引领制造浪潮 3D打印推动产业数码化

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台湾科技大学工程学院院长郑正元。

3D打印被视为未来制造的主流,生产方式将由传统的加工方式,转变为数码建模与积层制造,针对此一趋势,DIGITIMES特于六福皇宫举办「3D打印与智能制造研讨会」,邀请各领域指标性讲师,深入剖析3D打印的技术趋势与市场发展。

3D打印技术颠覆了传统制造思维,将「制造权」由资本雄厚的企业下放至资源有限的中小、微型企业,甚至是个人手上,其实就技术面来看3D打印并非新技术,早在30年前就已被研发出来。

不过近年来多项专利陆续过期,吸引多家厂商投入,再加上外围如绘图、材料等技术均已成熟,让3D打印一时之间风起云涌,甚至被视为颠覆现有制造业,成为下一代智能制造的主流,针对此一趋势,DIGITIMES举办了「3D打印与智能制造研讨会」,从各环节的技术角度,深入探讨3D打印的发展。

制造数码化  颠覆传统思维

在开场的「3D打印推动产业数码化」台湾科技大学工程学院院长郑正元从产业面探讨3D打印与产业数码化的发展,他提出几个概念解释3D打印为何被称为第3次工业革命?同时点出在此波浪潮下,未来哪里些产业最具发展潜力?

他指出3D打印又称为积层制造,是透过运算将物品形状切为数层的虚拟型态,再以各类材料层层堆叠出产品,这与传统制造的「减法」模式不同,减法制造模式是从固体材料中,逐步去除不要的部分,最后才形成产品,例如一个产品,利用五轴加工机,沿著设计图中产品外观的路径、曲面进行加工,这类作法工具会与制品有一定的互动关系,必须选择适当的工具,否则不是刀具断裂就是材料崩落。

与这类传统的制造方式相较,3D打印则是采数码化方式制造,前面提到,3D打印又称为积层制造,也就是用数码方式将产品的类比式讯号切为每一小块,判断每一小段的讯号为0或1?每一小段组成一个2D面状,再由每个面层层堆叠出一个3D产品,这种作法不用担心物品材料与刀具之间的互动关系,因此这种方式会比传统制程更为简单,3D打印因为所有的产品数据数码化,因此也让制造不受地域限制,可将数据传送至远程的3D打印设备,生产出质量相同的产品。

不像传统集中式制造,需要经过模具、特定机具加工参数调整,制造出工件,3D打印则可经由数码与网络,将生产数据分散至各制造点,这类数码制造就是线在业界这几年在谈的「智能制造」、「工业4.0」的核心概念之一。

再回到3D打印本身,郑正元指出,打印技术的英文「Printing」亦即印刷术,中古时期印刷术的发明,让人类知识迅速普及、扩散,进而催生了近代文明,随著技术的进展,「Printing」的概念也不断进化,近年来数码技术成熟,「信息数码化」成为这30年来科技业共同努力的方向。

当年计算机初问世时,2D打印在信息数码化中,扮演了极其重要的角色,此一技术不但协助了信息数码化的的传递工作,同时也让信息具备了复制与分散的特色,让知识更快速的普及,然而随著IT技术的进步,2D打印机的作用逐渐被行动装置、投影机等终端显示装置取代,紧接著郑正元再谈到3D打印,他指出「3D打印」既然被冠上「打印」之名,必有其物理意义存在,2D打印是将信息做分散传递,3D打印则是实体数码化后的输出。

从快速成型到3D打印

3D打印将产品设计数码化,目前制造过程初期,都会先行绘出制品的尺寸、形状,这阶段属于产品的信息数码化,而非产品数码化,所谓的产品数码化,应是3D立体模型数码化,两者的差异在于前者有平面的尺寸形状,后者则为具有空间感的3D立体形状,因此要推动产品数码化,必须先具有产品完整建模的技术。

3D打印的基础始于早期的快速成型技术(Rapid prototyping;RP),也就是现在3D打印或称积层制造的始祖,不过既然名词不同,其物理意义也不同,也就代表这是两种不同的技术,快速成形型的机器性能,要达到一定程度的工业水平,设备与耗材成本考量相对宽松,3D印列设备则要求有一定速度、精度可忍受些微误差,但设备价格必须便宜。

从快速成型到3D打印,其方法、目标都不同,虽然都是逐层堆叠的积层制造方式,只不过快速成型不使用3D打印的投影技术,但快速成型只是3D打印技术的进化过程之一,因此快速成形不等于3D打印,同样的,3D打印也不全然等于积层制造技术。

在技术方面,目前的3D打印都必须先行建模,不过近来有几个3D技术则略过此一程序,有厂商以手动进行光固化,另外甚至有厂商推出手持式笔状设备,在笔内填充材料,以手持方式挤压出材料,便可拖曳围绕出一个立体产品,这类产品与现行3D打印设备,最大的差异在于软件,需要先行建模的3D打印,其产品精细度无疑远高于这类手动的立体制造设备,这也就凸显了3D打印产业链的价值高低,郑正元指出,未来此一产业链价值最高者并非硬件设备,而是建模软件。

放眼现在的网络技术之先进,让绝大多数人的养成了信息倚赖习惯,有任何信息需求,查找引擎总是第一选择,但当未来3D打印成熟后,使用者若需寻找打印图档,查找引擎恐怕会另大家失望。

郑正元表示,查找引擎只能进行信息查找,但无法查找3D实体模型,因为3D实体模型是一连串的数据、程序,举例来说,若使用者要3D打印出一只狗形状的公仔,在Google上查找关键字「狗 3D」,顶多只能查找到照片,但无法查找到狗公仔的3D建模档,原因在于Dog这3个字是藏在建模档中深处的某个程序角落,因此难以被Google寻获。

3D打印创造全新经营型态

因此未来3D打印产业,需要专为其建模档设计的特殊查找引擎,而到了此一地步,软件会从「有价」转变为「无价」,例如以前要使用AutoCAD软件,必须从Autodesk获得授权,但是现在AutoCAD中已有许多WebCAD是免费,由此可见绘图软件公司的经营模式,已从以往的收费授权方式,转变为社群经营,绘图工具成为免费,但当模型绘制完成后需要储存,则需购买储存空间。

由于3D打印的建模档资料量相当庞大,因此也会需要大量的储存空间,而若使用者意欲将图档储存自有空间,则绘图软件公司将强制收取授权费,方可另行储存。

除了绘图软件公司经营型态的改变外,3D打印也会带动更多服务商机,例如前述的3D建模档,现在已有收费网站以图片方式呈现作品,使用者可挑选图片,付费(500美元)取得该图的3D模型档,由此可以看出,3D打印的建模确有其商业价值,而这也代表实体智能化在未来的3D打印领域中,将会占有相当重要的地位。

3D打印在软硬两端都不能轻忽,就像过去的计算机技术刚起步时,微软提供了完整的软件,Intel与其它PC外围厂商则提供了丰富的硬件设备,再加上Google的查找引擎,产业的所有环节都强大无比,未来3D打印产业链也必然形成同等完善的产业生态系统,而以目前态势来看,此一生态系统都仍在发展中,台湾厂商可尽早卡位,藉此获取最大商机。