专注少量多样生产 3D打印雷声大雨点不小
- DIGITIMES企划
-
问世至今已接近30年的3D打印，这两年因专利权到期，技术被释放出来，再加上现在IT技术进步的推波助澜，已成为全球注目焦点。与传统制造方式相较，3D打印弹性高、生产速度快、成本低，因此声势相当惊人，已被视为改变未来制造业的技术。
美国总统欧巴马2013年的国情咨文中，就宣布在接下来的10年中，将斥资10亿美元赞助15个全国制造创新网络(National Network for Manufacturing Innovation；NNMI)机构，后来还加码将赞助机构数提升到45个；《经济学人》更将之视为第3次工业革命的主要动力。
虽然目前市场仍有不同意见，富士康董事长郭台铭就曾指出，3D打印只是噱头，不过就整体发展来看，3D打印无论技术或应用都越来越可观。但多数市场人士均认为，在少样多量的制造领域中，传统制造技术仍无法被取代，但在少量多样的市场，3D打印将带来重大冲击，两者其实可被视为各自的缺点补充与优势延伸，而非相互竞争的对手。
微分与积分的技术
3D打印其实是积层制造技术的俗称，积层制造(Additive Manufacturing；AM)技术依据3D CAD设计数据，采用离散材料如液体、粉末、丝、片、板、块等材质，逐层累加原理制造实体零件的技术，积层制造是一种自下而上材料累加的制造技术，自20世纪80年代开始发展，期间也被称为材料累加制造(Material Increase Manufacturing)、快速原型(Rapid Prototyping)、分层制造(Layered Manufacturing)、实体自由制造(Solid Free-form Fabrication)等，从不同层面的各异名称叫法，也可看出此一制造技术的特点。
美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对积层制造与3D打印给予明确定义，在ASTM的定义中，积层制造是依据3D CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减材制造，它通常是逐层累加过程，但从更广义的原理来看，以设计数据为基础，将材料自动累加起来成为实体结构的制造方式，都可视为积层制造技术。
积层制造的工作原理可分为两个过程，一是数据处理过程，利用3D电脑辅助设计(CAD)数据，将3D CAD图形分切成薄层，完成将3D数据分解为2D数据的过程。二是制造过程，依据分层的2D数据，采用所选定的制造方法，将厚度相同的薄片按序重叠起来，就组成3D实体。
从原理来看，数据从3D到2D是一个「微分」的过程，依据2D数据制作2D薄层，重叠成3D物件则是「积分」的过程。简单来说，3D打印的过程，是先将3D复杂结构降为2D结构，然后再由2D结构累加为3D结构，此一制造构想相对于传统的制造方法是一种变革，然而这并近年首创，只是近30年来数码化技术的快速成熟下，被设计为一自动化设备。
3D打印的优势与局限
相对于传统制造，3D打印有3个具体优势，包括复杂结构的快速制造、定制化、高附加价值产品。
首先是复杂结构的快速制造。与传统加工和模具成型等制造技术相比，3D打印技术将3D实体加工变为大量的2D平面加工，大幅降低了制造的复杂度，就原理而言，只要在电脑上设计出结构模型，都可应用该技术在无须刀具、模具级复杂制程条件下，将设计快速化为现实，制造过程几乎与零件的结构复杂性无关，可实现「自由制造」概念，这是传统加工所无法比拟。
利用积层制造技术可制造出传统方法难以加工(如自由曲面叶片、复杂内流道)、甚至是无法加工(如内部镂空)的复杂结构，在航空、汽车、模具、生物医疗等领域，都具有广阔的应用前景。
其次是适合定制化订制。传统大规模、大量制造，需要大量制程技术准备、复杂而昂贵的的装置和刀具等制造资源，在生产前就要耗费大量资源准备，3D打印在快速生产和灵活性方面极具优势，适合珠宝、人体器官、文化创意等定制化、小量化生产，同时也可应用于产品定型前的验证性制造，可大幅降低定制化、订制生产和创新设计的加工成本。
最后是适合高附加价值产品制造。3D打印技术的诞生只有20几年，相对于传统制造技术，其发展历史较短，，成熟度也较低，现有的多数积层制造技术加工速度偏慢、零件加工尺寸受限(最大约为2米)、材料种类有限，因此其主要应用于单件成型、小量和正常尺寸制造，在大规模生产、大尺寸和纳米制造等方面不具优势，因此3D打印积极往航太、生物医学与珠宝等高附加价值产品展，另外在大规模生产前的研发、设计验证等方面，则早已多有应用。
看完优势，再来看劣势，3D打印是以3D CAD模型为加工数据的数码化制造技术，观察各国的研究和应用情况，可以看出积层制造较传统机器加工、铸、锻、焊以及模具制程的技术成熟度低，离大规模制造尚有一定差距。
目前3D打印的应用主要局限，在于材料适用范围较少、制件精度较低、后处理比较繁琐等问题，不过这都不是此一技术无法取代传统制造的原因。3D打印的优势在于单件生产，并以此延伸出定制化特色，然而单件生产无法拥有平均生产单位成本的优势，也就是说不管是做1件或做1万件，3D打印的成本都是一样，不会因为数量大而降低成本。
传统制造技术则不然，当产品只有1件时，其成本会最高，但是当生产数量越趋庞大，各产品所摊分的固定成本如模具、机台等，也会逐步降低。因此「3D打印将取代传统制造」的说法并不正确，3D打印是传统制造技术的发展与补充，在部分领域如上述的航太、医疗等领域，它虽会加强本身技术，例如大陆以可利用雷射3D打印技术制造长达2米的钛合金金属零件，但在少样多量的生产领域中，传统制造技术仍无法被取代。
改变正在开始
至于在少量多样领域，3D打印就可充分发挥，只要想像的出来，几乎都可被打印出来。美国麻省理工学院(MIT)就开设了一门「如何制造任何东西」的课程，此一课程建立了拥有3D打印装置和雷射切割机等装备的实验室，让学生可以随意设计和制造产品，而相关创意也已逐步落实其他领域，如美国航太总署(NASA)就正研究利用积层制造技术，制造出更方便廉价的火箭关键套件，据NASA预测，打印出的零件最快在2017年就可以上太空。
除了火箭外，长期在太空执行任务的大型太空站，一旦关键零件损坏，等待地面运送备件的时间过长，可能会影响运作，3D打印就是其最佳解决方案。目前NASA已经开始研发建造可用于下一代太空站的3D打印制造设备，并于地面与模拟太空环境下，完成零件制造。
在生物医疗方面，3D打印也已有建树，由比利时与荷兰所组成的团队，已成功为一位83岁的荷兰老妇人安装一块由3D打印制造出来的金属下颚骨，此一器官包含了多个人工关节，上面还有让肌肉附着的空腔与引导神经和血管生长的凹槽，这种作法的优势，是植入物完全符合病人的身体构造与状况，缩短手术焊住时间，同时也降低了医疗成本。
放眼未来，相关的作法将越来越多，3D打印或许不会取代传统制造技术，不过对人类生活的改变，已经逐步开始。
