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直接數位製造打開全新格局
3D列印新舞台

【作者: 王岫晨】   2015年07月13日 星期一

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近幾年來,3D列印逐步從工業市場,邁向商用市場與個人製造領域,一步步走向更普及的家用環境。3D列印對於小量生產與原型設計,具有十分重要的價值。


3D列印近期成為最夯的話題。一般來說,3D列印除了具有客製化、少量多樣化生產的優勢之外,當消費性電子產品在設計階段與零組件之整合度愈來愈高、消費者對產品差異化、個性化需求度越來越高的同時(例如個人化的機殼),3D列印也將開始挑戰目前少樣大量的ICT生產模式。


在近期,Gartner公布的中國十大策略性技術之中,3D列印也榜上有名。3D列印透過加法製造方式,運用設備將數位模型生成實物。此市場明顯區分為三個類型:生物列印、個人3D列印以及企業級3D列印。3D列印的主要優點在於能夠提供定製化或無法大量生產的小量物件。未來3D列印在中國將擁有許多真正的機會,從產品設計、3D印表機製造、列印材料、生物列印,到提供專業3D列印服務等,都將提供更多的商機。


展望未來的3D列印市場,M型化將成為不可逆的趨勢。M型的兩端分別為低價市場(base quality)、高價市場(high quality)。低價市場的3D Printer價格會愈來愈低,愈容易打入一般家庭,並且為個人設計、家庭工廠帶來劃時代的影響。而高價市場則會發展出更高科技、精密的機台,來應用於航太、醫療、工業等應用層面。



圖一 :  3D列印將開始挑戰少樣大量的ICT生產模式。
圖一 : 3D列印將開始挑戰少樣大量的ICT生產模式。

智財權的保障是真正價值

不管是對於Maker的個人原型自造來說,或者是對於大型企業的產品預先建模而言,3D列印的最重要價值,就在於智慧財產權的保護。在過去,不論是企業或個人,在設計出新產品之後,無法先行透過3D列印來自行製作出原型產品,經常得先交由別的廠商來生產出原型。在這樣的過程中,不論有沒有簽署產品保密協定,從交出設計圖給外包廠商,到產品原型實際製作出來,過程中會有許多漏洞與機會,讓這些原型產品的樣貌,甚至設計圖外流。


不管是對於Maker或者大型企業,3D列印最重要的價值,

就在於對智慧財產權的保護。

而透過3D列印,除了可以先行製作出原型產品的優勢之外,重點是可以在自家工作室或者廠房中,進行新產品原型的預先生產。如此一來,新產品的設計圖與外型不會先行外流到市面上,而是會等到產品已經要正式量產的時候,才正式將設計圖交給工廠去進行生產。如此一來,對於智慧財產權的保護,將會發揮更重要的功能。



圖二 :  3D列印對於智慧財產權的保護,將會發揮更重要的功能。
圖二 : 3D列印對於智慧財產權的保護,將會發揮更重要的功能。

DDM時機漸成熟

3D列印發展到現在,目前市場也一直在試著找出更適合3D列印的應用領域,直接數位製造(DDM)似乎是個不錯的起跑點。當3D列印遇上了直接製造,似乎也為3D列印打開了一扇全新的商機之門。


直接製造,顧名思義就是直接將設計好的產品藍圖,直接透過3D列印來列印出成品,而這樣的成品,是直接就可販售的商品。意味著其不論是品質、可靠性、安全性、堅固性、耐用性等各方面,都可以經得起消費市場考驗。


只不過,放眼目前市面上的3D列印機,從高階機種、到中階、低階消費機型,列印出來的品質參差不齊。消費機種的ABS塑料,所印出的成品外型較為粗糙,品質也較為普通,成本較為脆弱,這樣的產品,就比較難以透過直接數位製造來製作與販售。


這樣的情況,也使得直接數位製造的範疇,目前多半都還只能停留在中高階的3D列印器材上。高階3D列印的材料與列印技術,與一般消費機種不太相同。透過高階3D列印器材來進行數位直接製造,其列印方式通常是使用積層製造(Additive Manufacturing;AM)技術,利用粉末狀的材料,在印表機上進行列印。電腦會事先將3D設計圖分割為許多2D圖層,再透過雷射光束,來高溫融化這些粉末材料,列印過程中,這些粉末材料逐層堆疊,進而成為所需列印的產品或零件。


這種積層製造技術,擁有非常不錯的商用前景,是可以改變現有遊戲規則的技術。其特色是可讓不同的粉末材料,諸如尼龍、碳、鈦、不銹鋼、鋁等,透過雷射融溶的方式進行列印。雷射能夠塑造出各種不同形狀,其優勢在於可透過低成本的生產方式,來完成複雜的設計。經由這種列印技術,產品列印成型後,質地更為堅固、外型也更為美觀、品質更好,這樣的產品完成後,也可以直接用於販售,或者直接用於零件組裝等。


