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無所不印‧3D列印

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一、前言

  3D列印(3D printing),屬於快速成形技術的一種,它是一種以數位模型檔案為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,再透過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術(即「積層造形法」)。過去其常在模具製造、工業設計等領域被用於製造模型,現正逐漸用於一些產品的直接製造,特別是一些高價值應用(比如髖關節或牙齒,或一些飛機零部件)已經開始使用這種技術列印而成的零組件,此即意味著「3D列印」這項技術的普及。

  在重視「創新、創意」的現在,3D列印的發展勢在必行,除了跟上世界市場的腳步外,台灣也該走出屬於自己的3D列印風潮!

二、何謂3D列印

  長久以來科學家和技術工作者一直有著一個複製技術的設想,但直到20世紀80年代,3D列印的概念才算真正開始實作。1982年,首次公開實作實體模型印製的是日本名古屋市工業研究所。 然而,最常被冠以發明「現代」3D列印機的人是Chuck Hull,1984年,他定義了專利術語Stereolithography「立體光刻造型技術」(系統透過建立多個截面的方式生成三維物體物件」)。3D列印流程如下:

資料來源:今週刊(2014),「一次搞懂3D列印」特刊。

(一)三維設計

  3D列印物品透過材料被一層層的累積列印出來,該技術也被稱為累積製造(Additive manufacturing),其設計過程是:先透過電腦輔助設計(CAD)或電腦動畫建模軟體建模,再將建成的三維模型「分割」成逐層的截面,從而指導印表機逐層列印。

  設計軟體和印表機之間協作的標準檔案格式是STL檔案格式。一個STL檔案使用三角面來大致模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面解析度越高。PLY是一種透過掃描來產生三維檔案的掃描器,其生成的VRML或者WRL檔案經常被用作全彩列印的輸入檔案。

(二)列印過程

  印表機透過讀取檔案中的橫截面訊息,用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地列印出來,再將各層截面以各種方式粘合起來從而製造出一個實體。這種技術的特點在於其幾乎可以造出任何形狀的物品。

  印表機印出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的解析度是以dpi(像素每英寸)或者微米來計算的。一般的厚度為100微米,即0.1毫米,也有部分印表機如Objet Connex系列還有3D Systems' ProJet系列可以列印出16微米薄的一層。而平面方向則可以列印出跟雷射印表機相近的解析度。列印出來的「墨水滴」的直徑通常為50到100個微米。 用傳統方法製造出一個模型通常需要數小時到數天,根據模型的尺寸以及複雜程度而定。而用3D列印的技術則可以將時間縮短為數個小時,當然其是由印表機的效能以及模型的尺寸和複雜程度而定的。

  傳統的製造技術如注塑法可以以較低的成本大量製造聚合物產品,而3D列印技術則可以以更快,更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的3D列印機就可以滿足設計者或概念開發小組製造模型的需要。

(三)完成成品

  目前3D列印機的解析度對大多數應用來說已經足夠(在彎曲的表面可能會比較粗糙,像影像上的鋸齒一樣),要獲得更高解析度的物品可以透過如下方法:先用當前的3D列印機打出稍大一點的物體,再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的「高解析度」物品。

  有些技術可以同時使用多種材料進行列印。有些技術在列印的過程中還會用到支撐物,比如在列印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易於除去的東西(如可溶的東西)作為支撐物。

三、3D列印趨勢

(一) 3D列印市場趨勢

  於2013年由國立台灣科技大學、英國貿易文化辦事處,及台灣區電機電子工業同業公會主辦「2013年台灣3D列印國際研討會」中,英國諾丁漢大學赫格(Richard Hague)教授提到,3D列印改變製造業的思考模式,不僅可以為消費者量身打造,節省材料,無論在東西方世界都可以開發高成本效益新商業模式,更重要的是「累積製造讓製造業更有吸引力,更能成為數位時代的話題」。

  累積製造可以擴大「設計」的複雜性和彈性,可以製造少量的產品,不必受限於大量製造,可說是「製造業的民主化」。此外,累積製造可以實現個人化產品、降低環境負荷,可能開展新的商業模式和調整產品供應鏈。

  且依Forbes.com (2013/12/30)報導,研究機構Wohlers Associates資深顧問Tim Caffrey認為,以3D列印技術為終端產品製造零組件的市場預料將遠遠超過原型製造應用,估計廠商製造原型與零組件的件數比例約為1:1,000、甚至更高。

