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芳香性的生物可分解高分子─3D列印膠條的應用

108/07/26 瀏覽次數 2310

3D列印的技術日臻成熟,主要用以製造符合形狀、尺寸適合度及使用功能的成品。3D列印的技術日臻成熟,主要用以製造符合形狀、尺寸適合度及使用功能的成品。

 

3D列印技術的發展

 

近幾十年來全球高科技的發展與繪圖軟體的普及化,讓3D列印技術逐漸受到國際產業的重視。3D列印技術結合了數位化、材料、加工性等多元技術,配合快速成型技術,透過3D電腦輔助繪圖的設計,把3D模型圖片切割成一層又一層的2D分層切片,再按照分層切片大小與厚度,結合層積堆疊製造技術,把各種材料堆疊於成型的位置,再重複堆疊至產品呈現立體模樣。

 

全球產業(建築、工業設計、汽車、航太、軍事、醫療生技、服飾、飾品、地理資訊、食品等方面)開始陸續應用3D列印技術,製造許多跨時代的成品,例如3D列印的房屋、汽車、醫療器材、飾品、食品等商品。

 

3D列印的技術經過三十年的成長與改進日臻成熟,主要用以製造符合3F 原則(形狀(form)、尺寸適合度(fit)及使用功能(function))的成品。由於目前3D列印的成型技術太過於繁雜,2009年美國材料試驗協會把3D列印技術分為七大類型:光聚合固化成型、材料噴塗成型、材料擠製成型、粉體熔化成型、黏著劑噴塗成型、板材疊層成型、直接能量沉積型。其中以材料擠製成型技術的市場占有率、價格和普及率最高,一般中小型企業、教育機構或家庭都可以方便使用。

 

材料擠製成型於2009年技術專利到期後,許多企業與業餘玩家開始大量進行相關材料的製作與開發,市場上也相繼推出改良後的3D列印機。目前市面上已有多種入門機種,其中fused deposition modeling(FDM)型機種最受消費者青睞。這是因FDM型機種操作簡單方便,又可依大小需求製成家庭化或企業化的不同機型,來完成各式各樣的3D樣品物件。

 
3D列印成品圖3D列印成品圖
 

經FDM的3D列印製造後的成品,在產業上有多項優勢與特點,例如:可不需模組開發、組裝等費用、可有效節省材料的使用、跨越立體空間塑型限制、不受零件的形狀和結構的約束,使複雜模型可直接製造,因此可應用於模型、文創、生活用品等產業,讓新的商業發展機會更加龐大。

 

建築業─不管是設計師或者是在房仲介紹的過程中,都會利用到樣品屋模型。而一般製作時程需要長達1~1.5個月,但利用3D列印的方式可大幅縮短製作時間。

 

學校教具─從幼稚園至高中或大學時,常會透過教學用具加深學生對課程的認知。經由3D列印的設計,針對教案設計、目標和內容等可製作出更貼近課程的教學輔具。

 

文創業─目前許多文創業者投入3D列印,主要是因文創業大多訴求創新性和獨創性,並非大型量產化,因此傳統的開模製造成本太高。利用3D列印的技術可大幅降低產品設計與開模的成本,且不受到傳統模型製造的限制。

 

飾品業─如果把常見的飾品以3D列印設計與製造後,可依照個人喜好做出新穎的吊飾或耳環等飾品。

 

生活用品∕親子型─可透過3D列印製造小型零件、玩具模型或生活用品,適合親子型的製作,增強孩童學習的能力。

 

而FDM型3D列印機的技術原理,是把熱塑型3D列印膠條通過加熱後的噴頭融化,擠壓層積在列印底板上,以層層堆積成立體物件的方式完成3D成品,可跳過許多傳統製造的繁雜瑣事。經3D列印製造後,其成品的結構與功能主要取決於3D列印膠條材料的特性,因此熱塑型3D列印膠條成了現今3D列印的重點材料。

 
3D列印示意圖3D列印示意圖
 

3D列印膠條

 

現今國內在FDM型3D列印技術方面,有非常完整的系統性,再加上3D列印機市場有明顯普及化的現象,以及硬體技術更為成熟,因此產業開發重心逐漸轉移至以3D列印膠條為主,並以提升材料結構強度、功能性及實用性做為開發的目的,來滿足消費者客製化產品的需求。所謂3D列印膠條是指由熱塑性高分子所製造出的圓條狀線材,線徑範圍約為1.75±0.05或2.85±0.05公厘等,若不符合相關線徑規範的材料,容易在噴頭中造成線材堵塞、斷裂或印製不完全等情況。

 

而目前在熱塑性3D列印膠條高分子材料中,以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、尼龍(Nylon)、聚碳酸酯(PC)等線材較為常見。這些材料都是由石油原料提煉得到,雖有良好的物理與化學性質,且適用於FDM型印製,但在列印過程中可能釋放出有毒物質與異味,進而影響到人體健康。此外,考慮到未來3D列印製品廢棄後後續處理的環境問題,上述這些材料已較不適合長期發展使用。

 

在未來使用環境友善性生物可分解高分子材料會更加普及化,另外生物可分解高分子的性能須與石化膠條相近,且廢棄後能在自然環境條件下受到微生物降解,分解成二氧化碳、水、熱量等。而過去因生物可分解性膠條價格較傳統石化膠條高出許多,使其市場受限。目前生物可分解性膠條已進入量產階段,技術越來越成熟,價格也隨之下降,因此往後發展生物可分解高分子膠條會成為必然的趨勢。

 
 生物可分解高分子的分解示意圖生物可分解高分子的分解示意圖
 

生物可分解3D列印膠條

 

