■實威國際 / 蔡孝源 臺北設備工程部 工程師
前言
3D列印的物件，到底能不能直接當作產品使用？這是許多設計師與工程師，最常問我的問題，答案是當然可以！這完全看使用者如何應用3D列印技術，並選擇適當的3D列印材料。設計者需要先充分的理解並掌握3D列印的製程，再著手進行設計產品。3D列印只是一項工具，這個問題就如同一位廚師問賣炒鍋的商家，這炒菜鍋炒的菜能不能吃？好不好吃？在我看來，要成就一個3D列印的成功案例，必須具備的要素有3項：
- 使用3D列印技術，相較於傳統工法，節省更多的成本；
- 使用的材料，透過3D列印，在應用上更加方便，產品性能表現更好；
- 專案設計者充分理解3D列印的優勢與限制。
什麼是Markforged碳纖維3D列印機
Markforged是美國的3D列印機品牌，創辦人是Gregory Mark，他起初就是發現了3D列印塑料材料強度的不足，為了解決這個問題，於是在自家客廳開發了專門列印碳纖維材料的3D列印機，在開發的過程中，所使用的3D CAD繪圖軟體，就是Solidworks！Markforged的研發團隊充分利用了Solidworks的設計與模擬功能，成功的推出第一臺桌上型碳纖維3D列印機Onxy One！
3D列印有七大技術，Markforged所使用的是，其中的熔融沉積成型技術（Fused Deposition Modeling），就是我們常說的FDM，看到這各位一定覺得頭痛，到底什麼是熔融沉積成型FDM？
相信大家早上刷牙，一定會擠牙膏吧！想像一下如果我們把牙膏沿著特定的輪廓路徑，連續的擠出來，並把輪廓內部也填滿牙膏，而且重複的堆疊好幾層，我們是不是就能夠得到，一個用牙膏做成的立體形狀，這就是熔融沉積成型FDM的原理，只是Markforged把碳纖維材料與尼龍混和製成了線捲，透過3D列印機把材料從噴嘴加熱推擠出來。
兼具韌性及高強度的3D列印材料：Onxy
碳纖維顧名思義就是碳組成的纖維，那這碳纖維到底是怎麼來的？竟然是高強度，耐化學腐蝕，又重量輕的材料！
這黑漆漆的碳纖維，原料是嫘縈(Rayon)、瀝青、聚丙烯晴(PAN)等人造纖維，而目前最主流的方式，是使用聚丙烯晴(PAN)作為碳纖維的原料，聚丙烯晴(PAN)纖維也經常用於地毯、毛衣等紡織品。
將聚丙烯晴(PAN)纖維，透過加熱工序，去除其他雜質，留下了碳，這個過程叫做碳化。
碳化過程後的碳纖維不能馬上使用，必須加溫到3000度，將纖維石墨化，此時的碳纖維經過石墨化，結構上變得更加穩定，強度也更好，接著將纖維浸泡環氧樹脂，就像是將纖維裹上一層樹脂一樣，以便抽絲並將纖維收集成纖維卷軸，由於碳纖維的製作繁瑣，價格也昂貴，因此碳纖維也是纖維材料中的珍寶。
碳纖維的型態分為短纖維跟長纖維，短纖維顧名思義，就是短切纖維，長度約50~250微米，而連續性纖維就是長纖維。Markforged的獨家碳纖維線材Onxy就是在尼龍材料中混入了15％短纖的碳纖維，憑藉著尼龍的韌性，又帶著短碳纖維的強度，Onxy成了具有韌性與強度的3D列印材料。
Markforged 3D列印機製作零件，更輕鬆，更強大
傳統上要製作碳纖維的零件，必須使用模具壓合，先將碳纖維布，刷上環氧樹脂，之後再疊上一層碳纖維布，再刷一層樹脂，經過反覆的堆疊，再放在模具中加壓成型。
使用Markforged 3D列印機輕鬆多了，只要使用繪圖軟體，將模型在電腦畫好，再把模型轉檔成為STL檔案，上傳到Markforged的雲端切層軟體Eiger，進行模型的層高及填充設定，最後輸出至列印機中，就能進行碳纖維模型的列印。Markforged最獨特的技術，就是在列印物件中，加入連續性長纖維的技術，如同水泥牆中的鋼筋。Onxy材料中，除了尼龍，更含有短纖的碳纖維，透過包埋連續性長纖維，就像讓設計師的零件埋入鋼筋，強上加強！
