工業技術研究院

迎接工業4.0時代的來臨，3D列印是關鍵技術之一。對於擁有強大製造業及ICT產業實力的臺灣而言，在工研院的技術協助下，各項3D列印相關材料及硬體設備技術皆具有一定水準，然而要協助產業翻轉既有的製造思維並接受創新的製造模式，卻非易事。有鑑於此，工研院於日前特別舉辦「3D列印整合設計軟實力大未來」研討會，邀請國內外在3D列印軟體及設計經驗已占有一席之地的專家學者，分享臺灣如何在硬體基礎上，從應用端及使用者經驗流程進行跨領域整合。

積層製造（Additive Manufacturing; AM），又被稱為「3D列印」，技術涵蓋光學、機電、製程、材料、設備及軟體，甚至後端應用的雲端服務系統，綜合這些因素，3D列印的最大影響力，在於能推動製造方式邁入大量客製化的時代，並大幅提升製造效率。

3D列印是一項強大的新技術，能夠讓專業人士或一般使用者，將創意設計化為實體物品，然而最適合臺灣產業的3D列印商業模式及殺手級應用，各界仍在摸索當中。在研討會開場致詞中，工研院雷射與積層製造科技中心主任曹芳海提到，工研院長期致力於找出臺灣3D列印軟實力的藍海策略，盼有助臺灣產業搶攻3D列印應用及服務市場，工研院六甲院區的「高功率雷射3D列印試製平台」，便是一大貢獻。

由工研院所建置的該平台，擁有全臺首座6,000瓦高功率雷射設備，可提供雷射金屬沉積（Laser Metal Deposition; LMD）3D列印試製平台，結合已有的粉末熔融成型（Powder Bed Fusion; PBF）3D列印試製平台，能提供臺灣產業從設計、模擬分析、複合製程，與整合驗證的完整金屬3D列印解決方案，開放給國內產學研各界合作使用。曹芳海並強調，積層製造技術提供一種創新的製造思維，能夠擺脫傳統製造工法的限制，易於建構複雜形貌及內部特殊流道與結構，推動產業創造高值化新穎產品。

為活化國內製造業界的思考方式並激發創意，此次研討會所邀集的貴賓精采分享如何在硬體基礎上，從應用端及使用者經驗流程進行跨領域整合。

3D列印搭配拓樸優化　實現輕量化

研討會首先登場的講師是來自Altair Engineering的全球汽車事業副總經理顏世榮。在「針對積層製造的設計」講題中，他指出3D製造方式相當適用於個人化、少量化、客製化的產品需求，尤其是組件繁多需組裝的產品。Altair為世界頂尖設計軟體公司，其產品結構與優化設計軟體擁有全世界領先的工程技術，藉由優化分析、商務及工程資訊的有效管理，和可視化技術來協助達成客戶創新的思維。

顏世榮強調該公司的工業結構設計最佳化3D軟體，有許多移動運輸輕量化結構件3D列印成功案例，例如頗讓人津津樂道的Airbus A380飛機設計。Altair透過拓樸優化（topology optimization）建構設計骨架，將受力的傳遞路徑找出來，把材料放在對的地方，找到最佳的支撐效果，最後實現做到最佳的輕量化設計。顏世榮指出，這個設計歷程的關鍵就在於如何尋找最佳的受力傳遞路徑，尤其是對於汽車、飛機這些由數百個零件組合而成的產品而言，簡直是難上加難。

針對此難題，3D列印的自由度和拓樸優化的組合，就能快速找出解答。透過這樣的方式，Altair於10餘年前就成功將Airbus A380的重量減輕了500公斤，這在當時的航空界是無法想像之事，之後Altair廣泛協助各家航空公司進行飛機減重。

顏世榮進一步說明，長期以來，飛機結構設計依靠傳統設計經驗以及各種試驗資料的累積，研製週期長、成本高，無法滿足客戶對研製週期及成本控制的要求。為了降低研發成本，節約寶貴的設計週期，只能通過減少設計反覆運算次數來實現，而結構優化技術和3D列印的組合實現了這種理想。

