設計、生產一次到位!「3D列印」4個突破正徹底瓦解造物規則

2019.07.29 by
張庭銉
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曾經遭企業家嫌太慢、太貴,被傳統製造業視為過度吹噓的技術,現在,3D列印跳脫有限應用,不但能製造高強度的物體,還可以在批量生產發揮本領。

什麼是3D列印(3D printing)呢?簡單來說,3D列印就是「由電腦設計、列印機做出立體物品」的製造方式。「將物體列印出來」的重大意義,可說是2D列印跨越第三維度(3D)的創舉,使得生產與設計的界線變得模糊。

平面列印技術的突破,最早源自工程師查克·赫爾(Chuck Hull)於1983年發現的光固化成形術(SLA),這項「液體樹脂被紫外線照到就凝固」的技術,使得科幻文本的情節走入現實。

SLA用特定波長與強度的雷射聚焦到光固化材料表面,是最早提出並實現商業應用的3D列印技術。
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但是,多數辦公室或超商裡的印表機,還處於平面印刷的形式,生活中接觸3D列印的人不多,大眾普遍覺得3D列印是傳統製造系統的附屬物,腦海中只有列印小型塑膠玩具、數量少、速度慢的印象。

其實,隨著科技進步,3D列印已從配角變成要角,4大關鍵特點破除了人們對現況的迷思,當代的3D列印正如火如荼的在各處展開革命。

3D列印就是積層製造嗎?4大特點看出與傳統製造的差異

2009年,美國材料試驗協會(ASTM)將「3D列印」通稱的產製概念,正名為「積層製造」(Additive Manufacturing, AM),並成立委員會(Committee F42)訂定相關標準。

由美國材料試驗協會(ASTM)成立的F42委員會,訂定積層製造的相關標準與分類。
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積層製造在2013年被炒作火紅,當時歐巴馬在國情咨文稱它為真正具有革命性潛力的變革技術,希望藉該技術重振美國製造業,《經濟學人》更將此視為第3次工業革命不可或缺的一部分,將改變製造業的未來。

幾經起伏,積層製造在2016年一度被視為過度激情的科技泡沫。時至今日,該技術不再只局限於製造塑膠小形品項,也不只適合於客製化少量零件。

像是美國軍方用積層製造技術打造F-35與F-22戰鬥機,並訓練海軍陸戰隊使用3D列印機製造裝備,用以迅速解決戰場上面臨的設備故障。屢次獲得融資的新創公司Carbon,以20分鐘列印一雙Adidas球鞋的速度,顛覆產量限制;New Balance也用積層製造平台開發、改造經典鞋款……。

3D列印快速打造整支聯隊的戰機在未來是相當稀鬆平常的。
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那麼,積層製造跟傳統製造的差別細節在哪呢?帶你一次了解箇中差異。

1. 多樣化的材料選擇

Lutetia時期(巴黎古拉丁語名)石灰岩製的石像鬼是巴黎聖母院的象徵之一,在今年4月中的一場大火中嚴重受損。
= flickr cc by Martha Heinemann Bixby

不僅是「塑膠小東西」,越來越多的材料種類能被用在積層製造。

適用於重工業、電子產業與高強度消費品的材料,如金屬(像是採礦的分離與鑽頭設備)與合金(最新的技術,是用人工智慧尋找多種金屬列印組合的超級合金配方)。

許多其他材料,玻璃(像是打造鐘錶的夾板橋)、陶瓷、木材(現在甚至可以列印具有天然木材結構與質量的固體)與石材(如修復歷經大火的巴黎聖母院石像鬼)等。

以極端環境下使用的高端產品而言,碳纖維或克維拉纖維(Kevlar,防彈背心的必備元素,強度為鋼鐵的5倍)、奈米複合式強化素材(如奈米碳管CNT)已被廣泛運用,最新的研究更聚焦於,將碳纖維應用於形狀記憶聚合物(SMP)(遇熱變形或塑形)的複合材料。

荷蘭設計師Elzelinde的「Upprinting Food」環保食物計畫,旨在改造未售出或過剩的食物(如水果、蔬菜、麵包和米飯)成為美觀的食品,來減少食物浪費。
Upprinting Food

甚至是食物(有人利用列印機,將可食用卻無法販賣的食物再製為美食)或者生物的組織與骨頭(像是打造專屬太空人長途太空旅行的皮膚與骨頭,以因應太空中容易受傷且不易癒合的人體),廣泛地都在積層製造的材料應用範圍內。

長期關注積層製造技術的理察·達凡尼(Richard A. D'Aveni)教授,他在新作《泛工業革命》中提及,最新的積層製造科技可以同步使用兩種或更多的材料列印。

書中舉例,奇異(GE)與Textron航空公司共同生產的商務飛機Cessna Denali,用3D列印打造該機配備的新型渦輪螺旋槳引擎。這個新設計的引擎,比類似的引擎消耗的燃料節省20%,並多了10%的動力。

Cessna Denali原本引擎的845個獨立零件,全都需要分開製造、組裝,但新設計在3D列印的助力下,整體簡化到11個鋼材與鈦金屬構件,使用不同材料列印的可行性,同樣提升了製造效率,令人驚嘆。

