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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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正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

國產金屬3D列印 開創傳統產業新契機

撰文/李幸宜 攝影/邱如仁 圖片提供/工研院

精緻時尚的珠寶金工產業,與先進高技術的雷射3D列印,兩者的結合不僅見證臺灣在3D列印技術研發的新里程碑,同時也拓展了文創市場的新藍海。


2014年是全球3D列印成長最快的一年,根據Wohlers Associates的調查顯示,3D列印服務與系統及材料的產值在2014年達到41.03億美元,比2013年成長35.2%。其中又以高階金屬3D列印設備最具爆發力,2014年總共售出543臺,比2013年成長54.7%之多。

臺灣目前在這塊新興市場的市占率雖僅有1.6%,但急起直追的腳步極具競爭力。工研院日前正式發表第一臺國人自製的雷射金屬3D列印設備,成本僅需進口設備的一半,再加上完全自主研發的製程與材料,可望以整體解決方案來加速國內3D列印產業的發展及應用創意的實現,工研院結合臺南市金銀珠寶商業同業公會及九個設計單位,共同發表超過50件3D列印金工文創作品,成功樹立了新里程碑。

雷射光谷為3D列印奠基

回顧2012年時,經濟部技術處結合工研院、金屬中心,共同規劃雷射光谷關鍵技術開發暨整合應用科專計畫推動策略;2013年則成立南部雷射光谷育成暨試量產工場,希望將研究成果落實到產業界,並突破目前高階雷射模組和設備仰賴進口的現況。

相關工作除了希望帶動光學、機電、製程、材料及設備的高值化,也要與南部光電、精密機械、模具、醫材、文創藝術等產業連結,將南臺灣打造為先進雷射技術及衍生應用產業群聚的「雷射光谷」。截至目前為止,這項計畫共有100多家公司參與,而且有70多家公司推出成品,成果相當傲人。

工研院南分院執行長徐紹中表示,3D列印的材料從塑膠到金屬皆可,產業應用也從傳統模型打樣或翻模鑄造,躍升為直接製作功能性的商品與零組件,以金屬3D列印為例,就能直接應用於汽車、航太零組件、特殊水路模具、客製化醫材及文創珠寶等民生消費產品。

近年來,工研院更已運用金屬3D列印技術協助國內廠商開發LED燈具、光學鏡片與汽車零件之模具;在醫材方面則協助廠商設計製造手術器械、手術導板,並與國內的教學醫院合作製造具仿生結構的3D列印骨釘,現正進行動物試驗中。

自主研發帶動產業應用

工研院南分院積層製造與雷射應用中心主任洪基彬指出,雷射技術發明於1960年,發展至今正是成熟階段,包括德國和日本在雷射應用都創造了優異的經濟效益。因此,雷射光谷的推動背景,不僅是呼應南部產業高值化政策,目標更要在2020年成為全球雷射關聯產業之創新與生產的重要聚落,相關作法包括關鍵組件自主、雷射創新應用和產業生態建構。

而在工研院成立的雷射技術育成暨試量產工場,就涵蓋雷射源開發、先進製程技術、產品試量產與設備開發。其中的先進製程技術包括積層製造試量產區,涵蓋材料、製造、後處理的一貫化試量產服務,可望提供醫材、模具、文創產業進駐研發服務。

經濟部技術處顧問林秋豐認為,產業效益必須涵蓋上中下游,而且不只是產業界,也要納入中南部的學界,擴大對3D列印的應用創意和想法,工研院與新創公司的合作及策略聯盟所展現的優異成果也很值得肯定。他說:「最重要的是,包含設備、雷射頭、金屬粉體在內,工研院都已能自主研發且掌握關鍵技術,有能力提供整體解決方案,可帶動更多的產業應用。」

工研院發表的金屬3D列印設備有AM100和AM250兩種規格,分別可製作10x10x10及25x25x30立方公分體積工件,以金屬粉末經雷射燒熔層層疊加成型,成品精細度可達50微毫米(um),相當於頭髮的半徑,緻密度超過99%;若以鈦合金粉末製作,拉伸強度達950MPa以上,已達醫材等級規格需求。洪基彬說,3D列印的設備、製程和材料,甚至到設備外觀的造型設計,全都是工研院從無到有研發而成。


為珠寶金工產業加值

珠寶金工是高價值、高難度的限量精品產業,但正面臨老師傅凋零、舊有工具無法傳承、年輕人不願投入及知識管理等四大問題,金屬3D列印設備不但有效解決這些問題,更能透過加工來協助廠商進行加值。

臺南市珠寶公會表示,由於老師傅愈來愈少,黃金和珠寶業者提供的訂作商品平均要一至二個月才能完成交到消費者手上,有些供不應求的狀況。因此,希望藉由和工研院的合作來解決產業困境,運用3D列印結合老師傅的工藝做出最完美的成品。