強化軟體共通性　適用各種AM機器

同樣地，來自TWI Technology Centre的Utkarsha Ankalkhope，同樣也擅長AM輕量化結構設計、前處理分析。Utkarsha Ankalkhope曾任職於全球AM最大前處理軟體設計公司Materialise，目前是TWI（The Welding Institute）3D列印計畫主持人。

他說明拓樸優化在設計上的應用極為廣泛，包括輕量化結構、降低噪音及液體流動最佳化等。拓樸優化常會搭配粉末熔融成型的3D列印技術，透過此種方式製造出的產品機械強度極佳，列印出來後即可直接使用。Utkarsha Ankalkhope表示，大型組件的各個部分就可透過此種方式製造完成後，再進行組合，能大幅降低開發成本及時間。

除了硬體技術的進展外，在軟體部分，Utkarsha Ankalkhope特別指出當前3D列印軟體所面臨的挑戰之一，就是各種AM機器之間並不相容，因此材料處理參數需經過轉譯、交換等，才能使用在不同的機器上。這也正是他所致力的範疇之一。

結合掃描及列印　快速製造彩色物件

3D列印的成型方法相當多樣，臺灣科技大學色彩與照明科技研究所副教授林宗翰，專長為3D資料擷取、3D數位資料重建、電腦視覺，與圖學相關應用領域。林宗翰長年致力於以更佳的方式來完成3D彩色物件的掃描及列印，研究至今，他已取得極為豐富的成果，例如已開發完成可將照明、3D幾何、色彩修正等因素考量在內的彩色3D掃描器。

針對現今的商業彩色3D列印機，林宗翰所領導的團隊也已開發出色域匹配及色彩補償演算法，能維持列印高品質。此外，還完成了基於光固化樹脂的3D彩色列印原型機，林宗翰及其團隊在3D彩色掃描及列印領域已獲得數項專利，其中一項名稱為「多功能3D掃描列印裝置」。

這個系統同時具備3D列印和3D掃描功能。掃描部分，是由一個DLP投影儀、一個CCD相機、一個支架所構成，將DLP投影儀與CCD相機以相對位置固定在同一個金屬支架上；其中的3D掃描功能是以DLP投影儀投射光柵，結合高畫素彩色線型CCD掃描擷取影像，如此能獲得物體的外型輪廓資料。3D列印功能則是使用高解析度的DLP投影儀，當光敏樹脂受光線照射而硬化，此時工作平台下降，硬化的材料上會覆蓋一層尚未硬化的材料，反覆進行便可完成三維的實體工件。

利用3D列印　降低火箭引擎製造難度

3D列印的應用無遠弗屆，甚至是火箭引擎製造也因為3D列印技術的導入而有了不同的發展。在「3D列印應用於火箭設計及製造」此一講題中，交通大學機械工程系教授吳宗信指出，外型複雜、難加工又無法簡化的零件，就是3D列印的用武之處，而火箭正是非常適合的產品。

火箭內部空間極為有限，零件眾多且需固定，因此會需要特製固定元件，這時就能採用3D列印，不僅能減少固定零件的數量，且能降低成本與製造時間。吳宗信的研究專長為混合式火箭推進研究與系統整合、低溫電漿模擬，同時也是交通大學「前瞻火箭研究中心（ARRC）」火箭計畫的主要推手。

吳宗信表示，未來五年有約2,000顆重量約100公斤上下的小衛星上太空，因此，生產小型火箭發射小衛星進入300〜2,000公里間的低軌道，將是臺灣放眼全球市場的機會。小型衛星如形成星群，未來可能成為「個人衛星」，可以提供許多影像或通訊用途，而混合式火箭因安全性及C/P值高，就是最好的發射載具。

ARRC已在今年初於新竹試射自行研製的APPL-9 C雙節小火箭，火箭成功分節與第二節點火推進。這項技術可轉換至HTTP-3大型混合式雙節火箭使用，未來目標是飛至100公里高度，進行太空科學實驗，預計今年將進行試飛。吳宗信強調，在相關進展中，3D列印技術的導入功不可沒，因為使用傳統焊接技術的難度極高，而使用3D列印技術，能使設計更具彈性，可靠度更高。