例如目前已有些汽車零件、腳踏車組件、或者醫學用途的骨骼或牙齒等,都以經透過這種基層製造的數位直接製造技術,來列印出產品,並直接應用於相關的領域。這樣的優勢,在於可少量或甚至客製化單一生產,避開找廠商代工可能不接這種小單的困擾,這也正是數位直接製造的最大優勢所在。



圖三 :  DDM通常使用積層製造,透過雷射光束,來列印產品或零件。
圖三 : DDM通常使用積層製造,透過雷射光束,來列印產品或零件。

3D列印的新挑戰

根據工研院IEK估計,全球3D列印機市場規模將從2014年的約10萬台,成長至2018年的600萬台,未來市場成長潛力極大。各種3D列印機方案的規格差異包括生產尺寸、解析度、材料、列印速度、是否有加熱室(Heated Chamber)等。但主要的限制仍包括:列印色彩有所侷限、材質限制、列印速度等。此外,3D列印機目前價格仍高,最簡易型3D列印機價格約在 800~1,500美元,但功能仍十分受限。


目前由於各種新創製造模式衍生,包括新創公司sculpteo提出的線上3D批次製造模式,可線上進行產品結構設計、材質選擇、生產數量等,並可即時算出每件成本、預估交期。這種批次生產的數量,以每種類不超過1000件為佳。


3D列印持續邁向直接數位製造之路,看似隨著3D列印器材的價格友善,有越來越普及之趨勢。然而直接數位製造,是否真的在自己廠房裡或者客廳中,擺放一台3D列印機,就一切高枕無憂了呢?事實上,3D列印隨著其列印方式的不同,經常會伴隨著不同的問題。例如一般消費型機種最常見的問題,就是會遇到印料卡住,無法繼續噴墨列印,以及印製品頂住等問題,導致列印不順與中斷。


此外,在3D列印之前,3D模型的製作也十分費工,並非所有人都有3D繪圖相關的經驗與知識,這使得3D模型的建模,也成為阻隔在3D列印之前的一道障礙。目前許多廠商陸續開發出更簡單易用的3D繪圖程式,甚至透過掃瞄的方式,來直接做3D立體模型,這些都使得3D建模變得更為友善,不再那麼遙不可及。



圖四 :  3D列印隨著列印方式的不同,經常會伴隨著不同的問題。
圖四 : 3D列印隨著列印方式的不同,經常會伴隨著不同的問題。

結語

3D列印可以直接打造出產品原型,十分便利廠商與自造者的產品原型開發。而透過直接數位製造,更能為小量與客製化生產帶來十分龐大的效益與商機。當然以目前的技術成熟度觀察,直接數位製造依然只能停留在高階3D列印領域。在未來,隨著3D列印技術更為成熟與普及之後,直接數位製造的願景,將可望提早真正實現。



圖五 : 直接數位製造能為小量與客製化生產帶來龐大的商機。
圖五 : 直接數位製造能為小量與客製化生產帶來龐大的商機。

Gartner:3D印表機拼功能 不打價格戰

終端使用者的3D印表機支出金額,隨技術與出貨量而有所不同,但其他幾項 市場因素也具有相當的影響力。擠製成型材料的支出,主要受到全球各地大量利用現有低技術門檻,打入500美元以下消費3D印表機市場的新創事業與小公司所 影響。不管這些新創事業與小公司的營收,是否足以支付生產與管理成本,還有服務、銷售、通路開發及研發,業者的利潤仍待觀察。


由於市場對相關設備的需求增加,供應指向性能量沉積技術(directed-energy deposition)及粉體熔化成型技術(powder bed fusion)等技術的廠商,未來反而能夠隨著對其設備需求提升而穩住價,並以各種方式提升價值,不必付出高昂代價大打價格戰以吸引並留住企業客戶。


根據Gartner預測,終端使用者在擠製成型材料方面的支出,將從2015年的7.89億美元增加到2018年的約69億美元。整體來說,終端使用者在 3D印表機方面的支出,可望從2015年的16億美元上升至2018年的134億美元。光聚合固化技術(vat photopolymerization)、材料噴塗成型(material jetting)等技術將是帶動成長的主要來源,在消費與企業用市場的接受度愈來愈高。


產品平均售價(ASP)也隨著技術與市場力量(market forces)而有所不同。每個市場狀況不盡相同,包括裝置組合、價格與買方需求,都會影響任何一個技術領域中所有3D印表機的平均價格。


Gartner研究副總裁Pete Basiliere認為,頭幾年裡3D印表機製造商將盡全力推出新功能並提升性能,而不會採取降價策略。因此,多種技術的平均售價可望上揚,或在 2014、2015年價格上升後逐漸下滑。採用指向性能量沉積技術的3D印表機價格最高,其次為粉體熔化成型技術。材料擠製成型印表機與光聚合固化印表機 的平均售價可望下滑,這是因為愈來愈多廠商投入市場,利用這兩項技術推出價格區間較低的產品。



圖六 :  3D印表機製造商將盡全力提升性能,目前不會採取降價策略。
圖六 : 3D印表機製造商將盡全力提升性能,目前不會採取降價策略。
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