■臺灣科技大學機械工程系 / 鄭逸琳 教授
前言
碳纖維複合材料具有極佳的機械性質與輕量化的優勢，近年來被應用於航太主結構之項目與量大幅成長，有六成以上市場屬航太產業。而3D列印近年來的發展，在各類材料上均有所斬獲，同為「疊層」的概念，3D列印技術應該可快速應用於複合材料製程上，也成為大家非常有興趣的方向。但受限於複合材料工件常在特定曲面或平面上纖維需要連續之問題，目前只是以XY平面的成型、在Z軸方向堆疊的3D列印方式，不全然能列印出如手工疊層的效果，更遑論優於現有複合材料加工製程進而取代之。
目前3D列印碳纖維複合材料的商用機臺雖然有限，但持續有許多研發的投入，是深具發展潛力與令人期待的。以下將介紹碳纖維複合材料3D列印技術發展的現況，並討論其應用限制與未來趨勢。
碳纖維複合材料3D列印技術發展現況
將碳纖維與3D列印技術結合，最直覺的方式，是在常見的熱塑性線材(ABS、PLA)中，混入短纖維（short fibers，或稱chopped fibers），纖維的長度小於1 mm，直接搭配線材擠出型的3D列印機即可列印。此類的線材，碳纖維的含量約為20%，雖可提升一些材料的剛性，但強度仍以原線材材料的強度為主，增加有限，且因擠出時碳纖維會磨損噴頭，故較建議使用不鏽鋼或其他較耐磨耗的銅合金噴頭。除了ABS與PLA，Nylon亦是常見的複合材料熱塑性基材，市面上容易取得已表面處理過的碳纖維能與Nylon良好接合，且熔點不高容易列印，因此也是常見的線材材料。
相較於貢獻有限的短纖維，複合材料的應用多是採用連續纖維，能在纖維方向承受更高的應力，大幅增加強度，並可依受力與強度需求設計各疊層纖維的方向與分佈。目前市面上的連續纖維複合材料3D列印，以熱塑性的基材(matrix)為多，複合材料的線材透過加熱方式擠出，但因需要切斷纖維，故仍需使用專用機臺或特別的擠出模組設計，加入纖維剪斷機構。
熱塑性基材的連續纖維複合材料3D列印以Markforged公司為代表，其機臺為雙噴頭式設計，一個噴頭擠出一般線材或尼龍線材，可選擇有無添加短纖維，列印工件的大部分；另一個噴頭則是擠出特殊處理過以尼龍為基材的連續碳纖維，用來加強局部區域，且列印完連續纖維後必須再覆蓋另一噴頭的材料。Markforged除了碳纖維，也有玻璃纖維及克維拉(Kevlar)纖維可供選擇。
熱塑性的基材除了尼龍之外，也有嘗試使用PEEK、PEKK等高性能材料，但相較於容易列印的尼龍，PEEK類的材料因為熔點高而不易列印，且機臺腔體內溫度需保持穩定以確保列印品質，機臺設計門檻較高。Desktop Metal公司近年推出的Fiber機臺，除了尼龍與碳纖維的組合之外，亦有PEEK或PEKK與碳纖維的組合。Fiber機臺也是雙噴頭式設計，一個是擠出短纖維的線材，另一個則是擠出帶狀的連續纖維(tape)，為微型化的自動纖維黏貼系統(Automatic Fiber Placement)，他們稱之為μAFP，作為局部區域的加強。
無論是Markforged或Desktop Metal，連續纖維都是作為特定區域的加強之用，需同時搭配短纖維線材列印，無法單獨使用；而熱塑性基材在較高的工作溫度下，容易被軟化或熔化。
