產出成功有效的積層製造產品取決於材料的特性與行為。流變學為安全、有效率和可再現的聚合物製造提供了重要資訊。

聚合物產品無所不在，從包裝薄膜、優格容器到複雜的汽車零件。即使應用於各種不同的領域，塑膠產品通常都是以相同的簡單步驟來製造：

1. 從聚合物為基底的材料開始，通常為顆粒或粉末的形式
2. 加熱材料形成自由流動的熔體
3. 透過吹膜、注射成型、擠出或積層製造（3D 列印）等技術對熔融材料進行塑形
4. 讓產品冷卻凝固

所得產品的特性與形狀在很大程度上取決於加工過程。製造商需要深入詳盡地瞭解材料與應用，以達到期望的最終產品品質。在加工過程中瞭解材料特性雖是可行的方式，但會損失更多材料及增加生產成本。

在加工之前，以實驗室規模進行材料特徵分析，會更有效率並提高生產率。然後製造商可以藉由測得的材料特性來設計加工條件。

製造商和研究人員皆利用流變學（對材料變形與流動的研究）來獲得關於固態與液態材料的關鍵、精確見解，為成功的積層製造提供資訊。

雖然積層製造為提升效率和塑造獨特形狀提供嶄新的機會，但在創造完美的產品方面仍存在各種難題。

在積層製造過程中，聚合物將被熔化成熔融狀態，並透過 3D 列印機的管線和噴嘴擠出。因此，必須盡可能達到最低黏度，使聚合物可以自由流動。然而，擠出之後，聚合物必須立即保持形狀，而且在冷卻過程中不變形。Waters – TA Instruments 的材料應用專家 Lukas Schwab 指出，用於 3D 列印中的材料需要在黏度（液體流動特徵）和固態彈性之間達到精確平衡。

3D 列印過程中，將聚合物擠壓入一個狹窄的模具。可能會發生一種稱為「股線膨脹」的現象，即穿出模具後，聚合物股徑將比模具的直徑略微增加。直徑變化的程度可用流變儀檢查。預測及測量股線膨脹將有助於製造商確保 3D 列印產品的精確度。

結合回收材料對聚合物製造商而言，又是另一個挑戰。用過的塑膠常含有殘留的添加劑、顏料和填料，會影響熔融體的品質與加工性，以及在製造過程中的行為。因此，再生塑膠的加工過程及其最終產品可能都難以預測。也因此，生質塑膠需要詳盡的材料分析。

儘管存在這些潛在的干擾與不確定性，製造商仍然可以執行有效的預期產品控制和品質保證。兩個關鍵的分析考慮觀點：

• 產品中使用的所有材料成分之間的相互作用
• 必要的處理參數，包括溫度、壓力和流速

Waters 的應用支援專家 Marco Coletti 在他的網絡研討會上解釋，如何藉助流變學研究改善 3D 列印以及積層製造技術。

Lukas Schwab 解釋說，使用相對強大、高精確度的流變儀可以測定流變特性，這是材料特徵分析中的重要一環。

這位 Waters 的材料應用專家也說：「特別是在聚合物熔融體等液態物質的情況下，如果沒有合乎需求的儀器，那麼掌握與預測流變特性可能會非常耗時。」根據作用其上的力度大小，樣品的行為通常會不同，這表示「試樣的流動和變形行為只能透過實驗模糊地預測，或是透過流變學更精確地確定。」

Discovery HR 流變儀 (DHR) 是用於流變學的多功能分析平台。配備最新的專利技術，以及操作極易上手的特色，使測量直接張力或變形控制以及軸向力規格不再是件難事。

流變量測是用流變儀執行的。流變儀測量材料（固態或液態）在受力時的變形。應力、應變和剪切行為的結合構成了流變學（材料變形科學）的基礎。

旋轉流變量測方面，將試樣放置於兩圓板間的圓筒中並擠壓在一起。例如，其中一塊圓板以規定的速度與方向旋轉。Lukas Schwab 解釋說，「旋轉量測適合測定材料黏度，進而測定如 3D 列印過程中的輸送與處理能力。」

相較之下，振盪量測，即兩個平板之一以小振幅、正弦方式來回移動，提供有關試樣平衡結構的更多資訊，更能用於測定材料特性。振盪量測有助於找出不同產品批次的分子量，或是材料在低力作用下的行為等問題的答案。

材料的黏度或黏彈性通常藉助流變測量法來測定，Lukas Schwab 總結說：「黏度——內部摩擦力引起的流動阻力數值——取決於系統的微觀特性，例如粒徑。反之，黏彈性是材料響應變形力的特性的數值。在純彈性材料中，施加負載後不會發生能量耗散的情形；在黏彈性材料中，由於材料的變形，應力-應變行為的效果（遲滯現象）會發生一些變化。」

Lukas Schwab 解釋說，因為不良的黏彈性行為會導致材料的性能不佳和易脆性，因此在許多生產過程中將流變量測作為品質控制的方法。黏彈性也可用於測定固體的耐久性與熱機械分解行為。

測量所有必要的特性——黏度、分子量、材料行為和黏彈性——似乎相當艱鉅，但是 Discovery HR 流變儀具有獨特的能力，能夠以產業領先的準確性及易用性，提供熔融態或固態聚合物材料的完整資訊。

請參閱聚合物應用頁，瞭解更多關於生產永續、高效聚合物的其他種類的材料分析資訊。並聯絡 TA Instruments 與聚合物材料分析專家取得聯繫。