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3D Printing燃起跨时代工业新革命
印你所要 自己自造

【作者: 陳韋哲】2014年05月05日 星期一

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若要评选哪一项才是2013年全年度最具代表性的技术议题,相信被「经济学人」杂志喻为是触发第三次工业革命之一的3D列印便是最佳的不二人选。日前Gartner公布了一份针对2014年前十大策略性科技趋势的看法报告,3D列印再次获选入榜。 3D列印不仅在市场掀起一波产业革命,也进而带动自造者运动,更让远在美国的白宫主人欧巴马深深为之著迷。


即便3D列印惨遭鸿海董事长郭台铭的无情对待,并重炮发表「3D列印只是噱头,若成工业革命,郭字倒着写!」的言论。不过,看在金宝董事长许胜雄眼里,可是丝毫不减3D列印的发展潜力,依旧信心十足地表示,「我比较相信欧巴马,因为他是美国总统!」旗下新金宝集团三纬科技不仅赶在去年圣诞节前,推出自主品牌平价3D印表机抢搭3D列印热潮,更誓言将在3年内3D印表机全球出货量上看100万台,希望领先全球龙头MakerBot,成为全球3D列印市场龙头。


RP?积层制造?傻傻分不清楚?

Chris Anderson在自造者时代一书中曾提到,人人制造的概念,即是将实体与数位双向整合而成的新思维,而3D列印技术将彻底改变以往的制造模式。究竟3D列印是凭借着何等的魅力以及潜力,吸引着政治领袖与企业大老纷纷相挺?实威国际副总经理彭圣介表示,所谓的3D列印,指的是过去所称的快速原型系统(Rapid Prototyping, RP),以及所谓的积层制造(Additive Manufacturing, AM),抑或是大陆所说的加法制造。


传统制造的加工过程运用的是减法(包含切削、钻凿、研磨和剉修)制造,而3D列印则是加法制造,透过一层一层堆叠接合成形,不仅能够克服传统减法制造无法透过加工完成几何形状的限制,更能印制出自由形状的立体物件。工研院积层制造与雷射应用中心总监曾文鹏表示,过去大家普遍把积层制造统称为Rapid Prototyping,其实这项技术在1980年初时就已开始,截至目前已经发展好几十年,被视为是近20年来制造领域的一个重大成果,直到近期3D列印议题兴起才又被提及出来。



图一 : 3D打印能够克服传统减法制造无法透过加工完成几何形状的限制,印制出自由形状的立体对象。(Source: cdn.techinasia.com)
图一 : 3D打印能够克服传统减法制造无法透过加工完成几何形状的限制,印制出自由形状的立体对象。(Source: cdn.techinasia.com)

之所以被称为Rapid Prototyping,主要是制作任一立体物件或是开制任一模具,都可以透过Rapid Prototyping并使用塑胶之类的列印材料,将物件印制出来。曾文鹏表示,3D列印象征第三次工业革命的开始,以往产品设计都是采用减法制造,将一整块金属逐次切削成形,但随着采用加法制造的3D列印时代来临,将一举改变传统的生产制造模式。


加法制造终将取代减法制造? !

「如果单一客制化的物件透过传统的减法制造生产,说穿了并没有任何效益,」曾文鹏指出,由于传统的减法制造有其技术限制,往往会发生设计人员将立体物件设计图绘制完成后,在制造端却发生无法成功列印的状况,设计人员必须更改原先的设计,使得输出的效果也随之大打折扣。「透过积层制造将3D立体图型切成2D平面图型,可以让原先相当复杂的立体物件成功列印出来,就算是球中球这类复杂的立体物件,也都能够透过积层制造列印出来!」他说。


积层制造与早期的RP技术相比,不仅可以应用更多元的列印材料,在精度与强度方面的实用性也不断提升。曾文鹏表示,新一代的雷射金属积层制造技术不再是只能用来生产观赏用的模型,而是能够直接使用的新兴制造技术。不过,3D列印虽然具有客制化、少量制造等特性,但不是要用来取代传统的减法制造,而是要辅助补强传统减法制造所不能及的工法。



图二 : 积层制造与RP技术相比,可以应用更多元的打印材料,在精度与强度方面也持续提升。(source: bp.blogspot.com)
图二 : 积层制造与RP技术相比,可以应用更多元的打印材料,在精度与强度方面也持续提升。(source: bp.blogspot.com)

台湾科技大学工学院院长郑正元教授表示,以往汽车制造商想将旧款车种停产,还是必须库存非常多的备品零件因应客户维修之所需,主要的原因在于传统的制造技术无法立即当地生产单一零件。有了3D列印,未来只需将每一个汽车零件的数位设计档案储存到维修中心的线上资料库,当客户想更换哪一组零件,维修技师就能直接当场列印输出,有效减少汽车业者零件库存水位。


