塑膠專欄
3D列印仿生材料開發與應用
3D列印與快速模具
隨著工業技術不斷演進，產品開發開始求新求變，且逐漸以個人化與客製化方式發展，因此快速成型技術的出現，能夠讓傳統工業發展更快速且更節約成本，並且這樣的技術能夠深入各個使用客群，方便產品之快速打樣、製模或製作成品。
快速成型技術的使用目前已涵蓋多種應用端，其跳脫傳統工業開發技術的觀念，將所需產品進行電腦繪圖創建出3D立體模型，並應用塑膠材料、金屬粉末使其熔融後進行層與層的堆疊，最後完成人們所需要之產品。
其實這樣的技術已存在二三十年以上的時間，但近期由於DIY與個人化設計應用的發展，因此本技術被稱為帶動第三次工業革命之核心技術之一。
3D列印製程技術可以分成以下幾種：
ㄧ、顯擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering , SLS)
本方法為透過電腦控制雷射照射位置，使位置上之材料經過雷射燒結後產生黏著，一般材料常使用鋼、鈦等金屬粉末或熱塑性高分子材料；之後再鋪疊另一層金屬粉末繼續下一層的製程。
圖一、顯擇性雷射燒結製成
二、光硬化成形法(Sterolithography , SLA)
本製成利用液態光硬化樹脂，透過雷射或紫外線光束進行光硬化製成，由於光硬化反應速度快，因此製成速度較快，另外因成形精準度需求很高(精密度可達0.05~0.15 mm)，因此成品表面十分精細，且可製成大型結構；但由於光硬化樹脂價格昂貴，因此本技術仍較不普及。
圖二、光硬化成形法製成
三、熔融沉積成形法(Fused deposition modeling , FDM)
圖三、熔融沉積成形法製成
近期由於3D列印技術專利於2009年到期後，在許多玩家、業者與媒體提倡與宣導下，開始利用熔融沉積法進行相關材料與產品之製作與開發，市場上也開始相繼推出價格較便宜之3D列印機，因此目前最常出現之入門機種皆運用FDM(熔融沉積成型)之技術工藝製備工件。
FDM是利用模頭加熱使高分子材料達到熔融，進而於電腦控制下進行二維幾何運動，將膠條一層一層的進行層積後冷卻固化，當本層列印完畢後，透過載台之垂直升降再進行下一層的列印工作。
較常使用之材料以ABS或PLA為主；ABS具有良好之抗衝擊性、耐熱性、耐化性等優良特性，且尺寸穩定，表面光澤度佳，因此試種用途及廣之熱塑性高分子材料，但缺點是列印過程會產生刺鼻的有毒氣體。而PLA雖沒有ABS之強度且價格較貴，但其列印過程不會產出有毒氣體，且材料具有微生物可分解性，使用上較為安全。
在眾多Maker、工藝設計師的應用下，3D列印開始注重成品的外觀與材質特性，因此開始有不同材料之需求，其中包含仿生材料。
此材料即以大自然動、植、礦物為模仿對象，搭配與塑膠的結合，使材料具有大自然原料之外觀或生物可降解性，故稱之為仿生材料(Biomimetic Materials)。
目前市面上常見之3D列印用仿生材料又以PLA為主要材料進行製作，其中包含塑木、竹子、陶瓷、紅銅、青銅、黃銅、不鏽鋼等仿生材料，另外也有些業者依造不同運用需求開發不同之產品，例如需要較高強度之結構可使用ABS/碳纖維。
有鑑於特殊用列印膠條價格依然居高不下，塑膠中心發展出與一般塑膠價格相似之塑木3D列印膠條，透過原料之配方調整，針對不同之列印需求，列印出具有木頭觸感與木紋外觀之物件；另外中心也發展似陶瓷外觀與光澤之仿瓷3D列印膠條，以符合各種成品之特性需求。
圖四、3D列印塑木製件
塑膠中心搭配上過去既有之相關技術，開發出極具特色之形狀記憶3D列印膠條，於設定溫度下自由塑形記憶，並再經加熱以回到原來產品之外觀之特性，以增加業者運輸產品之運送量，並提供符合操作者只手感以增加產品操作性，以達到製造單一性與使用客製化之需求，相信此材料不論運用在民生或工業用品上，皆具有良好之發展性與產品特色。
