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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

309期2017年07月號

出版日期:2017/07/15

正方形 Icon 創新之鑰Innovation

掌握3D列印「大」商機

撰文/賴宛靖 圖片提供/工研院、黃鼎翔、Sutterstock

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

3D列印市場需求日漸增多,同時也帶動3D列印材料市場蓬勃發展。
3D列印市場需求日漸增多,同時也帶動3D列印材料市場蓬勃發展。

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

工研院舉辦「大趨勢!金屬3D列印成果發表暨技術研討會」,現場除展示國內首座大尺寸3D列印設備外,亦邀請國內外專家分享3D列印軟硬整合及應用趨勢。
工研院舉辦「大趨勢!金屬3D列印成果發表暨技術研討會」,現場除展示國內首座大尺寸3D列印設備外,亦邀請國內外專家分享3D列印軟硬整合及應用趨勢。

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。


工研院的大尺寸金屬3D列印設備可四區同步熔融,產能最高可提升四倍。
工研院的大尺寸金屬3D列印設備可四區同步熔融,產能最高可提升四倍。

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