除了汽车产业能够利用3D列印直接印制汽车备品零件之外,在外太空同样看得到3D列印的踪迹。美国NASA也在前些时间设立了一间名为的Made in Space(在太空制造)公司,让太空人前往太空时,只需携带一台3D印表机以及可食用的3D列印材料,透过3D列印技术,太空人随时都可以透过3D印表机列印出各种食物。


此外,就连太空船发生零件故障状况时亦同样受用,地面航空站人员地面只需将受损零件的立体设计档案发送到太空船,太空人便可直接透过3D印表机将零件列印出来,即时完成零件更换作业,进而实现远端生产制造的概念。


DDM改变工业制造生产模式

3D列印技术之所以成为第三次工业革命的重要表率,主要是3D列印能够更简明清楚地解释直接数位制造(Direct Digital Manufacture,DDM)的真​​谛。郑正元表示,直接数位制造,它不仅正改变传统工业制造的生产模式,也正重塑销售者、生产者、消费者三方之间的产销关系。他进一步解释,直接数位制造应该涵盖工业用的大量生产制造与自己生产制造两大层面,既然强调Manufacture就不应该只是单纯消费性的行为,而必须是要产生附加价值,能够让自己带来利润(实质的金钱收入)。



图三 : 航空和汽车制造业者正朝向直接数字制造的方向发展。(Source: www.crptechnology.eu)
图三 : 航空和汽车制造业者正朝向直接数字制造的方向发展。(Source: www.crptechnology.eu)

毕竟所谓消费性的行为,指的是不考虑成本,且无销售行为(例如,当家里面有一个零件坏掉,自己透过3D印表机列印制造,进而替换使用,则属消费性的行为) 。郑正元进一步解释,关键在于想要透过列印出来的物件进而销售赚钱,并且有商业行为的考量,这样才可算是自造。因此,直接数位制造就必须要有实体的产生,且必须产生经济利益,进而贩售与行销获取实质利润。


「直接数位制造将成为全球制造业的未来的主角,」Stratasys执行长芮斯David Reis说道,3D列印应用正从设计端扩大到制造端,协助制造商可以从传统制造技术的限制藩篱中获得释放。透过直接数位制造,能够以更快、更精简且更聪明的方法,制造出能够直接销售和使用的产品、零件与工具。


台湾的机会与挑战

虽然台湾研发3D列印设备时程远比欧美国家来的晚,使得在研发3D列印设备时很容易触及侵犯到国外厂商专利技术的风险。对此,曾文鹏表示,台湾在3D列印设备错失研发先机,不过在研发高阶金属积层列印设备仍有机会,截至目前,国内已有多家厂商投入高阶列印机种研发。此外,为了加快台湾3D列印与制造产业发展,工研院在南台湾打造雷射光谷,成立采用金属雷射积层制造的试量产工场。


曾文鹏表示,看好台湾产业对高阶3D成型服务的需求,工研院在去年7月引进造价3千万台币的日本松浦机械CNC与积层制造复合设备,为的就是要让所有想透过3D列印研发高度精密的医材设备、开发创新文创产品等厂商们,都可以经由试量产工场来实现梦想。曾文鹏进一步表示,该部复合设备与传统CNC加工相比,不仅无需电极制造及放电加工的制程,更能大幅缩短制造与模具成型时间。


至于在专利技术布局方面,郑正元则表示,即便3D列印相关专利技术陆续过期,里头看似展露契机曙光,但却非如此简单。即便台湾是生产制造2D印表机数量最大国,但并未拥有2D印表机的自主品牌,也未掌握重要关键零组件,因此只能为日本或是美国印表机品牌业者代工生产。至于在3D印表机方面,相关技术专利与关键零组件同样掌握在国外3D印表机厂商手中。


郑正元解释,由于3D列印相关专利技术有其延续性,以FDM现有的核心专利来看,ABS热塑性塑胶材料经过加热后成为半熔融状态,并藉由专利喷头挤出后沉淀堆积在每一层薄片上,但如果想要在封闭空间维持固定温度,让每一层薄片能够接合起来,就又会连结到另外一项专利,专利与专利之间环环相扣。台湾想要放眼3D印表机,未来仍不排除依旧是走向OEM代工模式。


曾文鹏表示,国内目前欠缺3D列印应用加值服务与耐高温、高硬度的列印材料,使得积层制造模具相关应用仍面临不少考验与挑战。台湾若想成功挤身3D列印产业,相关加值应用服务会是较佳的选择。以医疗设备业者而言,应积极投入积层制造相关技术,而非着墨在创新列印材料与设备研发。此外,大型企业也不能轻忽3D列印的隐含的潜在实力,应以Open Mind的心态面对此波制造新潮流。


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