勞性上具有得天獨厚的優勢。但是,在其生產效率及衍生之回收問題,使得製作成本高,因此是影響其進一步應用的瓶頸所在。
 

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。

未來因應節能所衍生之輕量化需求將愈來愈高,複合材料之優異材料特性將被視為極佳的選擇,但如何解決生產及成本的議題,將是複合材料元件製造待解決的重要課題。

3D列印製造技術不需要模具,製作自由度高,可任意製作不同的形狀尺寸。將3D列印技術應用於複合材料之元件製作,不但可以省卻模具之生產成本,同時可製作立體鏤空元件結構,除了從材料上輕量化,更可進一步從結構設計上達到輕量化需求。

根據Wohlers之統計報告,自2012年至2019年,全球3D列印市場每年均以15%以上之成長率成長。隨著3D列印應用之拓展,列印材料逐漸開發成熟,全球3D列印產值逐年成長。其報告指出,2019年全球3D列印產值達118.7億美元,相較於2018年成長21.2%。其中汽車、航太是3D列印的主要應用市場,2019年3D列印應用領域前三大占比分別為汽車占16.4%、消費性電子占15.4%、航太占14.7%。

在複合材料中,以碳纖維複合材料之性能較為優異,可提供與金屬相當的強度,但其重量卻非常輕。因此發展聚合物3D列印技術與設備的廠商陸續投入碳纖維複合材料列印技術,進一步將3D列印產品提升至工業應用等級。

應用於3D列印有兩種類型的增強纖維材料,分別為短纖維或連續纖維。短纖維乃是將長度小於 1 毫米的片段組成的短切纖維被混合到傳統的熱塑性塑料中,以增加剛性並提高零件強度。短切纖維可以與熱塑性塑料混合,例如尼龍、ABS 或 PLA。混入短切纖維的比例多寡,將會影響列印品質。

要達到最佳材料特性則需使用連續纖維增強材,製造連續纖維複合材料零件的過程不像短纖維複合材料零件那樣容易,因為在擠出熱塑性塑料時,需要將連續纖維整合到熱塑性塑料中。增強纖維也可以根據零件強度重量比和材料消耗的設計技術進行優化整合。。
 

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。

以下針對全球3D列印領導廠商Stratasys、2021年上市之潛力明星Markforged及新創公司9T Labs這三家之複合材料3D列印技術發展現況進行說明。

● Stratasys

全球3D列印大廠Stratasys基於FDM核心技術投入複合材料3D列印之開發。2018年,Stratasys推出專門用於複合材料之工業級3D列印機Fortus 380mc。使用含35%碳纖維之Nylon 12碳纖維複合材料(Nylon 12CF),Nylon 12CF具有與金屬相同之優異材料特性,但質量更輕,可取代傳統之金屬零組件。同時可以配合可溶性支撐材料(ST-130可溶性材料)使用,在欲移除掉的部分,列印可溶性支撐材料,待元件列印完成,以水沖洗,如此可製作複雜結構之元件。運用結構設計提高強度、減輕重量、整合多件零件以減少零件數量,進一步降低成本。

 

圖1 Stratasys複合材料3D列印設備及其印製成品

資料來源:Stratasys網站
圖1 Stratasys複合材料3D列印設備及其印製成品
 

● Markforged

Markforged推出能夠列印碳纖維和玻璃纖維複合材料之3D列印機X7,更進一步地,3D列印機X7可以列印連續碳纖維材料。使用連續長絲製造(CFF)技術把材料鑲嵌在熱塑性的塑膠裡面,在列印時透過擠出的熱塑性塑膠內的第二個噴頭鋪設連續的高強度纖維(例如碳纖維,玻璃纖維或Kevlar)。

以連續碳纖維複合材料印製的零件,連續纖維增強材構成印刷部件的主體,產生堅固和耐用的效果,可以達到金屬等級之強度,代替傳統金屬零件。對於嚴格要求強健性、耐用性之航空航太,汽車和各種製造行業上,具有更廣泛之應用性。Markforged亦提供防火、防靜電等不同規格之複合材料,因應不同應用需求。短纖碳纖維材料亦可與連續纖維材料融合使用,提供更多選擇。
 

圖2 Markforged複合材料3D列印設備X7及其印製成品

資料來源:Markforged網站
圖2 Markforged複合材料3D列印設備X7及其印製成品
 

● 9T Labs

9T Labs為瑞士之新創公司,2018年創立,公司目標為建立創新性的複合材料生產流程,以自動化、數位化技術,建立高性能複合材料之量產解決方案。9T Labs推出Red Series設備及解決方案,其使用400℃之溫度並施加壓力,使連續纖維增強材與基材融合(最高可達60%之纖維含量),並做擠出進行3D列印製程。

該公司的目標市場為航空航太、汽車、醫療技術、自動化、奢侈品及休閒市場,其應用範圍從飛機內部的承載支架到手術設備、山地自行車零件和手錶框架組件。9T Labs與瑞士西北應用科學大學合作生產直升機門鉸鏈組件,使用高性能Kepstan 7000 PEKK熱塑性碳纖維複合材料取代鈦金屬。生產過程使用了9T Labs開發之設計與模擬軟體Fibrify,該軟體整合有限元素分析(FEA)解決方案,具有真實的內部纖維方向3D視圖及鋪層優化功能,之後再使用9T Labs的專利—增材熔融技術(AFT)進行製造。達到相同規格需求,重量可減輕80%。若以每年生產1,000個零件估算,成本則可下降28%。
 

圖3 9T Labs Red Series解決方案

資料來源:9T Labs
圖3 9T Labs Red Series解決方案
 

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。

臺灣成立MIH聯盟,加速發展電動車產業。臺灣之3D列印產業可緊扣此產業趨勢,投入複合材料3D列印技術之發展,掌握關鍵商機。

(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)


* 點閱數133
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