認識那些用於3D列印的材料
■耀德講堂/邱耀弘 博士
前言
本章將討論有關供給3D列印的材料的型態和種類，從事3D列印製程的人們（學生、教師、小孩和工程師、專業人士）都須嚴格閱讀您自己使用有關3D列印的材料安全說明，包含物質的化學與物理特性，畢竟材料變化與堆積的過程是施加能量的，如火警、化學侵入人體、粉塵吸入等都是可能造成的意外。認識與了解3D列印用的材料都是為了你無限的創意延伸，但也不能忽略它們可能不是你熟悉的材料狀態。
關於材料的型態和種類，我們會在文章中說明。按照ASTMF42分會所定出的AM分類標準來說明會比較容易理解，表1所列的便是AM分類與材料種類。
材料的形體
材料的型態又稱為相，大家熟悉的物質三態包含液相、固相、氣相，考慮到氣相的凝固堆積效率過慢，在現有的3D列印技術大多不予採用，我們下面將討論到液相與固相的材料，經過處理獲得材料的形體。另外，由於3D列印是以堆積材料的形式，因此材料將會被細化如粉碎、研磨、噴霧造粒等，通常希望物質顆粒大小至少小於每層解析度，形狀最好是規則的球形體，因此我們導入幾個物質三態以外的名詞，如下列四個材料供給的形體（圖1）：粉末體(Powder)又稱粉體，使固相物質具液體流動能力的特殊物理形狀，可使用尺寸單位和形狀對比來度量。粉末的定義就是直徑小於100µm（即0.1mm）的等效球形體，3D列印材料希望粉末形狀盡量接近球形體，因此我們引用一個物理量描述粉末相對球形度(Relativesphericity)，1代表真圓球體，數字越小，粉末的形狀就越怪異。
以乾粉法或是混合濕粉末材料進行3D列印時，都儘可能選擇粒徑在35~55µm，相對球形度在0.85以上的，以避免平鋪粉末不易擴散、細粉末易沾黏與堆積率不高等影響；濕粉法則必須將粉末和液相或是黏性流體（具牛頓或是擬牛頓流體）材料混合，液相中的固相顆粒要能均質散佈，並避免因眾粒的影響形成相分離，以冰沙飲料為例，若冰塊顆粒過大就容易和飲料分離，影響口感，導致飲料喝光了留下無味道的冰塊顆粒。濕粉法必須依噴嘴大小決定粉末的大小，但噴嘴過小會容易導致材料堵塞和堆積效率過低的問題；噴嘴過大則會造成層解析度與列印外表的粗糙。
一般來說，濕粉法的粉末大多小於乾粉法的要求，故濕粉法建議粉末顆粒小於0.5~15µm，才有利於粉末顆粒懸浮在液相中，相對圓球度則希望大於0.85。
黏性流體(Viscousflow)
也可稱為膠水、黏性液等，可導入黏度作為物理描述與度量。在3D列印製程中多少都會用到黏性流體的材料，如黏結劑、膠水、光固化樹脂、熱固化樹脂、熔化的蠟以及高分子聚合物，甚至把固體顆粒加入前述這些黏性流體形成複合材料。黏性流體必須非常注意幾項參數，包含施加在儲存罐的壓力、溫度、壓力作用(包含儲存和攪拌)，以及施加使黏性流相噴出達到3D列印目的之力量，過高的壓力和輸出力的施加速度會造成堵塞；溫度的高低是控制黏性流體的黏度、去除有機溶劑的重要參數，而光固化樹脂等黏性流相材料未進行加工前，則必須放置在儲存罐中，以免受紫外光的危害。
線材體(Filamentandwire)
3D列印中應用最廣泛的廉價設備，可說是以連續擠出聚合物材料燈絲或線材體的材料擠出法(MEX)，任何可以組合到此材料型態中的包含金屬、陶瓷與其他
添加材料都可以不用再次加工或以間接加工來獲得3D列印的產品，既簡單又饒富趣味；在材料噴射法(MJ)中，純金屬和合金線材是可以直接使用的；當線材直徑變大，就是棒材(Rod)，我們也歸類在線材之類，包含線(連續)、短柱與角狀物(不連續，如塑膠粒)、棒狀物等等。
薄片材料體(Sheetmaterial)
這個材料狀態是層疊貼合法(SL)特有的，但薄片材料體因厚度關係，有些固相如金屬會由硬片變成具撓性的板材，但黏性物質如塑膠、高分子或摻有粉末的高分子薄片等，相對地就會是柔軟的薄膜狀材料，每層的材料厚度就是最小的z軸方向解析度，這種材料型態是3D列印技術中比較能快速地堆積的類型，因為它已經是堆積完成的一整面材料，但也因此使特徵解析度受到很大限制。
材料的種類(Typeofmaterial)
按照表1所列舉的材料，我們在接下來的內容中列點進行描述。
聚合物(Poylmer)
聚合物名稱很多，如塑膠、高分子、有機物料等，依聚合的分子量區分，由幾百到幾十萬的單體聚合都有，因此存在由液相體轉變到膠體、黏性體，在到固體都有。只有少數天然高分子如天然橡膠，大部分是以石油化學提煉的副產物作為基質，添加不同的物質使其具光學（透光性）、力學（強度）、電學（絕緣性與導電）和熱學（絕熱與熱阻）等功能。
