專注少量多樣生產 3D列印雷聲大雨點不小

專注少量多樣生產 3D列印雷聲大雨點不小 2014/07/07-DIGITIMES企劃  

問世至今已接近30年的3D列印，這兩年因專利權到期，技術被釋放出來，再加上現在IT技術進步的推波助瀾，已成為全球注目焦點。與傳統製造方式相較，3D列印彈性高、生產速度快、成本低，因此聲勢相當驚人，已被視為改變未來製造業的技術。

美國總統歐巴馬2013年的國情咨文中，就宣布在接下來的10年中，將斥資10億美元贊助15個全國製造創新網路(National Network for Manufacturing Innovation；NNMI)機構，後來還加碼將贊助機構數提升到45個；《經濟學人》更將之視為第3次工業革命的主要動力。

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3D列印是依據3D CAD的資料材料逐步堆疊成產品的技術，目前主要應用與少量多樣特色的生產領域中。DIGITIMES攝

雖然目前市場仍有不同意見，鴻海董事長郭台銘就曾指出，3D列印只是噱頭，不過就整體發展來看，3D列印無論技術或應用都越來越可觀。但多數市場人士均認為，在少樣多量的製造領域中，傳統製造技術仍無法被取代，但在少量多樣的市場，3D列印將帶來重大衝擊，兩者其實可被視為各自的缺點補充與優勢延伸，而非相互競爭的對手。


微分與積分的技術

3D列印其實是積層製造技術的俗稱，積層製造(Additive Manufacturing；AM)技術依據3D CAD設計資料，採用離散材料如液體、粉末、絲、片、板、塊等材質，逐層累加原理製造實體零件的技術，積層製造是一種自下而上材料累加的製造技術，自20世紀80年代開始發展，期間也被稱為材料累加製造(Material Increase Manufacturing)、快速原型(Rapid Prototyping)、分層製造(Layered Manufacturing)、實體自由製造(Solid Free-form Fabrication)等，從不同層面的各異名稱叫法，也可看出此一製造技術的特點。

美國材料與試驗協會(ASTM)F42國際委員會對積層製造與3D列印給予明確定義，在ASTM的定義中，積層製造是依據3D CAD資料將材料連接製作物體的過程，相對於減材製造，它通常是逐層累加過程，但從更廣義的原理來看，以設計資料為基礎，將材料自動累加起來成為實體結構的製造方式，都可視為積層製造技術。

積層製造的工作原理可分為兩個過程，一是資料處理過程，利用3D電腦輔助設計(CAD)資料，將3D CAD圖形分切成薄層，完成將3D資料分解為2D資料的過程。二是製造過程，依據分層的2D資料，採用所選定的製造方法，將厚度相同的薄片按序重疊起來，就組成3D實體。

從原理來看，資料從3D到2D是一個「微分」的過程，依據2D資料製作2D薄層，重疊成3D物件則是「積分」的過程。簡單來說，3D列印的過程，是先將3D複雜結構降為2D結構，然後再由2D結構累加為3D結構，此一製造構想相對於傳統的製造方法是一種變革，然而這並近年首創，只是近30年來數位化技術的快速成熟下，被設計為一自動化設備。


3D列印的優勢與侷限

相對於傳統製造，3D列印有3個具體優勢，包括複雜結構的快速製造、客製化、高附加價值產品。 首先是複雜結構的快速製造。與傳統加工和模具成型等製造技術相比，3D列印技術將3D實體加工變為大量的2D平面加工，大幅降低了製造的複雜度，就原理而言，只要在電腦上設計出結構模型，都可應用該技術在無須刀具、模具級複雜製程條件下，將設計快速化為現實，製造過程幾乎與零件的結構複雜性無關，可實現「自由製造」概念，這是傳統加工所無法比擬。

利用積層製造技術可製造出傳統方法難以加工(如自由曲面葉片、複雜內流道)、甚至是無法加工(如內部鏤空)的複雜結構，在航空、汽車、模具、生物醫療等領域，都具有廣闊的應用前景。

其次是適合客製化訂製。傳統大規模、大量製造，需要大量製程技術準備、複雜而昂貴的的裝置和刀具等製造資源，在生產前就要耗費大量資源準備，3D列印在快速生產和靈活性方面極具優勢，適合珠寶、人體器官、文化創意等客製化、小量化生產，同時也可應用於產品定型前的驗證性製造，可大幅降低客製化、訂製生產和創新設計的加工成本。

最後是適合高附加價值產品製造。3D列印技術的誕生只有20幾年，相對於傳統製造技術，其發展歷史較短，，成熟度也較低，現有的多數積層製造技術加工速度偏慢、零件加工尺寸受限(最大約為2公尺)、材料種類有限，因此其主要應用於單件成型、小量和正常尺寸製造，在大規模生產、大尺寸和奈米製造等方面不具優勢，因此3D列印積極往航太、生物醫學與珠寶等高附加價值產品展，另外在大規模生產前的研發、設計驗證等方面，則早已多有應用。

看完優勢，再來看劣勢，3D列印是以3D CAD模型為加工資料的數位化製造技術，觀察各國的研究和應用情況，可以看出積層製造較傳統機器加工、鑄、鍛、銲以及模具製程的技術成熟度低，離大規模製造尚有一定差距。

目前3D列印的應用主要侷限，在於材料適用範圍較少、製件精度較低、後處理比較繁瑣等問題，不過這都不是此一技術無法取代傳統製造的原因。3D列印的優勢在於單件生產，並以此延伸出客製化特色，然而單件生產無法擁有平均生產單位成本的優勢，也就是說不管是做1件或做1萬件，3D列印的成本都是一樣，不會因為數量大而降低成本。

傳統製造技術則不然，當產品只有1件時，其成本會最高，但是當生產數量越趨龐大，各產品所攤分的固定成本如模具、機台等，也會逐步降低。因此「3D列印將取代傳統製造」的說法並不正確，3D列印是傳統製造技術的發展與補充，在部分領域如上述的航太、醫療等領域，它雖會加強本身技術，例如大陸以可利用雷射3D列印技術製造長達2公尺的鈦合金金屬零件，但在少樣多量的生產領域中，傳統製造技術仍無法被取代。


改變正在開始

至於在少量多樣領域，3D列印就可充分發揮，只要想像的出來，幾乎都可被列印出來。美國麻省理工學院(MIT)就開設了一門「如何製造任何東西」的課程，此一課程建立了擁有3D列印裝置和雷射切割機等裝備的實驗室，讓學生可以隨意設計和製造產品，而相關創意也已逐步落實其他領域，如美國航太總署(NASA)就正研究利用積層製造技術，製造出更方便廉價的火箭關鍵套件，據NASA預測，列印出的零件最快在2017年就可以上太空。

除了火箭外，長期在太空執行任務的大型太空站，一旦關鍵零件損壞，等待地面運送備件的時間過長，可能會影響運作，3D列印就是其最佳解決方案。目前NASA已經開始研發建造可用於下一代太空站的3D列印製造設備，並於地面與模擬太空環境下，完成零件製造。

在生物醫療方面，3D列印也已有建樹，由比利時與荷蘭所組成的團隊，已成功為一位83歲的荷蘭老婦人安裝一塊由3D列印製造出來的金屬下顎骨，此一器官包含了多個人工關節，上面還有讓肌肉附著的空腔與引導神經和血管生長的凹槽，這種作法的優勢，是植入物完全符合病人的身體構造與狀況，縮短手術銲住時間，同時也降低了醫療成本。

放眼未來，相關的作法將越來越多，3D列印或許不會取代傳統製造技術，不過對人類生活的改變，已經逐步開始。




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