在傳統的FRP應用中，基材多為熱固性的環氧樹脂類(Epoxy)材料，強度更佳且能承受更高的溫度。但若將熱固性的樹脂導入3D列印中，因熱固反應的時間較長，基材的材料配方與整體的列印製程需根據固化需求而調整。短時間能夠固化的樹脂以光固化樹脂為首選，市面上Continuous Composites公司的系統即是採用機械手臂，將浸潤過可光固化環氧樹脂的連續纖維擠出，並同時光固化成型。一般而言，光固化成型的樹脂基材強度，通常不及完整熱固後樹脂的機械性質，且碳纖維有可能遮蔽部分光線，讓內部樹脂固化不完全而影響最後工件的機械性質。
為解決上述問題，臺灣科技大學機械工程系團隊開發的連續碳纖維3D列印複合材料技術，選擇可光固與熱固的環氧樹脂類材料配方，將碳纖維事先預浸樹脂後抽成成捲的線材，確保纖維束內部亦充分填充樹脂，於擠出模組處再次通過樹脂後列印，列印過程中以UV光快速固化定形，待整體工件完成後，再進行加壓加熱之後處理，確保材料完整固化達到其最佳的機械性質，更接近傳統碳纖維複合材料應用之需求。
應用與限制
3D列印的應用方式，大致可分為兩大類，一為製作產品開發過程中的原型件(prototype)，另一為用來生產製造可以直接使用的終端零組件或產品。前者以形貌與加工速度為主要考量，後者則需額外顧及產品的機械性質與使用者需求。以原型件的應用方式而言，目前添加短纖維的複合材料線材列印、熱塑性基材連續纖維局部加強的複合材料3D列印（如Markforged、Desktop Metal），均能達到基本需求。添加短纖維者較一般ABS、PLA有較佳的機械性質，但改善仍屬有限；熱塑性基材連續纖維複合材料對於工件機械性質的改善，取決於局部加強的方式與佔比，且因同時需搭配短纖維線材，不易精準掌握列印成品的機械性質，故要導入直接生產終端複材零件或產品，仍有其限制。
若要達到如航太零組件應用之機械性質需求，熱固性基材的連續碳纖維複合材料3D列印技術則較有機會取代傳統複合材料的製造方式，因所列印的工件為全複材零件，而非僅是局部加強，且基材的機械性質較佳。不過，此類技術投入的公司與研發單位較有限，目前製程技術上仍各有其限制（例如需要後處理），若有更多資源投入，或根據特定應用加以解決、開發專用機臺，應是很有潛力的。
在許多連續纖維複合材料3D列印的樣品呈現上，大多強調幾何形狀，以凸顯3D列印的優勢，列印的路徑是連續且會有轉彎的。但若嚴格以複合材料的應用來看，連續纖維應該要保持平直而不能皺摺或轉彎，方能達到承受張力的效應，顯然此議題目前是被大家忽略的。為了達到纖維不轉彎，將無法直接採用擠出型的列印路徑，而是需要規劃更多道次的不轉彎路徑，將增加列印的時間。除此之外，若工件需要纖維連續的方向不在XY平面，而是特定斜面或曲面，目前3D列印以Z軸方向堆疊的方式將無法達成，需另外透過特殊路徑規劃搭配三軸同動機臺或機器手臂，輔以支撐模具方能實現。另外，編織形式的纖維(woven fiber)目前尚無法以現有的複合材料3D列印技術處理，EnvisionTEC公司雖曾推出相關機臺，但已不再販售。
未來趨勢
目前商用的複合材料3D列印系統仍有限，技術的發展尚有許多的可能性。未來發展的趨勢，應是以連續纖維複合材料為主，高性能的熱塑性基材，如PEEK、PEKK，將獲更多的青睞與應用，3D列印系統的門檻也將提高。因應全複材零件的應用需求（如汽機車、航太……等），熱固性基材的連續纖維複合材料3D列印技術將日益受到重視，並朝應用導向的製程與材料發展，進而開發專用機，以符合生產之需求。雖然目前市面上的複合材料3D列印技術未臻成熟，但隨著更多的關注與期待，充分發揮3D列印與複合材料優勢的技術應是指日可待。
