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3D列印迎接光製造世代
聚焦材料與關鍵應用

【作者: 陳念舜】   2017年02月21日 星期二

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回顧2009年金融海嘯過後,全球製造業先後面臨各國貨幣寬鬆政策,導致上游原物料價格不斷下跌,供過於求;下游則是資訊消費性產品生命週期加劇縮短,亟須大批量客製化。但過去扮演世界工廠角色的中國大陸,卻正致力於轉型世界市場,調整經濟結構,以及日、韓、台灣等地,也有少子化、老齡化問題,促成亞洲製造業缺工及工資上漲問題。


反觀德、美先進工業國家,則在此時推動製造業革命再造,從以往全球化代工,集中式大量生產的封閉式供應鏈,改為彈性開放產業鏈,以貼近市場使用者需求,加速開發客製化產品。其中,由美國大力推動的3D列印(積層製造)加法製造技術,則號稱足以突破傳統製造上的限制,可實現少量多樣、客製化的未來生產需求。雖然目前個人消費性產品成長趨緩,所幸過去高度仰賴傳統減法製造的金屬加工產業,也開始投入研發該領域的雷射積層製造(Additive Manufacturing, AM)應用。


看好金屬積層製造 工研院可移轉技術

根據Wohlers最新統計,2015年全球3D列印市場達51.6億美元,雖仍較2014年成長26%,成長幅度維持兩位數,但已經低於前年36%有一段距離。若仍持續下降,估計2020年要達到200億產值的機會不大,依IEK分析該年產值約可超過110億美元。至於兩大龍頭3D Systems、Stratasys業績平平,不再有高幅度的成長,在獲利方面也大不如前,甚至出現虧損赤字。



圖一 : 工具機大廠東台精機應國研院之邀,成為「國研醫材創價聯盟」一員,提供1部金屬積層列印設備,以加速積層設備與金屬植入式醫材研究及推廣。(圖片來源:pgw.udn.com.tw)
圖一 : 工具機大廠東台精機應國研院之邀,成為「國研醫材創價聯盟」一員,提供1部金屬積層列印設備,以加速積層設備與金屬植入式醫材研究及推廣。(圖片來源:pgw.udn.com.tw)

惟如EOS、SLM solution、Concept Laser、Arcam等雷射積層製造設備廠商到了2015年營收,仍保持平均超過40%以上的高度成長。其大致上均採用粉體熔化成型技術(PBF ,Bed Fusion)為基礎發展相關設備,源自於早期選擇性雷射燒結(SLS,Selective Laser Sintering);而Arcam是現今全世界唯一採用電子束熔融(EBM, Electron Beam Melting)積層的業者。


工研院產經中心(IEK)機械與製造系統研究部資深研究員葉錦清進一步指出,如依Strategies Unlimited最新統計,2015年全球雷射產值已正式突破100億美元,相較於2014年成長6.2%;預計2016年產值將持續成長,到了2017年將達到121億美元,2012~2017年複合成長率(CAGR)約6.8%。其主要應用於:感測與儀器(含自駕車光達)、照明、顯示、通訊、資料儲存、醫學美容、軍事與科學、半導體(準分子微影)、材料加工(含3D列印)等領域。


尤其是在工業用的材料加工及準分子微影市場占比約41%,已經超越了通訊與儲存(34%),成為第二大應用領域。新興國家如中國大陸等地對雷射加工設備需求旺盛,其應用則約可依雷射源功率,概分為:粗加工(macro machining>1kW)、微加工(micro machining<1kW)、雷射標籤(打標),用於接合、分開、成型3大材料加工市場。


台灣雷射加工相關廠商在下游的帶動之下,已在雷射產業漸漸取得一些成果。依IEK統計2015年台灣雷射產業產值約台幣90億元,並將逐年成長。但大部分公司幾乎都是把雷射相關產品成為多角化的一部分,廠商以自動化的背景切入居多,也有從下游應用往設備整合的廠商,卻尚未有100%專業經營雷射生產設備的公司。


因看好雷射加工的高智能、高效能、高度複合化等特性,可滿足製程精微細準、大量客製、高效能的需求,應用到政府大力推動的5大創新產業中的智慧機械、航太、綠能及生技等領域,是提高產業競爭力的重要利器。扮演台灣積層主要推手工研院南分院的雷射中心,也於日前舉辦「迎接光製造時代─智能雷射、積層製造成果發表暨研討會」。


會中邀請專家分享智能雷射與積層製造醫材應用技術新知,並展示光纖雷射源、雷射加工、雷射強化玻璃切割、高密度電漿模組技術,以及積層製造(PBF/DED/FDM)技術等多項科技研發成果,於105年度可移轉研發成果中的雷射金屬積層製造技術,則包含直接沉積熔覆加工頭模組、軟性材料列印模組等。