吳宗信進一步舉例說明，液態燃料火箭引擎的超複雜冷卻管線設計，若能全部採用金屬3D列印技術製造，將能省事許多。事實上，ARRC已與工研院進行混合式方面的合作，並完成初步的驗證。

吳宗信以電池直接驅動泵浦的火箭引擎的新技術為例，紐西蘭Rocket Lab團隊所研發出的電力驅動火箭引擎，名為拉塞弗火箭引擎（Rutherford engine），是利用鋰聚合物電池驅動渦輪機，讓以往需要透過燃料驅動的部分，改以高效率的無刷直流電動馬達來負責，藉此減少95%的火箭發射成本，且由於改採用更為先進的3D列印製程，可以大幅降低製造成本。

此外，美國太空總署NASA也成功測試3D列印燃料渦輪泵，據NASA宣稱，該渦輪泵製造過程所需元件較一般渦輪泵少了45%，除了省下一部分的製造成本費用外，透過一般製造模式所生產的渦輪泵，需耗時四年的時間，但利用3D列印的時間只需二年就可完成。

複雜結構有解　有助先進馬達開發

同樣地，將3D列印技術應用於馬達設計，也能達到縮減開發時間及成本的目標。成功大學電機系教授李文熙指出，現有的能源耗用設備運轉得更有效率，是節能減碳的重要方法之一，考量此點，普遍應用於工商業及家庭中各種設備的馬達，勢必朝更佳的節能特性發展。根據研究統計，僅就工業應用來看，馬達驅動設備用電量約占總電量的46%，占工業用電更高達65%〜70%左右，馬達在工廠幾乎無所不在，主要用於驅動各項生產機械，包含泵浦、風機、空壓機、輸送帶，及各種製程設備等。

整體而言，馬達的發展趨勢包括高效率、散熱佳、低震噪等，要達到這些特性，馬達的加工難度及開發成本就會提升，這就與生產商持續追求的低成本、低售價及輕量化有所違背。在這兩難之中，積層製造技術能提供的加工自由度，以及金屬與非金屬的整合設計能力，就為這個困境提供了解決之道。

李文熙進一步說明，導入3D設計概念後，馬達的定址、轉址、繞線等設計難度降低，且許多元件都能先行製造後再進行組裝，整體開發速度加快許多，且可以預先模擬、開模驗證，所以能減少製造次數。此外，積層製造能促進應用端的創新，例如3D磁性材料的開發，加上創新的雷射製程、粉末低溫製程等，幾乎能設計出各種形狀，這對於磁性齒輪的設計尤其有利。

傳統機械齒輪因為採用機械式結構，因此會導致噪音問題，而利用3D列印技術可開發出結構複雜的非接觸磁性齒輪，進而解決噪音問題。李文熙並強調，積層技術的導入不只是對於齒輪及其他機械結構來說大有好處，對於材料開發人員而言，也可以利用3D列印技術快速做出原型，就原型品質進行材料調整。

開發導航技術及器材　大幅降低手術風險

談到3D列印的應用，醫療用途最常被提及，成功大學機械工程系教授方晶晶在此領域已耕耘多年，且建立許多豐富成果。方晶晶專長於虛擬實境、幾何模式、物件導向式設計及醫學工程設計等。她特別介紹成功大學虛擬實境與多媒體研究室、電腦輔助手術計畫軟體、以3D列印製造的客製化手術輔具等。這些成果在過去10年已陸續應用於國內外各大醫學中心的骨科、口顎外科、整形外科、牙科等大小手術，締造國內外17所醫院等700多個成功手術案例。

她所主持的「虛擬實境與多媒體研究室」，投入電腦導航輔助手術研究至今已有10餘年。從1999年起就陸續協助多項醫學分科進行臨床病例，合作醫院包括成大醫院、臺大醫院、花蓮慈濟醫院、義大醫院、臺中榮總、長庚醫院、奇美醫院與菲律賓STI醫學中心。

