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2023 專業3D列印與材料趨勢
由於過去十年增材製造 (Additive Manufacturing，AM) 技術的蓬勃發展，如今的專業 3D 列印機，已不僅僅只用於快速原型製作和創客的愛好發展。
您知道嗎，現今的3D列印技術，在不超過一個桌面型家庭水族箱大小的 3D 列印機，已經可以列印強度足以用作賽車功能的塑料零件？
如今，專業 3D 列印機受到極大的信任，開始為許多高風險、安全關鍵應用製造零件：例如乘坐飛機飛行和在工廠中承載高達 960 公斤的負載。
在現今3D 列印領域中，新技術的改進與強化的部件，為專業 3D 列印機應用開闢了許多令人驚奇的新用途。
您可以使用專業 3D 列印機做什麼？
關鍵時刻列印出堅固的部件 —— 具有正確的材料特性 —— 為製造商如何利用 3D 列印開闢了很多行業可能性：
音響製造商 Wilson Benesch使用3D列印複合材料製作他們的成品，例如這個轉盤系統。
智慧工廠：專業的 3D 列印機可用於快速、降低成本、增加良率的生產工具、工業機械組件，或在有需求時，能夠快速製造替換零件。
使用當今專業 3D 列印機打造的工業零件，已有被用於重覆提升和移動重達 960公斤的負載的案例 (原廠設置)。
飛機零件：航空航天應用的材料特性要求嚴苛，但專為其需求設計的堅固、阻燃、輕盈、便利的積層製造/3D列印材料，現已上市。
這些積層製造/3D列印工程材料的可追溯性意味著航空航天設計師，可以簡單地點擊“開始列印”就可以製造可飛行的最終使用部件。
由美國宇航局NASA噴氣推進實驗室、麻省理工學院和加州理工學院等機構的工程師生產的自主機器人，都有大約 15 個 3D 列印零件。
機器人工程： 積層製造/3D列印技術是製造和維護機器人系統的理想選擇。
來自 NASA 噴氣推進實驗室 (JPL)、麻省理工學院 (MIT)、加州理工學院 (Caltech) 和其他組織的 60 名工程師組成的團隊使用他們的專業 3D 列印機參加機器人競賽。
3D 列印使他們能夠為他們的機器人車輛打造一個耐衝擊的輕型車身，並對損壞的零件進行快速現場維護。
汽車：賽車隊正在使用增材製造來快速製造堅固、輕便和耐熱的最終用途汽車零件，以最大限度地提高性能。
生產零件：製造商可以使用 3D 列印機，製造具有複雜幾何形狀的零件、客製最終用途零件，或者規劃更具成本效益的小批量生產。今日的專業 3D 列印機發展，已經可靠的列印出高品質的表面光滑度，供應於最終用途零件，並使其適用於市售商品上，例如Wilson Benesch 音響轉盤系統。
供應鏈控制：能夠使用內部3D列印，可以讓製造商以更低的風險，重新考慮他們的供應鏈。
可以大大縮短交貨時間，不用再依賴外部供應商，並避免潛在的物流延誤。工程師不必等待數週甚至數月，才能收到他們訂購的零件。通過雲端，保存為數位庫存的零件，可以發送到雲端網路中的任何3D列印機，並在幾小時到幾天內，在需要的時候即可快速出需要的3D列印件。
Tiny Pilot 使用專業的 3D 列印機，經濟實惠的小批量製造生產出耐用、外觀專業的外殼，可容納虛擬機 (KVM) over IP 設備的部件。
是什麼為當今的專業 3D 列印機如此發展？
以桌上型3D列印為例，直到最近五年左右，即使是最頂級的專業 3D 列印機，也只能用於快速原型製作，而別無其他。AM 技術的這六項關鍵進步，使 3D 列印成為在精確的時間和需要的點，製造堅固的最終用途部件的合適方法：
功率、速度、尺寸、可靠性：為了滿足製造商對規模化生產的需求，專業 3D 列印機的發展顯著提高了列印速度、可靠性、最大零件尺寸和零件品質。現在，即使是桌上型大小的 3D 列印機，也可以在關鍵製造角色中，產生一致、高品量的結果。
