原料技术发展 决定3D打印未来

塑胶仍是3D打印的主流原料，不过随着技术发展，多元材料仍会是未来趋势。DIGITIMES摄

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原料是3D打印的核心技术之一，目前塑胶、金属、陶瓷是3大主流，不过放眼未来，多元材料的打印将成必然，不过多元材料需要强大的材料科学背景，方能打印出最佳化产品。

3D打印的各项专利在2013、2014两年陆续到期后，吸引了大量厂商投入，也引起各界的热烈讨论，美国总统欧巴马更2013年发表的国情咨文中提到，希望藉由3D打印重拾美国制造业风光，不过一直以来，3D打印的探讨多集中于软硬两端的技术与未来应用创意，对原料的讨论相对较少，但原料是3D打印的核心之一，台湾长期以来在材料科技部分的技术投注较少，不过未来若要发展3D打印，这部分仍要持续关注。

塑胶仍是3D打印主流

就目前发展来看，3D打印的主要原料是塑胶，在现实生活中，塑胶向来是低价的代名词，不过3D打印所使用的塑胶原料并不便宜，这使得塑胶打印的材料使用成为整体成本中相当大的支出比例，这也使得3D打印设备厂商的经营模式不再只单纯依靠列表机的贩售来获取利润。

大部分的3D打印机厂商都会研发自己专用的打印塑料，藉由材料的持续贩售，确保企业经营的长期获利，这类作法与现行的平面打印机一样，其打印机的售价都相当便宜，厂商的主要获利来源都是后续的墨水贩售，只是平面打印机厂商对使用者的限制是墨水匣的设计，而3D打印厂商是透过材料材质与打印机的配合。

厂商各自研发3D打印原料，使其无法兼容的作法，对3D打印的发展影响有好有坏，好处是厂商将热衷于投资研发高性能而且可获利的原料，缺点则是使用者担心制造商的保固维修服务，而不愿尝试其他廉价的新材料。

把这两项共存的优缺点放在一起可以发现，厂商绑住原料的作法，往好处看是在利之所趋下，厂商会自行创新，但缺点却是创新只会于厂商端发生，整体市场的创意创新将会受限。

再回到材料本身，塑胶是现在3D打印最常用的材料，工程师将其分为热塑型塑胶与热固型聚合物两类，这两类原料的差别在于材质的转化，热塑型塑胶受热后会融化，使之容易塑型，但其内部结构不会改变，也就是说再加热融化后，这材料还是可再反覆使用，热固型聚合物则在加热固化后，内部结构会改变，因此是单次使用。

目前多数以打印头沈积原料设计的消费性3D打印机，使用的ABS原料是属于热塑型(与乐高玩具相同)，立体光雕式的打印机(Stereolithography；SL)也使用热塑性粉末，至于雷射烧结(Laser sintering；LS)则使用光敏热固性聚合物。

除了这两种外，部分3D打印机也使用其他类别的塑胶，像是软塑胶，软塑胶的别名是「弹性体」，顾名思义，这种原料具有一定弹性能力，矽树脂就属于此类，过去矽树脂可从注射器挤压出来，再以风乾成形，3D打印蔚为风潮后，有厂商将类似的材料设计为可热融，作为打印的材料之一。

金属与陶瓷应用多元

相对于塑胶的早期运用，金属则是在3D打印发展较后期才出现，早期仍以塑胶为主原料的时代，3D打印不被视为机器制造的技术，直到金属打印技术被开发出来，此一看法才逐渐扭转。

目前金属打印有两种方法，一种是先在金属粉末上涂敷热敏塑胶黏合剂，再用雷射使之选择性的烧熔黏合，成形后在于热炉中烧解塑胶黏合剂，另一种则是透过打印喷头挤出溶解金属，依照设计档移动喷射头，使喷出之金属精准成形。

过去消费性3D打印机只能使用塑胶材质，不过随着打印机与原料技术的进步，目前已有部分消费用机台可使用特殊材质的原料，像是将金属粉末与凝胶混合，至于纯金属的3D打印机，目前的价格仍然偏高，并不属于消费端层次。

除了塑胶与金属外，陶瓷与玻璃也是3D打印原料之一，不过这两种原料的应用都有其局限，陶瓷打印目前有两种方式，一种是陶瓷粉末是以打印头喷洒加入加凝结剂或加光硬化树脂的方式，另一种则是打印头挤出泥条，形成粗胚后再进炉烧制，不管是那一种方式，陶瓷打印都需要2阶段以上的制程，打印后再施釉窑烧，而且容易有变形及膨胀系数控制的问题。

目前陶瓷打印的最主要应用是在医疗领域，用以制作如假牙、关节等人体部位，陶瓷打印在此处的应用是先以断层扫描出齿模或骨骼形状，再以3D打印出陶瓷植入物，相较于现有的材质，陶瓷的隙孔较少，因此其坚硬度要高出3？5倍，除了减少植入后的磨损外，也降低了植入手术过程中发生微型碎片的风险，缩小术后发炎的机率。

除医疗用途外，近年来也开始有艺术家进行陶瓷打印创作，在陶瓷粉末中加入色粉，制作出艺术品，2014年的台湾国际陶艺双年展中，就有比利时设计团队Unfold工作室展出以3D打印制作的陶瓷作品，Unfold是采用泥条挤压的打印方式，形成粗胚后再窑烧。

至于玻璃在3D打印中的使用较少，主要原因在于玻璃有疏水性，也就是与水有相斥性，疏水性使玻璃难以黏附，而且玻璃粉末在热源下的反应不易预测，目前3D打印在玻璃方面的研究不多，较知名的是Washington大学团队实验中成功利用再生玻璃打印出作品，不过在商业应用部分，仍不像其他原料可有多元应用，目前玻璃在3D打印的应用仍以艺术品与珠宝首饰为主。

多元材料将是3D打印未来

就发展现况来看，3D打印原料使用虽日渐多元，不过仍仅止于单一材料的使用，因此所打印出来的产品不是单一零件，就是材质单一的产品，而仔细观察生活周边的产品，绝大多数都由多样式材质组装而成，例如水壶，就以容易导热的金属制成壶身，不易导热的橡塑胶制成把手。

而现今若要以3D打印出水壶，就需要两部打印机作业，1部以金属打印壶身，1部用橡塑胶做出把手，两者再行组合，不过随着技术的进步，现在已有厂商着手研发多元材料的3D打印机。

不久前被3D打印大厂Stratasys收购的以色列厂商Object，之前就开始研发多元材料的3D列表机，而与此一领域的无限想像创意应用一样，3D打印的多元材料应用，也不会被局限在单一层面的使用，Object的技术长Eduardo Napadensky就曾指出，多材料打印不仅要混合材料，还要创造出全新的材料，像是轻量与强度兼具，或是强度与延展性俱佳的材质。

不管是材料混合或是新材料的发生，对现今的3D打印业者来说，都是另一个全新范畴，而此范畴的专业需求，甚至远高于所有的3D打印技术，然而3D打印要成为各国政府与厂商希望中的「制造业未来」，这部分的研发势在必行，台湾以制造业作为经济发展核心，面对此一「制造业未来」的技术，必须积极参与布局，才能继续保有优势，不过台湾的技术向来长于IT，在材料科学方面较为短缺，未来除必须加强这部分的研发外，还须整合IT与材料两端技术，若未能提早切入，未来将优势尽失。