方晶晶指出，電腦輔助手術導航系統可以協助醫師提供更全方位的資訊，進而降低高危險手術的風險，讓困難度高的手術增加準確度。在各種導航技術中，「電腦輔助正顎手術導航計畫」主要應用於口腔及顏顎面，包括組織複製、植入物設計、外形重建、正顎手術、植牙導引等。

其中為正顎手術設計的「導航咬合器」（navigational articulator），簡稱Narticulator，是整合了電腦醫學影像手術計畫，與光學齒模位置追蹤裝置的新型正顎計畫產品，可以建立3D模型，進行術前計畫與分析、手術中導引，術後追蹤分析。

目前市面上並無專為正顎手術計畫開發的醫療器材，而正顎手術牽涉到三大層面，包括和諧比例、咬合、對稱等問題，傳統都只用X光，進行紙上測顱，就開始擬定手術計畫，誤差會比較大。方晶晶指出，透過「導航咬合器」進行手術，則是以CT掃瞄，執行3D對稱分析，再評估顎骨對稱度，並藉由3D測顱分析，再決定正顎手術目標。由於準確度極高，應用於顳顎關節異常（TMJ）、小耳症、顏顎面骨整形的病例，可以得到很高的滿意度。

此外，「電腦輔助脊椎鑽孔導航系統」，也是方晶晶帶領團隊造福病患的成就之一。脊椎手術風險高，稍有差池就可能危及生命或造成終身癱瘓，因此利用電腦輔助將骨釘植入安全方位，能降低手術時因裸眼判讀、憑經驗手感所引發的不確定性結果，也減少因誤傷脊椎神經與血管的風險。

方晶晶說明這個系統是利用數理幾何學的方法配合醫科解剖學理，融入專業醫師臨床經驗，進行電腦輔助鑽孔導引件自動化形成製作，於臨床上提供骨釘安全的植入方位。此方法能在臨床試驗階段進行術後結果分析，可預測手術結果，並大幅度縮短手術時間及降低手術風險。

整體而言，切骨輔具、鑽孔導引、三維空間組織模型觀視、製作等，這些更有效率、更高品質的重建手術輔助性工具，將能開創出新穎的醫療工程技術，為醫療進步立下重要指標。

加減法相輔相成　有助縮減工序

在多位專家分享精采內容後，主辦單位並邀集東台精機董事長嚴瑞雄、美國密蘇里大學教授陳進崑、Altair Engineering全球汽車事業副總經理顏世榮、TWI 3D列印計畫主持人Utkarsha Ankalkhope共同列席，於工研院雷射中心主任曹芳海的主持下展開座談，針對「3D列印軟硬實力整合商機」進行探討。

首先，針對製造加法及減法孰優孰劣，嚴瑞雄表示，雖然3D列印技術應用範圍廣泛，但終究還是受制於列印速度、製造精度等因素，所以尚無法實現大規模工業化生產，3D列印並不能完全取代傳統的減法製造法，在很長的一段時間內，兩種生產方式還是會並存、互補，所以在設計初始就必須考慮到兩種方法的需求。

顏世榮也提到，加法做完後要進行表面處理，這部分就是減法，截至目前為止並沒有新方法來執行這個部分，這也是大家必須思考之處。傳統的加工方式將大塊材料慢慢切削、雕琢而成，這是「減法」；3D列印技術則採用層層堆疊的方式製作，稱為「加法」。

陳進崑指出，是否該採用3D列印，決定因素仍是經濟效益。在採用3D列印之前，首先必須要非常熟悉原來的傳統工法，以及3D列印的特性，如此才能做出正確的比較，了解在3D列印的協助下，到底減少了幾道工序。

3D列印的應用極為廣泛，不過，一般認為交通工具、航太、醫療等產業非常適合導入積層製造技術。工研院所建立的「高功率雷射3D列印試製平台」提供軟硬體整合的各項服務，希望協助臺灣在深厚的製造基礎上，扭轉設計思維，充分整合軟硬體實力，使產業能在未來的3D列印時代占據重要地位。