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3D列印迎接光制造世代
聚焦材料与关键应用

【作者: 陳念舜】2017年02月21日 星期二

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回顾2009年金融海啸过后,全球制造业先后面临各国货币宽松政策,导致上游原物料价格不断下跌,供过于求;下游则是资讯消费性产品生命周期加剧缩短,亟须大批量客制化。但过去扮演世界工厂角色的中国大陆,却正致力于转型世界市场,调整经济结构,以及日、韩、台湾等地,也有少子化、老龄化问题,促成亚洲制造业缺工及工资上涨问题。


反观德、美先进工业国家,则在此时推动制造业革命再造,从以往全球化代工,集中式大量生产的封闭式供应链,改为弹性开放产业链,以贴近市场使用者需求,加速开发客制化产品。其中,由美国大力推动的3D列印(积层制造)加法制造技术,则号称足以突破传统制造上的限制,可实现少量多样、客制化的未来生产需求。虽然目前个人消费性产品成长趋缓,所幸过去高度仰赖传统减法制造的金属加工产业,也开始投入研发该领域的雷射积层制造(Additive Manufacturing, AM)应用。


看好金属积层制造 工研院可移转技术

根据Wohlers最新统计,2015年全球3D列印市场达51.6亿美元,虽仍较2014年成长26%,成长幅度维持两位数,但已经低于前年36%有一段距离。若仍持续下降,估计2020年要达到200亿产值的机会不大,依IEK分析该年产值约可超过110亿美元。至于两大龙头3D Systems、Stratasys业绩平平,不再有高幅度的成长,在获利方面也大不如前,甚至出现亏损赤字。



图一: 工具机大厂东台精机应国研院之邀,成为「国研医材创价联盟」一员,提供1部金属积层列印设备,以加速积层设备与金属植入式医材研究及推广。 (图片来源:pgw.udn.com.tw)
图一: 工具机大厂东台精机应国研院之邀,成为「国研医材创价联盟」一员,提供1部金属积层列印设备,以加速积层设备与金属植入式医材研究及推广。 (图片来源:pgw.udn.com.tw)

惟如EOS、SLM solution、Concept Laser、Arcam等雷射积层制造设备厂商到了2015年营收,仍保持平均超过40%以上的高度成长。其大致上均采用粉体熔化成型技术(PBF ,Bed Fusion)为基础发展相关设备,源自于早期选择性雷射烧结(SLS,Selective Laser Sintering);而Arcam是现今全世界唯一采用电子束熔融(EBM, Electron Beam Melting)积层的业者。


工研院产经中心(IEK)机械与制造系统研究部资深研究员叶锦清进一步指出,如依Strategies Unlimited最新统计,2015年全球雷射产值已正式突破100亿美元,相较于2014年成长6.2%;预计2016年产值将持续成长,到了2017年将达到121亿美元,2012~2017年复合成长率(CAGR)约6.8%。其主要应用于:感测与仪器(含自驾车光达)、照明、显示、通讯、资料储存、医学美容、军事与科学、半导体(准分子微影)、材料加工(含3D列印)等领域。


尤其是在工业用的材料加工及准分子微影市场占比约41%,已经超越了通讯与储存(34%),成为第二大应用领域。1kW)、微加工(micro machining"新兴国家如中国大陆等地对雷射加工设备需求旺盛,其应用则约可依雷射源功率,概分为:粗加工(macro machining1kW)、微加工(micro machining


台湾雷射加工相关厂商在下游的带动之下,已在雷射产业渐渐取得一些成果。依IEK统计2015年台湾雷射产业产值约台币90亿元,并将逐年成长。但大部分公司几乎都是把雷射相关产品成为多角化的一部分,厂商以自动化的背景切入居多,也有从下游应用往设备整合的厂商,却尚未有100%专业经营雷射生产设备的公司。


因看好雷射加工的高智能、高效能、高度复合化等特性,可满足制程精微细准、大量客制、高效能的需求,应用到政府大力推动的5大创新产业中的智慧机械、航太、绿能及生技等领域,是提高产业竞争力的重要利器。扮演台湾积层主要推手工研院南分院的雷射中心,也于日前举办「迎接光制造时代─智能雷射、积层制造成果发表暨研讨会」。


会中邀请专家分享智能雷射与积层制造医材应用技术新知,并展示光纤雷射源、雷射加工、雷射强化玻璃切割、高密度电浆模组技术,以及积层制造(PBF/DED/ FDM)技术等多项科技研发成果,于105年度可移转研发成果中的雷射金属积层制造技术,则包含直接沉积熔覆加工头模组、软性材料列印模组等。


