工業技術研究院

由3D列印「堆疊」出的新市場勢力已然成形，嗅到風向的國際大廠早已積極投入，帶動產業鏈蓬勃發展，臺灣除了致力開發多元3D列印材料，也以自主研發的大尺寸金屬3D列印設備，在風起雲湧的全球市場中占得先機。

積層製造（3D列印）技術有別於傳統除料式加工方法，可製造出過去難以達成，像是複雜曲面、鏤空窗花、內部流道及輕量化結構等特殊工件。在推出初期，產業認知多半為僅能試製與展示，做不出實用零組件與市場規模，製程中也有許多瓶頸待突破，感覺上邁向商業化仍有距離，然這樣的想法已經遠遠落後時代潮流。

根據研調機構Wohlers Associates 2017年公布的數據顯示，全球3D列印應用的產業以工商業應用為大宗，占18.8％，其次是航太產業占18.2％、汽車重工業占14.8％，消費性電子產品佔12.8％，醫材11％；全球專業3D列印設備銷售從2014年的550台，2015年一口氣成長至808台，2016年仍以成長率18.4％增加至957台，顯示市場需求日漸增多，同時也帶動3D列印材料市場蓬勃發展。

毛利率回升 前景看好

工研院產業經濟與趨勢研究中心（IEK）資深研究員葉錦清認為，3D列印最大優勢是能協助企業整合上、下游並跨足新市場且縮短製程，像是愛迪達（Adidas）以往並不涉及生產製造端，但此次與Carbon 3D合作推出首款量產3D列印球鞋Futurecraft 4D，每雙生產時間可縮短至20分鐘內，預計2017年下半年生產五千雙，2018年年底前生產10萬雙，直接跨入生產製造端；3D列印也讓企業更容易跨足新或相關市場發展，如全球兒童玩具品牌領導者孩之寶（Hasbro）與全球最大的3D列印服務平台Shapeways合作成立網站，跨入大人玩具，提供孩之寶玩家設計、展示原創3D列印作品，提供藝術家前所未有的機會，也使孩之寶消費者能購買獨特性高的作品。

以往企業要跨足新事業或切入上下游，都需投入巨資並長期摸索，承受失敗高風險，如今可運用3D列印技術降低投資門檻，獲得高成功率，這也是3D列印周邊與設備日益熱門的主因。

工件由小變大 挑戰也倍增

為因應趨勢，生產3D列印設備的公司逐漸走向高端，跳出以往認為3D列印只能做小型工件的思維。但要以3D列印出大工件，難度倍增。

工研院雷射與基層製造科技中心副組長劉松河分析，過去以3D列印製造大尺寸金屬零件時，需解決大面積均勻鋪粉與腔體流場問題，且熔融製程中殘留應力容易產生熱變形，影響製程良率，為此，國際大廠紛紛研發出能生產大型工件的3D列印設備，其中以工研院提出全球首創的「立體多邊型掃描策略」，可平衡雷射製程熱應力的累積，使金屬零組件變形的程度較傳統掃描策略降低三成，有效提升製造品質，加上擁有「雷射金屬粉床熔融」及「雷射金屬直接沉積」的兩大關鍵技術，做到大尺寸3D列印已非難事。

工研院目前已成功研發能列印出50x50x50立方公分的大尺寸3D列印機，加上已推出的小尺寸（10x10x10立方公分）及中尺寸（25x25x30立方公分）的3D列印設備，三種國產自主設備可滿足小、中、大等不同尺寸的客製化需求。此外，除了以國外材料測試驗證與國外設備相比外，工研院也協助超過八種以上國產材料商品化驗證與參數優化，成功輔導國內廠商做到設備材料自主化。

與比利時公司軟硬整合　自製大尺寸設備

工研院雷射中心主任曹芳海表示，工研院3D列印團隊將自主研發的硬體系統，與比利時Materialise公司的製程軟體成功「軟硬整合」後，開發出四區大面積專用製程掃描策略，不僅能避免列印時煙塵交互影響製程，也透過最佳化雷射掃描策略控制，避免多顆雷射同區共熔的加工品質問題，並使生產效率最高提升四倍。

