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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

294期2016年04月號

出版日期:2016/04/15

正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

導入積層製造技術 創新設計思維

撰文/陳玉鳳 攝影/黃鼎翔

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。

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。
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。

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。

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。
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。

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。

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