融合了革命性的創新設計,使GE9X成為奇異航空油耗最低、轉換效益最高的噴射引擎。
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除此之外,自2017年來,奇異的新型波音777X客機一直在開發中,在機艙容量與機體上採用了許多新的改進設計,預計在2020前完成首航並提供商用服務。而驅動「世上最省油的噴射客機」波音777X、耗資逾20億美元研發的GE9X引擎,當中的重要構造燃料噴嘴(fuel nozzle)正是用積層製造做出的。

其他小型的零件,諸如溫度感測器、燃料混合器等,或是飛機較大型的部位,諸如分離器(separator)與換熱器,甚至是GE9X引擎的長腳(Foot-long)低壓渦輪扇葉,也都是用積層製造做出的。 面對記者採訪,奇異航空GE9X專案的總經理Ted Ingling表示,「坦白說,我們發現積層製造非常的強大」。

2. 設計製造快速結合

積層製造的藍圖以數位檔案為主,數位化讓製造過程更加靈活,不用經過傳統製造昂貴的開模程序(壓模、鑄模),電腦檔案可供應設計端與產製端,在線上平台協作,使人們能夠更加輕易地快速設計與產出。

在傳統製造程序,零件設計、製造與組裝分開,但這些複雜的程序現在變得沒有必要,在產品體積合適的前提下,積層製造使得設計與生產一次到位(房子等相對巨大的物體可能需要逐步列印)。

另一方面,在突破大規模生產的技術門檻後,發展成熟的積層製造,有著「簡化生產步驟」的特性,縮減了工廠配置,淘汰需要密集勞力的生產過程,組裝時的人為失誤也將大幅減少,或完全除去。

人們能在世界上越來越多的建築工地現場看見積層製造技術的身影,圖為義大利Arup和CLS Architetti公司正在3D列印房子。
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進一步來說,應用積層製造,同樣的機器設備,可以搭配不同的數位設計圖與原料、設定不同模式,再產出更多種類的產品。

大量使用同種機器後,設備買入的價格、安裝與維修成本降低,不只優化了單一類別、關聯性高的產品製造過程,也使得產品線涵蓋多種類的供應商,能夠整合生產資源、有效營運,帶來更好的利潤(詳見《數位時代》281期)。

3. 可以做更精細產品

不單是突破時空限制,數位化設計、積層製造,讓企業可以透過「更為複雜」結構來研製產品,特別是製造鏤空或形狀複雜的產品。

以往傳統模具「因為太過精細」而無法做出的物品曲線、構造,現在藉由資通技術(ICT)與數位化設計,待印物件的複雜度藉由電腦程式明顯可控。

日本創新食品公司搶在2020年東京奧運開幕第一家3D列印食用壽司店,精緻的列印壽司不但能吃,還可以客製化設計。
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該技術逐層累積的方式也是一大特點,依照數位藍圖按部就班製造,必要時還可用「分子」為單位列印(像是打造生物幹細胞),不僅難以失誤,還讓細節更為精緻、到位。

由此看來,積層製造站上傳統製造方式難以達到的工藝境界,但就目前技術而言,積層製造複雜的品項仍會多花一些時間,或耗費額外的材料,只是投入的成本明顯低於傳統製造所負擔的。

雖然「列印人工器官」要發展到具備其全功能的地步,還需要10-20年時間,但目前的階段性成果已有重大突破,例如列印皮膚,是各大化妝品公司的重點發展項目。
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4. 減少原料浪費

以模具射出、接合組裝、使用機械切削加工等形式的傳統製造技術,這些傳統的製造方式對材料的使用率不到兩成,相當浪費原料,故又稱為「減法製造」。

目前世界上的產品,幾乎都是透過減法製造所生產。儘管減法製造產出的一些廢料也能回收,相對積層製造機器的「列印頭」,後者能更加精準的快速成型。

傳統的製造商取得原料時,需要分門別類的產製或購買零件、產品。積層製造工廠只需配備列印機器,從同種粉末(例如標準化的金屬粉末)或液體印製多樣化的零件、裝置產品,而企業大量購買一樣的原料,更能取得批發優惠,壓低價格,達到相對低廉的成本。

現在,一台專業的金屬3D列印機的價格,從大約5萬美元到100萬美元不等,價位取決於機器的大小及其性能。
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綜合前述積層製造的特點,應用積層製造的工廠,可以透過自由度極高的生產模式,或快速的更改產品設計,實現產品的創新、因應市場需求戰略更動。

另外,由於積層製造設備比傳統廠房的配置來的精簡,使得企業可以靈活的調整地理範圍,改變位置到靠近材料,或靠近客戶之處。

打破迷思的積層製造實情:傳統印象與產業現況的對比。
數位時代

印刷術的發明無疑是文明進程的重要里程碑,數位化浪潮亦是,兩者皆在人類歷史掀起巨大變革,而繼承世人對科技奇點驚嘆的技術,正是積層製造。

在未來,職缺增加的速度,難以追上勞動人口增加的速度,因為企業將積層製造與人工智慧、雲端運算等資訊科技結合應用,製造業將與亨利·福特式的裝配生產線概念「說再見」,許多傳統的製造流水線工作或許將集體消失。

責任編輯:蕭閔云

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