曹芳海分析，與以往電腦數值控制工具機（Computer Numerical Control；CNC）製程相比，CNC是「減法」，製作工件需要切削並移除超過50％以上廢料，而金屬3D列印則是「加法」層層累積製造，在可估算與預期狀態中，逐步達成原設定目標，將變數掌握住就能得到最佳產品，將浪費之材料與整體開發時間降到最低，亦被稱為「綠色製造」的工法。

四頭多工 效率提升

為了加快生產速度，工研院研發的大尺寸金屬3D列印具備四個雷射頭來同步操作製造，可因應未來延伸的需要；除搭載臺灣自主研發的500W光纖雷射源外，更成功研發出臺灣第一台大面積金屬積層製造設備，最大製作體積可達50x50x50立方公分。劉松河形容，「四個雷射頭可收事半功倍之效，宛如四手聯彈，能讓成品表現更悠揚，而這也是高難度的呈現，與國際大廠的大型3D列印設備相比，臺灣自有研發的完全不落人後，深具競爭力。」

目前金屬3D列印成品尺寸精度可達正負50微米，最小製作直徑可達100微米，緻密度大於99％，鈦合金拉伸強度可大於1,000MPa，高於傳統鑄造加工結果，符合產業應用強度，已完全跳脫僅為試製的角色，等同於能仰賴3D列印設備直接產出成品。

而結合工研院獨特的光學調控引擎，未來更可依照不同金屬列印材料的特性，分區調控出不同的雷射光形與掃描軌跡，藉此突破單一材料的屬性限制，創造出金屬積層材料調控的應用潛力。

劉松河表示，3D列印品質會受到相關製程參數與材料性質影響，如雷射功率、掃描速度等，掃描策略等，都會影響結果，必須由微觀（粉體熔融與材料顯微結構）至巨觀（熱殘留應力）的投入研究，搭配粉體材料評選設計，製程參數調控匹配以及產品性能評估，建置多物理模擬技術。這些細節對於剛投入3D列印生產的廠商而言，如還必須埋首研究參數、過於費時費工，因此工研院的先進預前模擬工具可針對產品，進行虛擬參數設計使積層製造製程最佳化，以減少設計時間，提高零件性能，降低整體開發成本，跨介面設計平台（AM Design platform），可為客戶整合掃描策略、搭配材料評選設計、製程參數調控匹配、產品性能評估模擬，開發支撐材最佳化技術設計，以提升產品製造良率。

材料多元開發　滿足產線需求

此外，為了讓大尺寸3D列印能應用的材料更廣，工研院也開發一套「3D列印材料晶控光引擎」技術，能依照工件需求調控局部材料晶相結構，使不同部位具有不同強度、硬度、韌性等機械性質。劉松河舉例說明，如航太葉片，就能讓軸心硬度加強，扇葉韌度增高，「讓該硬的地方硬，該韌的地方韌，改善局部方向性反覆疲勞、高磨耗等使用問題，大幅提升產品效能，並節省零件的製作成本及時間，這些都是傳統製程無法比擬的。」運用此技術，有助於生產航太、汽車及生醫骨科等需具備耐磨高韌性條件的零件。

工研院除投入3D列印設備設計，也研究可應用的材料性質，從不鏽鋼、模具鋼、鈷鉻合金、鎳、鈦、鋁合金，到鎢鋼、紅銅等；生物列印技術也在研發中，目前已著手開發仿生表皮組織3D列印技術，產品可應用於化妝品體外安全性評估、表皮組織腐蝕性與刺激性測試等領域。

工研院希望能協助臺灣建立自主設備及材料，開發3D列印創新製程、專用設備，也投入材料研發，希望引領臺灣3D列印發展特色產品，並協助產業建立工業級生產線，以擴大臺灣3D列印應用面，在全球市場中占得先機。