在切層軟體中，除了可以自訂連續性纖維的添加比例，還能夠選擇要將連續性纖維，包埋在指定的高度，更能夠將物件從頭到腳，全部都加滿連續性纖維。若是選擇加滿連續性長纖的碳纖維，強度更能超越6061-T6的鋁合金！
Markforged所提供的主成型材料，共有下列5種：
- 尼龍白：單純為尼龍材料，白色具韌性；
- Onxy：尼龍材料與15％短纖的碳纖維混製，為Markforged的招牌材料；
- Onxy FR：具有阻燃能力的Onxy材料，不易燃燒；
- Onxy FR-A：兼具阻燃能力與航太零件性能認證的Onxy材料；
- Onxy ESD：具有抗靜電能力的Onxy材料。
而能夠搭配的連續性纖維則有下列4種：
- 碳纖維：強度高，重量輕，車輛產業最常用的材料。
- 玻璃纖維：性價比最高，強度好，防水，耐腐蝕。
- 克維拉：耐衝擊，用於軍事用途，如：鋼盔，防彈衣。
- HSHT玻璃纖維：更高強度，耐高溫的玻璃纖維。
如此多樣化的高端材料，讓工程師設計的3D列印零件，不管是在嚴苛的高溫環境，或是高負載的荷重之下，都能完成任務。
自製零件不求人，人人都是工程師
相信解決問題，是每個工程師所需要面對的狀況，但有的時候，好不容易想出了辦法，但手邊卻缺乏治具或零件，要到零件區或報廢物料區又翻又找。
若您是機構工程師，零件圖畫出來了，只想先請加工商製作零件，卻要等個2~3天，甚至光是公司內部的發包流程，就要一個星期。
若是製程的改善工程師，可能又要拜託機構工程師畫圖，天啊！解決問題的效率跟時間，往往就在這些繁瑣的溝通，以及公司的流程中流逝。此外，這也同時消耗了工程團隊的熱情，老闆更是在無形中浪費了資產。藉由使用3D列印機，將能讓工程師從這些問題中得到解脫。
比方說，客製化的治具，就是碳纖維3D列印最好的應用，常見的應用有「夾持特殊造型的工件治具」、「檢測用的夾具」、「生產用的焊接治具」等3項。
夾持特殊造型的工件治具
適用於圓弧形，不平整的零件夾持，這樣的零件使用傳統的虎鉗夾持，容易滑動跑位，使用3D列印碳纖維列印治具，強度高又省去外包製作治具的成本，便宜又有效率。
檢測用的夾具
與3次元檢測儀器搭配的治具，完全能依據各檢測儀器自行設計治具。
生產用的焊接治具
焊接特殊角度的鐵管，就會用到特製的焊接治具，使用碳纖維3D列印焊接治具，耐熱又兼具強度，更增加每次焊接的品質跟效率。
Markforged數位製造，翻轉製造業
目前3D繪圖已經越來越方便，免費功能強大的更是不少，使用者也非常好上手，這幾年來數位自造，透過創客運動，加上3D列印機的平價化也逐漸普及，零件自造，已不是工廠或企業的特權。
Markforged更推行數位鍛造的概念，列印機所列印的物件都是高強度媲美金屬的功能性機構件，同時也收集3D列印的資料，以形成大數據，將每一次列印過程中的數據，做為下一次優化及改善的參考。
3D列印的未來，正走向列印更大或更細緻的物件，更快的列印速度，更多樣化的材料，Markforged除了碳纖維材料，還有金屬材料的列印機，3D列印這把石中劍，正等待更多的工程師，科學家投入更多的熱情，也期盼越來越多創業家運用3D列印找到更好的應用項目，帶動整個臺灣3D列印產業拔劍前行。
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