聚焦关键应用 航太、生医蓄势待发

此外,在诸多金属积层制造的产业应用领域里,又以航太、汽车、生医成长趋势较为明显。主因除了有别于传统汽车模具制造,都是先用刀具削切出想要的形状,再经设计水路快速冷却,成型大量产品。但在切削过程中,却常在设计异型、复杂冷却水路与结构时受限,难以掌握冷却时间与品质,导致生产流程延误。让许多业者开始从「减法」制造,转而思考「加法」或「加减复合」的加工技术。


针对航太业应用,还能借此制作更轻量化的零件,让飞行器减重,使燃料消耗与排碳量变得更少;且高品质零件对飞行器安全至关重要,以目前积层制造航太工件,加上必要后处理过的品质、精细度已不输CNC加工机切削及模具成型生产模式,降低须耗时委外分工制造、大量库存零组件,乃成为最大优势。



图二 : (Source: 3D Printer Hub)
图二 : (Source: 3D Printer Hub)

此外,于3D列印产业不可忽略的潜力项目,还有在医疗器材上的应用。根据SmartTech Markets预测,生医应用市场规模至2020年将达到42.87亿美元,2015~2020年复合成长率预期高达34.5%,迈向全球高龄化与注重运动健康的人口结构,未来高端医疗器材势必朝向「客制化」及「精致化」的方向发展。台湾医疗器材产业历经多年发展,已成为我国生技产业中发展最快速的领域,3D列印也被视为关键技术之一。未来若能顺利突破如FDA认证等各国不同的食品、药物卫生管理法规的挑战,市场潜力将不可限量。


国研院助产医整合 加速验证应用

然而台湾医疗技术虽然相对先进,其医材设备仍缺乏在地化生产端,因此今年国家实验研究院仪器科技研究中心主导推动的「台湾生技医疗器材挺进国际市场计画」,即试图透过策略合作,整合上中游产业及下游医院,要将台湾自行开发的金属积层制造设备、粉末等生技医疗器材产业周边厂商整合,建构完整供应链,并以「打群战」方式进军国际市场,共创医材产业的新荣景,此一计画集结了国研院、东台、中钢及鑫科材料、镱钛科技等产医界80余单位,将共同推动台湾生技医疗器材产业发展,加速台湾应用基础的实验,全力挺进国际市场。



图三 : (Source: 3dprintinggeeks)
图三 : (Source: 3dprintinggeeks)

目前鑫科材料科技公司已成功开发出生医级金属粉末,再经国研院和麦德凯生科TFDA-GLP认证实验室医疗器材生物相容性测试,成为台湾首家通过临床前动物试验生医等级的3D金属列印粉末供应商,此外工具机大厂东台精机也是「国研医材创价联盟」一员,提供1部金属积层列印设备,以共同进行产品列印、法规及临床检测验证合作,加速积层设备与金属植入式医材研究及推广,联合骨科设计出的骨板、膝关节,也在产、学、研、医界共同合作之下,成功列印出3D医材产品,并通过严峻的ISO-10993生物相容性国际法规验证,获英国Renishaw、美国3D Systems、及德国EOS等国际大厂青睐,取得进入国际市场门票,期望未来能协助国家医材3D列印产业发展。


东台集团董事会严瑞雄表示,加工设备产业是一个跟着台湾各产业发展、默默担任幕后推手的产业,东台也是以此理念踏实经营,以能提供各行各业最佳的金属加工解决方案为荣。目前主要客户包括汽机车、航太与模具业等,在近年来成功研发出金属粉床式积层制造设备后,也开始有机会接触过去相对陌生的生医产业,了解国外法规通过速度比台湾更快的优势。为造福本地病患,应结合台湾产业链及法规订定,来完成生医界使用AM零件的系统性架构。


该公司已与国研院仪科中心合作,结合双方能量,加速应用基础的实验进展,另为服务北部生医科技应用,东台也将着手成立联合实验室,以满足北部市场需求,加速产业结合。期待藉由该公司设备自主研发制造能量及设备量产技术,促成生医设备在地化、国产化及客制化;再搭配国研医材创价联盟,引进学研技术并提供医疗临床需求,可望扩大台湾整体生医供应链的研发与制造能量,共同让医材产业在台湾扎根,再逐步蔓生国际。


**刊頭圖片來源:thekidshouldseethis.com (**刊头图片来源:thekidshouldseethis.com)


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