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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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雷射積層製造產業群聚搶進3D列印市場

3D具有客製化、迅速、彈性及高價效比的優點,成為近年材料科技的新顯學。工研院南分院引進國內第一台金屬材料雷射積層製造設備,以製程技術和應用,連結國內外產學研三十餘家廠商,共同推動3D列印的應用和發展關鍵技術,打造南台灣成為先進雷射技術及衍生應用產業群聚的「雷射光谷」。

去年以來,英國《經濟學人》雜誌、美國《華爾街日報》與CNN等國際媒體相繼報導,點出第三波製造革命,將以數位化製造及新型材料應用,改變整體製造產業鏈,其中3D列印技術即為此波改變的關鍵。

近年發展出的列印材料越來越多,製作的精密程度越來越高,加上3D列印因為具有客製化、迅速、彈性及高價效比的優點,應用範圍不再侷限於工業用模型製造,並可廣泛應用於汽車、航太、模具、醫材、珠寶、藝術及民生等消費產品。未來的世界將由過去傳統的平面列印轉為立體列印,甚至3D傳真亦為可行,小孩的玩具、生活用品到工業應用都可用此「疊」的科技印出一個3D的世界。

加法加工技術!3D列印具備效率與成本優勢

2011年,3D列印的全球產值達17.14億美金,比前一年成長近30%,預估2019年市場將成長4倍,產業前景可期。工業技術研究院結合國內外設備、材料、應用等產學研30餘家廠商,搶進被喻為製造業下一波革命的3D列印技術,並於7月18日於六甲院區舉行「雷射積層製造產業群聚」大會,以工研院雷射技術為平台,宣誓跨進3D列印產業。

雷射積層製造(AM,Additive Manufacturing)技術,簡單來說,是將3D圖檔削切成一層一層的2D平面,再將2D平面堆疊起來的加工方式。技術原理是透過高速掃描振鏡的照射,於預先鋪層的金屬粉末上,聚焦雷射光束於金屬粉末上進行粉末燒結,使金屬粉末達到其熔點,不斷地重複鋪粉與雷射燒結動作,逐層堆疊製成所設計之工件,可產生近似100%緻密度的成品。

例如將小提琴圖樣掃檔掃描後,以雷射積層印刷機,透過雷射光束,把特殊可耐300度熔點的塑膠粉末融合在一起,不到一天就能夠「印」出一把名琴。

運用積層製造的方法,可製作出複雜異形水路流道、內部特殊結構以及複雜的表面。該技術亦從快速原型(RP,Rapid Prototyping)轉變成快速製造(RM,Rapid Manufacturing),2009年由美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials,ASTM)正名稱為積層製造(AM),並成立技術委員會訂定其相關標準。

目前積層製造技術所面臨的問題,在於工件的邊緣處受到雷射燒結熔池的影響,零件的尺寸精度公差與粗糙度面臨控制不易,零件內流道的表面或深寬比較大的凹槽,不易進行拋光或研磨等後續處理。

即使如此,雷射金屬積層製造技術比起傳統減法式的加工技術,更具備效率與成本優勢。採用逐層堆積製造的加法式製造方法,可縮短複雜工件之製作工期,免除多道製程以及轉換加工機所需的時間,使製造方式進入批量客製化的領域,大幅提升製造效率,並且克服傳統加工方式所遭遇的製造問題。

雷射積層製造產業群聚 台灣3D列印市場蓄勢待發

「南部傳統產業急需高值化創新應用來帶動產業發展,雷射技術應用涵蓋產業範圍廣,也是美日歐先進國家的關鍵技術。」經濟部技術處機電運輸科張明煥科長表示,技術處支持工研院在雷射技術的研究,過去幾年聚焦在超快雷射加工應用與光纖雷射源的發展,也建立了完整的超快雷射實驗室及雷射源發展品質量測實驗室,近年來3D列印技術成長飛快,雷射是積層技術的關鍵,其應用領域市場非常大,希望藉由這個技術帶動光學、機電、製程、材料及設備的高值化,與南部光電、精密機械、模具、醫材、文創藝術等產業連結,將南台灣打造為先進雷射技術及衍生應用產業群聚的「雷射光谷」。

「由傳統減法式製造改變成加法式3D製造,積層製造技術可謂開啟新一波的製造革命。」工研院南分院執行長徐紹中博士表示,積層製造技術可大幅縮短複雜工件之製作工期,免除多道製程以及轉換加工機所需的時間,使製造方式進入批量客製化,大幅提升製造效率,由塑膠材料進展到金屬材料,也從原型製作進化成實際產品製作。

3D列印在全球不景氣中市場逆勢快速成長,「這樣巨大的影響,台灣產業不能忽視,值得國內廠商共同來投入。」徐紹中指出,工研院南分院引進國內第一台金屬材料雷射積層製造設備,可以解決傳統的金屬複雜曲面無法量產問題,克服模具異形冷卻水路的模流製作問題,甚至應用在客製化醫材,包括牙齒、人工支架、人工骨、人工關節及手術器械等製作。希望連結國內外設備、材料、應用等三十餘間廠商,共同來推動3D列印的應用和發展關鍵技術,未來將針對先進材料的積層製造技術進行重點研發。

「雷射積層製造產業群聚」是雷射光谷第一個成立的群聚,工研院今年初完成國內第一個金屬雷射積層實驗室,經過半年的推展,已協助國內廠商相繼投入模具及醫材積層製造,其中一個合作案例,成功為十餘歲黃金獵犬老狗退化的關節,裝置3D列印的髖關節,並因此將促成第一家以全e化雷射積層製造醫材的新公司在南部成立。後續工研院團隊將陸續推動雷射源、精微檢測等雷射相關產業群聚,期待在產官學研齊力推動下,讓更多的國內廠商投資這個快速成長的新領域,令雷射應用成為南台灣的新亮點產業。

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