包括臺灣吉而好、唐草、漢鉑、點晴、藏愛等設計單位都已發表作品,一開始是先由設計師提供2D或3D設計圖,由工研院透過金屬3D列印設備直接印出,再交由原設計單位進行拋光研磨及電鍍等後處理,做出媲美傳統手工或RP脫蠟鑄造製作的金工飾品。如此一來,工序可減少二至七道製程,材料成本可精準計算,更重要的是,從接單到列印只需要半天,最適合需要客製化及零庫存的網路行銷。

以多達13層的球中球展示品為例,每一層都能自由移動,它透過金屬3D列印一體化成型,而非個別完成再加工套疊,精緻度更上層樓。臺灣吉而好也分享參與經驗,該公司以複合性材質的結合為特色,將加工金屬結合皮件、水晶及陶瓷等多元化組合,希望透過3D列印和傳統東方設計的結合,達到降低價格、吸引年輕族群的效果。

徐紹中分析金屬3D列印應用於珠寶設計的優勢,首先是動件一體成型,例如:不用鎖螺絲就能列印出球中球立體設計;其次,表面微細結構的呈現,如粗化,必須靠噴砂處理,但金屬3D列印的雷射技術則可一次到位,且具三維立體互通的表面孔洞結構,很適用於醫材產品;再者,異質材料的結合如金屬、寶石和木材變得更容易,金或銀的加工成分比例從0%到100%都能精準調整,這是傳統技法做不到的事。

製程創新開拓新藍海

工研院以先進的金屬3D列印技術,為金工飾品提供整體解決方案並推動試量產只是第一步,接下來就是促成自主營運,例如:業者可單獨或聯合購置設備,涵蓋設計、製造、出貨,為消費者提供一站購足的整合服務,同時也促進珠寶飾品的產業群聚,建構完整的產業生態。
洪基彬指出,臺灣珠寶金工產業的產值極為驚人,透過推動3D列印應用於金工飾品,可望以製程創新來開拓新藍海。尤其雷射3D列印擁有高度客製化、接單即做和成品獨特性等優點,特別適用於金工文創飾品等高附加價值的產業。

以製程面來看,3D列印只有設計、列印與加工等三大步驟,失誤率低,相較於需要六大工序且耗時又複雜的傳統金工鑄造作業,可節省至少50%的時間;另一方面,3D列印過程裡未使用的金屬粉末幾乎都可回收,材料耗損率及直接成本會比傳統作法更低。

珠寶金工產業適用的3D列印設備為AM100,其作業面積一次可列印9~80款不同設計的戒指,部分體積較小的醫材也適用於這套設備。設備以雷射產生足夠熔融金屬粉末的能量,透過重複執行的粉體鋪層和雷射燒熔過程讓創意成型,未被燒熔的部分仍維持在粉末狀態,光是一枚直徑2.5公分戒指平均要約1,000層的金屬積層,金屬積層愈多,細緻度就愈高。

洪基彬表示,就工研院研發的3D列印技術而言,包括金、銀、白金在內的貴金屬加工都不是問題,最大的障礙反而在材料成本,例如欲製作2.5公分高的戒指必須準備約六公斤的粉末,以黃金為例,每次開機的材料成本可能就是百萬起跳,即使加工後殘餘的粉末可以完整回收,但仍是一筆不小的投資。也正因為如此,工研院目前提供的材料以不鏽鋼粉體、鈦合金粉體、鋁合金粉體、麻時效鋼粉體、模具鋼粉體、多元合金粉體和碳化鎢/結合金屬粉體為主,以降低業者的進入門檻。

工業及醫材應用進展快速

工研院在雷射金屬積層製造的三大應用方向包括工業、醫材和文創,而且都已有具體成果。以文創為例,運用雷射金屬積層製造技術所設計的「蘭花金簪」兼具髮簪、手環與精油芳療等三重功能,去年在新加坡國際3D列印競賽勇奪珠寶類公開組首獎。

至於在工業應用部分,主要是採用AM250 3D列印設備來製造零組件,成品強度低於鍛鑄但優於鑄造。而在醫材領域,試量產驗證技術已協助臺灣創新生醫公司成立,亦透過授權製程技術與協助發展金屬醫材產品,來輔導澄洋公司技術升級與產品轉型。

東台精機董事長嚴瑞雄本身也是雷射光谷推動促進會副理事長,他強調,3D列印是全新的工法,積極發掘新工法的優勢及原有工法做不到的事,才能發揮這項新技術的優勢。東台精機深耕航太與汽車產業之加工設備,而且已經獲得AM250的技術移轉,預定於近期內發表相關產品;另外還有精鋼及嘉鋼公司也將與工研院合作,投入生產金屬3D列印材料,加速國內3D列印產業的發展。

台灣第一台-工研院金屬3D列印設備-列印珠寶飾品流程

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經濟部雷射光谷試量產工場再添利器! 工研院發表的金屬3D列印設備,可製作10公分及25公分立方體積工件,以金屬粉末經­雷射燒熔層層疊加成型,成品精細度可達50毫微米(µm,相當於頭髮的半徑)、緻密度­達99%,以鈦合金粉末製作,拉伸強度達950MPa以上,已達醫材等級規格需求,可­用於製作結構繁複的金工飾品、金屬模具、醫材和零組件。

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