最常用於3D列印的聚合物材料，包含各種蠟（熔點25~120°C）、泛用塑膠（由110~250°C的玻璃轉化點，如ABS燈絲用在MEX）、工程塑膠（由180~400°C的玻璃轉化點，如PA尼龍用在燒結），這些聚合物都希望能夠很快地吸收能量熔化，並與之前列印固化的層互相在融合，同時最好能夠有結晶特性以獲得強度和精度；而解析度最高的光固化樹脂，則為3D列印件帶來透明光潔如寶石般的外觀，也是屬於聚合物。
比較新的還有彈性體如橡膠或硅膠，都能以3D列印做出有功能性的產品。別忘記聚合物的融合特性，是以分子間的吸引力，倚靠溫度的作用，使相鄰的材料產生融合，但光聚合樹脂是唯一例外，必須靠前面列印尚未全固化的樹脂互相融合，在列印後再次照射光以達到完全固化。
金屬(Metal)
只要能以焊接接合的金屬都可做為3D列印材料，進一步來說，只要能磨成粉末或壓成薄板的金屬，也都可以用膠黏、混合聚合物達到3D建模的目地。不過就金屬材料而言，我們大多是為獲得強固的一體化零件，因此固化金屬粉末的材料，在3D列印時以熔接或燒結的方式，獲得堅固且密度高的金屬零件製品，熔接則是以熔化材料互相混合為基礎的融合方式，這是大家比較熟悉的方法，也可理解為粉末的焊接；另外提到燒結，則與傳統粉末冶金和金屬射出成形有關，固相燒結可保持粉末材料在固體狀態以原子移動擴散達到緻密化，或利用液相出現產生的快速毛細現象吸收浸潤液相，填滿坯體實現完全密度，稱之為液相燒結。因早期3D列印技術的專利紛爭，金屬粉末的固化方式經常把熔接、焊接、燒結、融合、熔合混合在一起，現在ASTMF42分會已做了很好的上位名詞定義，故對此便不多敘述。
從材料學和化學的描述，金屬的特性來自金屬鍵結，係由於共用自由電子海導致金屬具有導電、導熱和延展性，金屬鍵是最強化學鍵三類之一。金屬材料必須要注意到其表面與環境氣氛形成的化合物，例如常見的氧化物，因為氧化的金屬形成了氧化物陶瓷，這些化合物的熔點非常高導致燒結作業的失敗，易氧化的金屬材料就不宜做為3D列印製程的材料，如鋁、鋅、鎂等，也因此3D列印金屬通常要進行惰性氣體的保護，否則一不小心就會變成一場精彩的煙火秀了。
陶瓷(Ceramic)
3D列印用的陶瓷材料指的並非常見的陶器或瓷器，雖然它們也可以拿來使用，但我們更專注在精密陶瓷材料，因陶瓷材料大多是金屬和氣體元素合成的，由於元素的結合是以強大的化學鍵—共價鍵(CovalentBond)和離子鍵(IonBond)形成，前者利用相鄰原子的共用電子，後者則利用離子的正負磁場分布吸引力，不但強硬又耐高溫，還因為生物相容性好，可用來做功能性強大的生醫應用。
可應用的陶瓷材料大多經過化學法純煉，所以正常取得都是極細小的粉末體(0.1~5µm)，因此3D列印的各製程都能取而使用，少則做為填充補強、多則扮演主角，發揮其耐化學、抗腐蝕、高耐磨等特性，只要適度利用表面金屬化沉積的3D列印技術，陶瓷材料也可在其表面形成電路，具電子傳送信號、導電、導熱的功能，因此精密且高等的陶瓷材料便被用在3D列印工業上了。
其他材料(Othermaterials)
在地球現實上，可被利用材料就只有金屬、陶瓷、聚合物三種加上材料的型態有三態（液、固、氣），其他因功能要求而開發出的材料或採自自然界的材料都是這三種材料種類和型態進行的排列組合，舉個例子：人們在海邊撿到貝殼，這種生物組織好比人類骨頭，組成的成分是丙基磷灰石與生物膠質交錯構成的複合材料，當你赤腳踩到可以感受到貝殼破片割傷腳底的刺痛，這是一種既鋒利又韌的生物複合材料，在以前人類想要仿造生物的骨骼組織是不可能的，但是現在透過3D列印的點到線到層的列印卻成為可能，哪怕將來透過3D列印出一塊木頭、一片蜂巢，甚至一片皮膚的人工材料，也不是甚麼新鮮事了。
結語
因特殊目的而研究出的各種材料，如半導體材料、生醫材料、纖維複合材料、奈米複合材料等，都脫離不了我們所學的基本物理、化學，以及數學的組合，給與定性和定量的管控而創造出有目的性的結構，我們現在才用到奈米級以上的材料，希望哪天3D列印可以用到量子級的材料，而在談到量子糾纏對材料所造成的影響前，我們還是先把微米等級以上的材料糾纏搞清楚吧！接下來Dr.Q將找一期為大家把快速原型(RapidPrototype)、3D列印(3DPrinting)、增材製造(AdditiveManufacturing)三個的差異給說明清楚，敬請期待。■
