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3D列印引導大量客製化製造趨勢

台北科技大學機械工程系副教授汪家昌。

雖然自從3D列印技術出現後,不少人提出3D列印堪稱是第三次工業革命,但台北科技大學機械工程系副教授汪家昌指出,其實第三次工業革命應該是「數位製造」與「在地製造」,但不可否認的是,3D列印技術確實在其中扮演相當重要的角色。

汪家昌回顧不同階段的工業革命重點,指出第一次工業革命的重點,是因為蒸氣機發明後,帶動紡織工業發展,自此導入大量生產的觀念;第二次工業革命的重點則是內燃機,帶動汽車工業等製造業領域的發展;第三次工業革命的重點,其實是綠色能源及綠色製造,由於希望減少能源消耗,運輸需求也能儘量減少,在地製造的趨勢因此興起,也讓3D列印有更大的發展的機會。

3D列印之所以會在2013年開始火紅,其實與美國總統歐巴馬的國情咨文演說,有相當大的關係。歐巴馬在演說中提出,將投資製造業以創造就業的計畫,希望透過推動先進製造創新,使美國企業更具競爭力,重振美國的製造業,並將工作帶回美國。

他提出以一次性10億美元的投資,在全國成立一個由15個製造創新研究院組成的網路。憑藉特定區域的優勢,各製造創新研究院將匯集企業、大學和社區學院資源,與政府合作投資開發世界領先的製造技術和能力,使總部設在美國的製造商可以應用在生產上。在此之後,媒體就開始大幅報導3D列印,也形成一股潮流。

回顧3D列印歷史,汪家昌指出,其實在1989年,3D Systems提出的名稱是快速成型RP(Rapid Prototyping),其他名詞還有MIT一樣在1989年提出的3DP(Three Dimensional Printing)、1990年被稱為實體自由製造SFF(Solid Free-form Fabrication),但正式的學名應該是美國材料與試驗協會(ASTM)在2009年提出的積層製造AM(Additive Manufacturing),但從2011年之後,3D列印(3D Printing)已經成為廣為人知的稱呼了。

至於究竟是誰發明3D列印?包括美國Blanther、3M公司、日本東京大學的中川威雄教授、日本的小玉秀男、英國的Bill Masters in Greenville,都宣稱發明了3D列印技術。汪家昌認為,除了要擁有發明與專利外,如果從能夠將3D列印技術商品化的角度來看,3D Systems其實才是發明3D列印的主要角色。

但由此也可看出,3D列印技術發展非常的早(在1984年開始),因此在現今主要的專利都已過期,所有的業者都能做,現在甚至已經可以看到新台幣1萬多元的3D列印機,在大陸等市場,更可看到3D列印機的銷售,出現爆炸性的成長。

但汪家昌認為,由於3D列印機的價格降得太快,導致機器生產者難以獲利,因此不管是產品或品牌的壽命都很短,而且許多3D列印機使用的技術,是很久以前的專利,生產品質未必良好,但想要改良產品,並不容易,因為許多3D列印關鍵專利雖已過期,仍會有人持續改良,仍有可能會衍生出新的專利,業者一樣要小心不要牴觸。

因此,3D列印技術未來仍有可能會不斷推陳出新。汪家昌指出,ASTM目前將3D列印分成7大類型,其中最有代表性的是光聚合固化技術(Vat Photopolymerization;VP),最便宜的主流技術是材料擠製成型技術(Material Extrusion;ME),其他5種技術則分別是材料噴塗成型技術(Material Jetting)、黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting)、粉體熔化成型技術(Powder Bed Fusion)、疊層製造成型技術(Sheet Lamination) 與指向性能量沉積技術(Directed Energy Deposition),但未來甚至有可能會有第8種。

事實上,如何進行3D列印,雖然仍是主要的3D列印專利發展方向,但汪家昌也指出,3D列印可以用來做什麼,也是可以申請專利,相關業者要注意,未來有關3D列印的專利布局,將會愈來愈沒有發展空間。

富比士(Forbes)曾提出對於3D列印和製造業未來發展的報告(3D Printing and the Future of Manufacturing),報告中指出,3D列印將會成為工業能力的必要手段,也會開始進入生物醫療領域,客製化商品將成為常態,讓產品創新速度變得更快,更會有新公司以3D列印開發出創新的商業模式,3D列印商店也將會走入賣場,關於知識產權的爭議也會開始浮現,但整體而言,3D列印將可讓我們看到以前無做不到的產品,賦予工廠新的生產能力,更可深入校園,讓更多學生可以在學校使用3D列印,實際做出成品。