生物可分解的3D列印膠條高分子材質是經聚合反應而成的,具有類似傳統熱塑性高分子材質的物理性質,丟棄後經由堆肥或掩埋方式,於數月或數年就可完全分解,不會對環境造成衝擊。而目前最常應用的生物可分解3D膠條,主要以PVA、PLA、PCL和複合式的3D列印膠條為主,各材料的優缺點說明如下:

 

Polyvinyl alcohol(PVA)─主要經化學合成的方式製造出來。列印溫度約在攝氏180~200度,是一種廣泛使用的水溶性高分子,遇水後會迅速分解,因此屬於支撐型材料,並不能做為列印的主要材料,且容易與空氣中的水分子結合導致線材變質。

 

Polylactic acid(PLA)─由玉米澱粉和甘蔗衍生物混合製成。列印溫度約在攝氏180~200度,並在列印過程中產生微弱的香氣,其價格便宜。但PLA脆性很高,產品碰撞時較會破損。

 

Polycaprolactone(PCL)─經由化學合成製得。列印溫度約在攝氏60~80度,具有優異的耐衝擊強度和耐久性,且熔化溫度僅需約攝氏60度,遠低於一般3D列印膠條材料的加工溫度。但相對的,在較稍微高溫的環境下(如太陽底下),容易造成產品軟化變形或破裂。

 

複合式生物可分解膠條─是利用生物可分解材料與其他材料混合,如科技產品(奈米碳管)、化合物(奈米銀)、農業廢棄物(稻殼)、餐飲廢棄物(咖啡渣)、加工廢棄物(檜木屑)等各種物質,重新製成具有功能性的3D列印膠條,可構成導電型、抗菌型、仿木型或芳香型等多層面的應用。

 

在上述的材料中,複合式生物可分解膠條最能符合3D列印技術的潮流,以及顧客對膠條材料多樣化的需求。目前許多企業逐漸開發這種不僅環保,還具再生資源及機能性的3D列印膠條材質,並藉由複合材的技術提高膠條的應用性及功能性,大幅增強附加價值及應用層面,使消費者有更多的選擇性。而在眾多的複合式膠條中,又以芳香型的3D列印膠條最具獨特性,且在國內市場中相當罕見。

 
 各類型的3D列印膠條各類型的3D列印膠條
 

設計機制

 

利用各式廢棄的香氣粉末體做為填充材,並均衡分布於膠條內部,而其芳香性主要依靠內部的芳香類化合物或者植物纖維,在高溫的噴頭中散發出味道,或可保留至印製後的產品中,這取決於芳香性粉末的添加量。

 

添加量較低時─可使膠條在列印過程中,透過高溫釋放出各種芳香性粉末的味道或植物纖維的木質味。

 

添加量較高時─除了在3D列印過程中會釋放濃郁的香氣外,還可在列印後把剩餘的芳香類化合物儲存在3D製品表面上,並保留芳香性的味道。

 

通常芳香性粉末可取自花草樹木的內含物,但因芳香類化合物含量過多時會造成在製造3D列印膠條的加工良率降低,且導致釋放的芳香氣味太過濃厚,使人感到頭暈、想吐等症狀,因此把這類物質作為添加材的處理與含量控制是重要的課題。

 

而為了響應目前環保與再生資源的議題,可選擇廢棄後的芳香類花草樹木做為添加的材料。像利用農業廢棄物(具有豐富的植物纖維,如稻殼或棕櫚等)、餐飲廢棄物(含有許多油脂類的成分,如咖啡渣或酒渣等)或萃取過後的花草樹木(內含少數油脂和多數植物纖維,如檜木或檀香等)等研磨及處理後的粉末,與生物可分解高分子製作成芳香性生物可分解3D列印膠條。


複合式芳香膠條組成和釋放香氣的示意圖複合式芳香膠條組成和釋放香氣的示意圖
 

稻殼芳香性膠條─稻殼占農業殘留物最大宗,取得容易,價格低廉。其中稻殼組成包含纖維素、木質素、半纖維素、有機醣類等,在添加少量的稻殼後,可以在列印的過程中釋放出木質的芳香味,且因結構含有大量纖維,對3D列印膠條的機械性質有提升的效果。

 

咖啡渣芳香膠條─咖啡衍生出的咖啡渣量相當龐大,咖啡渣包含許多纖維素、半纖維素、油脂類,以及少量碳氫化合物、活性碳分子結構等物質,運用於3D列印時,可藉由高溫釋放出咖啡香氣,並且在產品中保留淡淡的咖啡香。

 

薰衣草芳香性膠條─一般工業萃取精油的體積量相當大,因此精油萃取率較低,且萃取完的廢棄物也不易處理。而萃取後薰衣草的廢棄物富含許多纖維素、碳氫化合物和少量的精油,隨著3D列印的印製可帶出薰衣草香味。

檜木芳香性膠條─檜木是高經濟價值的樹木,且具有醫藥價值,可從萃取過後的廢棄物回收或木工切割剩餘後的殘渣收集。回收後的檜木內部仍含有許多纖維素、半纖維素、木質部、精油、生物活性因子等成分,因此在3D列印的加工後,除了具有檜木香味外,還會使產品具有仿木的效果。

這類芳香性生物可分解3D列印膠條,不論是添加稻殼、咖啡渣、薰衣草、檜木等芳香性物質,都是透過3D列印的噴頭,刺激出內部的油脂成分於空氣中或產品表面上,而讓香氣散發出來。而相關3D列印製品的廢棄物,可利用堆肥方式埋入土壤中,除了生物可分解物質的分解效果外,還可透過芳香性粉末自身分解效果,促進土壤中的微生物快速分解,產生二氧化碳、熱、水,也不會造成環境的汙染,而能達到環境保護的目的。

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