專注少量多樣生產 3D列印雷聲大雨點不小
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。
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。