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2020年8月4日 星期二

3D列印碳纖電動輔助自行車?

3D列印碳纖維電動輔助自行車是很吸引人的標題。
位於美國加州的新創公司SUPERSTRATA,於2020年7月的報導中提出,推出號稱全世界第一台,客製化3D列印耐衝擊的一體成形碳纖電動輔助自行車[1]。
該產品透過募資平台Indiegogo集資,預計2020年12月底前出貨[2]。
SUPERSTRATA[1]
自行車價位約USD2000~2800,電動輔助自行車約USD4000。由募資網站的資訊顯示,集資金額超出預期募款金額甚多,看起來很多人熱烈響應。
當今主流的3D列印技術包含熱熔融層積(FDM: fused deposition modeling)、光固化(SLA)與雷射粉末燒結(SLS)三種,FDM是最普遍的技術[3]。
FDM的製造程序是將可熱塑性的複合材料,例如ABS或是PLA製作成長條形,如線一般纏繞在圓形的捲軸上。打印時,將原料抽出經過加熱頭加熱成流體狀,在由噴嘴射出。過程很類似DIY手工藝使用的熱熔槍。
FDM列印過程展示[4]
FDM列印使用的原料ABS或是PLA強度均不佳,因此有人想到加入某些原料讓強度增加,輕量化強度佳的碳纖維當然是選項之一。做法是將碳些微切成長度比3D列印噴嘴小(小於0.4mm)的小屑片,並且混合到原來的列印原料中。
雖然仍有碳纖維,但是跟傳統的碳纖維已經有很大的差異,因為不再是長纖維狀,而是非常短的纖維屑片。不過這並不表示它的強度不如原始的纖維絲弱,特別是與強度相對高的塑膠材料,例如尼龍,混合時強度可能更好[5]。
下圖為位於美國加州的MatterHackers公司的NYLONx碳纖維強化尼龍絲,內涵20%的碳纖維(以重量計算)[6]。
NYLONx[5]

由MatterHackers網站所提供的資訊,技術與價格看起來都已經達到親民的程度,所以新創公司順勢推出3D列印自行車,可以說是水到渠成。
依據該公司對於產品的介紹,車架跟前叉使用熱塑性碳纖維複合材料(Thermoplastic Carbon Fiber Composites),這應該就是跟NYLONx類似的原料,只是用比較專業的名詞描述。
碳纖維原料大廠TORAY所生產的熱塑性碳纖維複合材料CFRP TORAYCA™Resin,主要透過射出成型技術量產複雜形狀的產品或零件[7]。
以碳纖維為原料製成各種產品時,一般來說可以使用三種方式:
單一方向預浸(UDPP)
先進鍛造碳纖複合材料(AFCT)
射出成型(Mould Injection)
上述三種製造程序所使用的雖然都是碳纖維,但是在不同的製造過程中,會以不同的原料形式出現。那3D類印跟這三種有何關聯?
就我自己對於射出成型與FDM 3D列印的認知,兩者有蠻多相似之處[8,9]。
FDM列印的原料是長條型棒狀原料,而射出成型的原料則是細小顆粒狀。
兩者的原始狀態是固體,生產過程首先須將原料加熱成液體狀,透個直徑很小的噴嘴,將液態的原料由噴嘴射出。
FDM機器將噴出的原料,依據所要生產之成品的形狀,以很薄的薄層逐一累積成最後的形狀,類似將奶油擠在蛋糕上,形成各式花樣一般。
射出成型則是將液態狀原料射到一個跟最後產品外型吻合的模穴中,並且將之注滿。
兩者皆須等待一段時間,讓尚為半固化液態的成品冷卻並固化後,再行取出進行後續的程序。
西班牙Castilla-La Mancha大學的一群研究人員,最近發表以尼龍(PA6)為原料,分別以3D列印與射出成型製作成品,並比較兩種方式所產生的成品的各種特性[10]。所使用的原料是3DX Tech公司的CarbonXTM CRF-Nylon為3D列印原料,內含重量為20%的碳纖維,射出成型也使用相同成分的材料,只是形狀為顆粒狀。
研究結果顯示,3D列印件的抗拉強度比射出成型件差,這與其他研究報告的結果吻合。兩者在壓縮試驗部分,呈現類似的響應。
3D列印件的剛性優於射出成型件。
對於抗拉強度與壓縮試驗之間的比較顯示,這種碳纖維強化聚合物,不論哪一種製造程序中,在壓縮性與拉伸性負載下,會呈現不同的行為。因此在選擇製造程序時,產品的哪一種特性是重點,是很重要的因素。

3D列印
射出成型
發展年代大約1980年代出現大小輪骨董車出現的隔年1872年,核准射出成型第一個專利
原料型態線狀顆粒狀聚合物
生產型態適合客製化生產適合大量生產
抗拉強度略差
剛性略差
壓縮性相同相同
不過觀察該公司在Youtube上發表的產品影片,才三個星期,簡直是一面倒的噓聲,真是令人產不忍賭[11]。甚至有人說,就不要太認真了,因為這個產品不會上市!老實說我有同感!
不過還真想看看3D列印的電動輔助自行車的效果如何。

參考資料
  1. SUPERSTRATA, https://www.superstrata.bike/
  2. Indiegogo, Superstrata Bike, https://www.indiegogo.com/projects/superstrata-bike#/
  3. 3DMART, 3D列印知識】新手入門:常見3D列印技術比較及原理(2019.12.17更新),https://3dmart.com.tw/tutorials/comparing-fff-sla-and-sls-technologies
  4. https://www.youtube.com/watch?v=m_QhY1aABsE
  5. Fabbaloo, Is “Carbon Fiber” 3D Print Material Really “Carbon Fiber”?, https://www.fabbaloo.com/blog/2017/7/18/is-carbon-fiber-3d-print-material-really-carbon-fiber
  6. MatterHackers, NylonX Carbon Fiber Filament - 2.85mm (3kg), https://www.matterhackers.com/store/l/nylonx-carbon-fiber-filament-300mm-3kg/sk/M22FN3AQ
  7. TORAY, TORAYCA™Resin, https://www.toray.eu/products/plastics/pla_0080.html
  8. 蔡穎玫、葉羽馨、王茂齡。「當我塑膠?」欸!塑膠生成學問高!。科技大觀園。https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sTHl.htm
  9. 林鼎勝。3D列印的發展現況。科學發展。 503期。2014/11, PP32~37。https://ejournal.stpi.narl.org.tw/sd/download?source=10311-04.pdf&vlId=254DBE09-AB70-4348-B759-E678BD8862FD&nd=1&ds=1
  10. Verdejo de Toro, E., Coello Sobrino, J., Martínez Martínez, A., Miguel Eguía, V., & Ayllón Pérez, J. (2020). Investigation of a Short Carbon Fibre-Reinforced Polyamide and Comparison of Two Manufacturing Processes: Fused Deposition Modelling (FDM) and Polymer Injection Moulding (PIM). Materials, 13(3), 672.
  11. https://www.youtube.com/watch?v=PxRa0JyILQE&feature=emb_logo

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