因此,汪家昌認為,現在的3D列印趨勢,重視的是輸出的結果,已經可以作為最終產品,而不只是樣品的概念。業者要了解不同的3D列印市場特性,可以用來做什麼。如興趣愛好及工業生產的需求導向,就完全不同,如在2013年一份針對消費者為什麼要使用3D列印的調查中發現,得到最多同意的其實是「好玩」,得到最少同意的是「能賺到錢」,但後者對企業而言就相當重要,而工業等級的3D列印生產的成本雖高,但現在也已經漸漸擺脫泡沫期,其主要也是因為找到可以發揮的市場舞台。

至於消費性的3D列印主要是用來印什麼,從下載檔案分類來看,發現列印數量最多的產品類別,其實是用來把玩的產品居多,如公仔、手機殼等,真正應用性不高,列印的結果,品質也往往讓人失望,都會影響3D列印未來的市場發展。

汪家昌認為,處於萌芽期的3D列印,要想出正確的發展策略,才能跨越市場鴻溝,如大型企業應可著重開發系統與技術,中型企業則是設法導入現有技術,小型企業則是應用現有設備與材料,還要有具前瞻性的企業,努力尋找全新的應用模式,唯有結合核心技術及核心知識雙引擎的進步動力,配合有系統的教育訓練與認證架構,培育出核心競爭力,並配合可大量複製的模式,以及市場可接受的解決方案,才能吸引產業資源投入,進而形成產業生態系統。

所以要掌握3D列印未來的發展趨勢,汪家昌認為,要先了解製造行為是如何發展。在50年代時,工廠製造的產品種類並不多,甚至只需要生產一種產品即可,如南僑肥皂,只需要少數且固定的原物料,生產機器也單純許多,能夠壓低成本的大量製造技術,自然成為製造業最重視的技術。

但到了60年代,市場開始重視品質,以肥皂為例,市場會希望能銷售不同味道的香皂,此時不見得要大量生產,而是要批量生產,而且不同的批量跟批量在交換時,因為有可能會出現浪費,如何加快交換的速度,就促成70年代出現的彈性製造技術。

而到了2000年之後,開始強調的是大量客製化,至於2010年之後,強調的就已經不是單純的大量客製化,而是要在地製造,製造商品的店面不用大,生產的商品,外型也將是很重要的因素。

汪家昌強調,3D列印只是工具,而不是核心,如何設計3D物件,產品是否符合市場需求,都需要加以注意,否則就算擁有3D列印技術,很可能也只是造成「垃圾進、垃圾出(Rubbish in, Rubbish out)」的結果。

汪家昌認為,O2O(Online to Offline)模式,是3D列印可以發展的模式,可以應用的領域,包括藝術、車用零組件、醫學輔具等。但汪家昌強調,重點不是做什麼,而是怎麼做。業者可以透過Online的環境,提供消費資訊給消費者,消費者也可以直接下單付款,除了可以迅速累積大量年輕族群消費者外,還可追蹤消費者資訊,業者再透過Offline的實體店,提供Online無法取代的面對面服務,品牌價值也因為可以跟消費者面對面,而更容易傳遞,需要那些知識,才是能夠創造價值的地方。

為了能夠提供消費者量身定製的服務,汪家昌認為業者應該要具備:檢(量測技術)、驗(分析技術)、配(建模技術)、製(製造技術)、證(實證認證)5種能力。如過去要配眼鏡時,因為不知道是否適合自己的臉型、戴起來舒不舒服,往往要一副一副換,但透過3D列印技術,就可能設計消費者個人專用的眼鏡。

但另一方面,也有人訴求用兩周的時間,就可以用3D列印技術做出義肢,但卻忽略了,以現在的技術根本不需要這麼多時間,設計師也不見得會用數位技術。

事實上,誰來做3D數位設計,誰能滿足大眾需求,才是3D列印未來的發展關鍵。汪家昌強調,後端的製造技術其實已經準備好,但誰能將其知識加入並滿足高效的3D設計,才是價值的所在。現在缺少的不只是設計者而已,還需要滿足特定目的及好上手的3D設計軟體,也是3D列印趨勢未來發展,值得關注的方向。

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