■實威國際 設備工程部 / 蔡秉勳
前言
在3D列印領域裡的FDM，通常都是使用便宜且低強度的PLA、ABS等等材料，只能做產品的打樣。而Markforged可以列印出連續的碳纖維增強零件，強度與機械加工鋁一樣強，並且可以實際使用，能夠以新的方式將複合材料整合利用到工作流程中。列印零件可以廣泛用來作為工具和夾具，如機械手臂末端的固定夾具……等。（圖1）
在本篇文章中，筆者要為各位讀者介紹的是即將於這次2021台灣3D列印暨積層製造設備展中進行實機展示的「Markforged X7」。
Markforged X7連續纖維增強技術，創造高強度工業應用
Markforged使用了連續碳纖維作為素材，這是X7機型的真正優勢所在，可以利用列印出來的碳纖維零件代替傳統的金屬零件，因為可以實現和金屬般的強度。另外還可以使用連續長絲製造(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），增強纖維構成列印件的主體，產生堅固和耐用的效果。（圖2）
使用碳纖維材料的優勢
Markforged發現短碳纖維含量合適時，短碳纖填充線材可有極高的表面平整度。短碳纖填充線材通常由重量分佈均勻的5％至35％的碳纖維粉組成。這些纖維粉屬於短纖，是從纖維束中磨碎或切碎而來，尺寸範圍從直徑5-10微米到長度50-250微米。在使用短碳纖填充線材列印時，材料擠出過程的流動性一致，使材料在印刷方向上整齊且平均，而這也意味著抗拉強度和抗彎強度的提高。主要好處分別為下列三項。
- 邊緣增加強度/剛性：直接轉化為更強更硬的零件；
- 熱穩定性提高：碳纖維具有熱膨脹係數低的特性，可以幫助減少在印刷過程中翹曲。此外，也有助於列印部分在熱環境中抵抗變形；
- 更大的列印零件精度：在機械和熱穩定的特性，將增加碳纖維填充部件，比其未填充的對應物具備更佳的尺寸精度。（圖3）
Onyx材料與雙噴頭列印的方法
作為一種新型高強度碳纖維混合尼龍材料，它將尼龍的堅韌性和耐用性與符合材料的尺寸穩定性和高強度相結合，能在複合式列印時具有高強度、韌性和耐化學性。（圖4）
Markforged所開發的碳纖維雙噴機，利用尼龍與短碳纖維材料的混合使列印物件大幅增強。這樣的混合材料同時彌補了尼龍硬度不足與碳纖維過脆且韌性不足的問題，以雙噴頭的技術生產出高強度的複合材料，而這種混合列印方式，利用如碳纖維或高硬度材料包覆尼龍材料一來可以減少列印成本，二來兩種材料的優缺點補償，此種應用主要可以用在實際量產物件與高強度需求物件。
3D列印黑科技的Eiger雲端列印管理──Markforged Blacksmith
Blacksmith提供一些功能，可以增強自動化製造過程。這些功能包括：
- 印表機校準：通過雷射測微儀掃描OEM認證的工件以實現校準，從而實現印表機的一致性和掃描精度。
- 列印並掃描零件：Eiger專利智慧掃描演算法創建一個集成的掃描路徑和資料點雲。
- 分析資料：Blacksmith將在列印的過程中測得的點雲與設計檔進行比較，生成零件的詳細誤差並覆蓋在初始的stl上。
- 生成報告：Eiger通過誤差分析以及使用者設定的公差極限，比較同一零件的不同列印品，並總結列印品質。（圖5）
Markforged：Hangar One Avionics成功案例分享
團隊需要為Cessna飛機製造一個中控臺，位於飛行員和副駕駛座位之間的部件。該團隊沒有採用較慢且昂貴的傳統加工，而是使用了Markforged。
結果，他們不僅在創紀錄的時間內列印了控制臺，還增加了更多的配件，包括兩個杯架、一個飛行員按鍵的控制板、控制手把、USB充電器和緊急開關。控制臺及其附加功能是使用Onyx FR列印的，Onyx FR是一種經過認證的UL 94V-0級阻燃尼龍混和短碳纖維3D列印材料。該團隊選擇採用3D列印而不是傳統方法，大幅縮短了機械加工的時間。（圖6）
結語
X7是Markforged最先進的工業複合3D列印機，具有第三代纖維增強系統，使用Markforged的全系列複合基礎材料和連續纖維進行列印。機器能在幾小時內而不是幾週內就可拿到工業級零件，使工程師和設計師從根本上改善生產過程。
此外，也配置了精密加工的硬體、先進的感測器和獨特的軟體驅動，具有業界領先的準確性和可靠性。目前，只有Markforged工業3D列印機可提供微米級的雷射掃描以進行閉環校準，能夠可靠地製造具有50μm且表面光潔的零件。
除了本文中所介紹的Markforged X7，在本次的台灣3D列印暨積層製造設備展中，我們也將展出如多樣化的3D列印成品、3D Systems列印機、3D掃描設備ScanTech、Artec與UR機械手臂……等精彩技術內容。非常歡迎有興趣的讀者前來實威國際的攤位參觀，現場感受碳纖維3D列印成品的強度。