  根據Wohlers Associates的預測,3D列印產品與服務在全球的銷售額於2012年銷售達16億美元,2013年應可突破20億美元,更有望在4年內達到60億美元,到了2021年更有機會攀升至108億美元。3D列印產業花了20年規模才達到10億美元,但下一個10億美元則僅耗時5年就達成;預料到了2015年產業規模會再次倍增至40億美元。而累積製造的市佔率,若以國家區分,美國還是龍頭,第二名則是德國、第三名是中國,台灣約可以擠進前15名,顯見台灣在累積製造市場上仍有許多發展空間。

(二) 3D列印產業趨勢

3D列印發展至今世界各國接受度甚高,且從原運用於工業及醫療產業外,亦開始拓展至針對一般消費者的客製化產品,或是文創商品…等,除此之外,因為3D列印也改變產業運作模式:

1. 製造業回流先進國家:

  赫格教授表示,3D列印對經濟有深遠影響,企業再也用不著把各種商品推積在倉庫中,再將其配送出去,因為產品可以按照用戶需求在當地列印出來。由此角度來看,未來台灣製造業可改變目前為降低人工成本而將生產線外移至中國大陸、東南亞等工資較低的國家之現況,藉由3D列印亦可以將產品送至客戶手中。

2. 機器即工廠:

  3D列印技術使產品設計到製造間只有一個「列印」按鈕的間隔,因此現有的大規模生產模式,將轉為個人化生產,只要有機器(3D列印機)人人都可以自己生產,甚至連OEM、ODM的代工模式都有機會打破,且使製造業客製化變得更為容易,創造更多產出產品的可能性。

3. 產品創新速度加快:

  依Wohlers Associated調查,個人3D列印機價格約為5,000美元以下、設計軟體愈來愈強大,以及列印材料的更新,未來設計人員可以更方便的使用3D列印機,由此可見,未來製造一個產品的固定成本變動不大,增加了產品創新的的可能性及可行性。

4. 少量多樣:

  過去製造業客製化困難度再於數量,其中開模、打樣的成本若無一定的數量,肯定不划算,但透過3D列印,開模、打樣便不再是難事,製造業未來除B2B模式外,更能直接服務到最終消費者(B2C),因此,3D列印不僅改變了製造業生產模式,亦改變了消費市場模式。

  綜上,3D列印看似打破原有製造生產的模式,但也帶來新的商機,因此3D列印發展勢在必行,且世界各國對於3D列印之投入已漸趨成熟,台灣更應加緊腳步把握機會,且希望除了不僅是價格便宜的家用設備,更希望有更多廠商切入價格更高的商業專用設備市場,把3D列印產業拱得更大,才不致使台灣輸在起跑點上。

四、3D列印未來展望

  市場研究暨顧問公司Gartner研究報告指出,企業用戶目前主要用3D列印技術來做一次性模具和原型設計等工作。但是隨著技術發展,企業認為3D列印機將進入建築、防衛設備、醫學產品以及珠寶設計等精細複雜度較高的領域。未來3D列印機將對消費性產品、工業生產和製造業的影響最大;其次是建築業、教育業、能源業、政府、醫藥產品、零售業、電信與交通等方面;衝擊最小的行業則是銀行,金融和保險業。

  預估展望2014年,10萬美元以下的3D印表機出貨量在市場不斷擴大應用之下可望進一步成長至98,065台,年成長率達到75%;2015年更可望出現接近一倍的出貨量成長率,而主要成長動力在於品質與效能創新,帶動企業與消費者需求之故(見表一)。

  3D列印技術於台灣目前多用於設計產業,設計師透過3D列印製作模型、模具,改變了設計產業過去只要需要開模,即必須委由製造工廠協助完成,因為3D列印機的引進,使得設計師更能一氣呵成的完成設計產品。未來,隨著3D列印產業於世界各國展露頭角,台灣更應急起直追,跟上腳步,並期許能將3D列印產業拓展至製造業,提供製造產品之各種可能性,更為台灣製造業帶來新的營運模式與發展空間。

資料來源:

1. 《3D列印

2. 《3D列印前景何在?Wohlers:零組件製造有大商機》MoneyDJ 財經知識庫。

3. 今週刊(2014),「一次搞懂3D列印」特刊。

4. 《2013年3D印表機出貨量成長率達49%》。

 

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