圖五、3D列印形狀記憶製件
快速成型技術的使用目前已涵蓋多種應用端，其跳脫傳統工業開發技術的觀念，將所需產品進行電腦繪圖創建出3D立體模型，並應用塑膠材料、金屬粉末使其熔融後進行層與層的堆疊，最後完成人們所需要之產品。
其實這樣的技術已存在二三十年以上的時間，但近期由於DIY與個人化設計應用的發展，因此本技術被稱為帶動第三次工業革命之核心技術之一。
3D列印製程技術可以分成以下幾種：
ㄧ、顯擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering , SLS)
本方法為透過電腦控制雷射照射位置，使位置上之材料經過雷射燒結後產生黏著，一般材料常使用鋼、鈦等金屬粉末或熱塑性高分子材料；之後再鋪疊另一層金屬粉末繼續下一層的製程。
二、光硬化成形法(Sterolithography , SLA)
本製成利用液態光硬化樹脂，透過雷射或紫外線光束進行光硬化製成，由於光硬化反應速度快，因此製成速度較快，另外因成形精準度需求很高(精密度可達0.05~0.15 mm)，因此成品表面十分精細，且可製成大型結構；但由於光硬化樹脂價格昂貴，因此本技術仍較不普及。
圖二、光硬化成形法製成
三、熔融沉積成形法(Fused deposition modeling , FDM)
圖三、熔融沉積成形法製成
近期由於3D列印技術專利於2009年到期後，在許多玩家、業者與媒體提倡與宣導下，開始利用熔融沉積法進行相關材料與產品之製作與開發，市場上也開始相繼推出價格較便宜之3D列印機，因此目前最常出現之入門機種皆運用FDM(熔融沉積成型)之技術工藝製備工件。
FDM是利用模頭加熱使高分子材料達到熔融，進而於電腦控制下進行二維幾何運動，將膠條一層一層的進行層積後冷卻固化，當本層列印完畢後，透過載台之垂直升降再進行下一層的列印工作。
較常使用之材料以ABS或PLA為主；ABS具有良好之抗衝擊性、耐熱性、耐化性等優良特性，且尺寸穩定，表面光澤度佳，因此試種用途及廣之熱塑性高分子材料，但缺點是列印過程會產生刺鼻的有毒氣體。而PLA雖沒有ABS之強度且價格較貴，但其列印過程不會產出有毒氣體，且材料具有微生物可分解性，使用上較為安全。
在眾多Maker、工藝設計師的應用下，3D列印開始注重成品的外觀與材質特性，因此開始有不同材料之需求，其中包含仿生材料。
此材料即以大自然動、植、礦物為模仿對象，搭配與塑膠的結合，使材料具有大自然原料之外觀或生物可降解性，故稱之為仿生材料(Biomimetic Materials)。
目前市面上常見之3D列印用仿生材料又以PLA為主要材料進行製作，其中包含塑木、竹子、陶瓷、紅銅、青銅、黃銅、不鏽鋼等仿生材料，另外也有些業者依造不同運用需求開發不同之產品，例如需要較高強度之結構可使用ABS/碳纖維。
有鑑於特殊用列印膠條價格依然居高不下，塑膠中心發展出與一般塑膠價格相似之塑木3D列印膠條，透過原料之配方調整，針對不同之列印需求，列印出具有木頭觸感與木紋外觀之物件；另外中心也發展似陶瓷外觀與光澤之仿瓷3D列印膠條，以符合各種成品之特性需求。
圖四、3D列印塑木製件
塑膠中心搭配上過去既有之相關技術，開發出極具特色之形狀記憶3D列印膠條，於設定溫度下自由塑形記憶，並再經加熱以回到原來產品之外觀之特性，以增加業者運輸產品之運送量，並提供符合操作者只手感以增加產品操作性，以達到製造單一性與使用客製化之需求，相信此材料不論運用在民生或工業用品上，皆具有良好之發展性與產品特色。
圖五、3D列印形狀記憶製件