聚焦關鍵應用 航太、生醫蓄勢待發

此外,在諸多金屬積層製造的產業應用領域裡,又以航太、汽車、生醫成長趨勢較為明顯。主因除了有別於傳統汽車模具製造,都是先用刀具削切出想要的形狀,再經設計水路快速冷卻,成型大量產品。但在切削過程中,卻常在設計異型、複雜冷卻水路與結構時受限,難以掌握冷卻時間與品質,導致生產流程延誤。讓許多業者開始從「減法」製造,轉而思考「加法」或「加減複合」的加工技術。


針對航太業應用,還能藉此製作更輕量化的零件,讓飛行器減重,使燃料消耗與排碳量變得更少;且高品質零件對飛行器安全至關重要,以目前積層製造航太工件,加上必要後處理過的品質、精細度已不輸CNC加工機切削及模具成型生產模式,降低須耗時委外分工製造、大量庫存零組件,乃成為最大優勢。



圖二 : (Source: 3D Printer Hub)
圖二 : (Source: 3D Printer Hub)

此外,於3D列印產業不可忽略的潛力項目,還有在醫療器材上的應用。根據SmartTech Markets預測,生醫應用市場規模至2020年將達到42.87億美元,2015~2020年複合成長率預期高達34.5%,邁向全球高齡化與注重運動健康的人口結構,未來高端醫療器材勢必朝向「客製化」及「精緻化」的方向發展。台灣醫療器材產業歷經多年發展,已成為我國生技產業中發展最快速的領域,3D列印也被視為關鍵技術之一。未來若能順利突破如FDA認證等各國不同的食品、藥物衛生管理法規的挑戰,市場潛力將不可限量。


國研院助產醫整合 加速驗證應用

然而台灣醫療技術雖然相對先進,其醫材設備仍缺乏在地化生產端,因此今年國家實驗研究院儀器科技研究中心主導推動的「台灣生技醫療器材挺進國際市場計畫」,即試圖透過策略合作,整合上中游產業及下游醫院,要將台灣自行開發的金屬積層製造設備、粉末等生技醫療器材產業周邊廠商整合,建構完整供應鏈,並以「打群戰」方式進軍國際市場,共創醫材產業的新榮景,此一計畫集結了國研院、東台、中鋼及鑫科材料、鐿鈦科技等產醫界80餘單位,將共同推動台灣生技醫療器材產業發展,加速台灣應用基礎的實驗,全力挺進國際市場。



圖三 :  (Source: 3dprintinggeeks)
圖三 : (Source: 3dprintinggeeks)

目前鑫科材料科技公司已成功開發出生醫級金屬粉末,再經國研院和麥德凱生科TFDA-GLP認證實驗室醫療器材生物相容性測試,成為台灣首家通過臨床前動物試驗生醫等級的3D金屬列印粉末供應商,此外工具機大廠東台精機也是「國研醫材創價聯盟」一員,提供1部金屬積層列印設備,以共同進行產品列印、法規及臨床檢測驗證合作,加速積層設備與金屬植入式醫材研究及推廣,聯合骨科設計出的骨板、膝關節,也在產、學、研、醫界共同合作之下,成功列印出3D醫材產品,並通過嚴峻的ISO-10993生物相容性國際法規驗證,獲英國Renishaw、美國3D Systems、及德國EOS等國際大廠青睞,取得進入國際市場門票,期望未來能協助國家醫材3D列印產業發展。


東台集團董事會嚴瑞雄表示,加工設備產業是一個跟著台灣各產業發展、默默擔任幕後推手的產業,東台也是以此理念踏實經營,以能提供各行各業最佳的金屬加工解決方案為榮。目前主要客戶包括汽機車、航太與模具業等,在近年來成功研發出金屬粉床式積層製造設備後,也開始有機會接觸過去相對陌生的生醫產業,瞭解國外法規通過速度比台灣更快的優勢。為造福本地病患,應結合台灣產業鏈及法規訂定,來完成生醫界使用AM零件的系統性架構。


該公司已與國研院儀科中心合作,結合雙方能量,加速應用基礎的實驗進展,另為服務北部生醫科技應用,東台也將著手成立聯合實驗室,以滿足北部市場需求,加速產業結合。期待藉由該公司設備自主研發製造能量及設備量產技術,促成生醫設備在地化、國產化及客製化;再搭配國研醫材創價聯盟,引進學研技術並提供醫療臨床需求,可望擴大台灣整體生醫供應鏈的研發與製造能量,共同讓醫材產業在台灣扎根,再逐步蔓生國際。


**刊頭圖片來源:thekidshouldseethis.com


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