用戶友好性：用戶友好的3D 列印軟體的開發，已經簡化並自動化了舊式AM 工作流程中許多以前的複雜過程，使其成為一個更加簡單的過程。現在，有效使用專業 3D 列印機不需要專門的勞動力或 AM 專業知識。
創新材料：今天的 3D 列印材料已經超越了原型製作材料。供應商已經為要求苛刻的應用設計了專門的高性能 3D 列印材料，例如：比機加工鋁更堅固但重量僅為其一小部分的航空級複合材料。可以列印具有高耐熱性和耐化學性的部件，並用連續纖維進行強化，以在部件內的任何地方增加額外的強度。
工業 4.0連接：每個用戶和列印機組之間基於雲的連接還允許分佈式製造操作。用戶可以在不同地理位置的 3D 列印機上啟動列印。確保在需要的時間和地點提供正確零件的能力可以解決許多關鍵的供應鏈效率低下和挑戰。
3D 列印軟體系統整合允許用戶通過核心工廠系統（例如製造執行系統 (MES)、企業資源規劃 (ERP) 或企業資產管理 (EAM) 系統）中的請求啟動零件生產，或者通過掃描零件的條形碼需要複製的物理部分。
是什麼讓今天的 3D 列印材料如此堅固且用途廣泛？
現今的專業 3D 列印機可以使用結構堅固的複合材料，製造高性能材料零件，這些複合材料包含具有強度、耐用性和材料特性優勢的連續纖維。
什麼是複合材料？
當兩種或多種材料（每種材料具有不同的特性）在不混合或溶解在一起的情況下組合在一起時，就會製成複合材料。
通常，選擇具有互補特性的材料，並產生針對特定條件優化的材料。
複合材料由較弱的結合材料組成，並用增強材料進行了增強。強度更高的材料的“纖維”被強度較低的材料包圍，包圍纖維的低強度材料被稱為“基體”。
大多數製造複合材料都涉及塑料基體，例如尼龍，而增強纖維可能是玻璃纖維或碳纖維。
複合材料因其高強度和高剛度、低重量以及實現設計自由，而被廣泛使用。複合材料的強度可能是其任何一種成分的數百倍。
雖然無需專業 3D 列印機知識，即可製造複合材料，但傳統的複合材料製造模式可能需要大量人力，大量培訓和專業知識，並且需要大量昂貴的設備和機械。
Titans of CNC 的教育總監 Scott Leoncini 展示了用連續纖維增強的 3D 列印部件的強度和剛度。
連續纖維的作用。在專業 3D 列印機生產的最強複合材料中，連續纖維充當強化纖維成分，與塑料基體結合。
連續纖維是塗有熱塑性塑料的長纖維絲束。它們賦予複合材料零件金屬的方向強度。它們的彈性模量比塑料大 16 至 46 倍。與懸浮在塑料中的短切纖維相反，連續纖維不間斷地穿過零件，從而將載荷分佈在零件的三維幾何結構上。它們在張力下表現最佳，因此在列印它們時考慮到負載條件至關重要。
連續纖維通常由碳纖維製成，但也可以是連續玻璃纖維、Kevlar®和HSHT（高強度、高溫）玻璃纖維。
與用較長的連續纖維增強的部件不同，用短切纖維列印的部件在技術上不是複合材料，因為纖維在塑料內部混合，而不是保持不同。雖然短切纖維與強度和剛度的適度提升有關，但它並沒有提供連續纖維增強所提供的顯著提升。短切纖維可逐步改善零件性能，而連續纖維可實現階躍式改進。
每條藍線代表一層連續纖維。
內含有連續纖維的 3D 列印複合材。具有連續纖維增強 (CFR) 的 3D 列印部件通過將連續纖維與塑料基體相結合來工作。
在列印具有連續纖維增強的部件時，專業 3D 列印機使用兩個噴嘴和擠出系統。
塑料材料通過加熱的噴嘴擠出後，第二個噴嘴將連續纖維材料釋放到塑料材料之中，通過加熱噴嘴釋放塑料材料，熱融合每根連續纖維束周圍的熱塑性塗層，將其熔化，使其粘附到塑料基體中。
零件可以通過多種不同的方式進行加固，以針對不同的負載條件進行優化，纖維可以在 3D 列印部件的每一層內以各種 2D 方向鋪設。
用戶還可以通過改變一層中的纖維量以及指定增強的層數來動態控制零件中的纖維量。這種控制使工程師能夠根據需要精確地 3D 列印零件。
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