引領製造浪潮 3D列印推動產業數位化

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台灣科技大學工程學院院長鄭正元。

3D列印被視為未來製造的主流,生產方式將由傳統的加工方式,轉變為數位建模與積層製造,針對此一趨勢,DIGITIMES特於六福皇宮舉辦「3D列印與智慧製造研討會」,邀請各領域指標性講師,深入剖析3D列印的技術趨勢與市場發展。

3D列印技術顛覆了傳統製造思維,將「製造權」由資本雄厚的企業下放至資源有限的中小、微型企業,甚至是個人手上,其實就技術面來看3D列印並非新技術,早在30年前就已被研發出來。

不過近年來多項專利陸續過期,吸引多家廠商投入,再加上週邊如繪圖、材料等技術均已成熟,讓3D列印一時之間風起雲湧,甚至被視為顛覆現有製造業,成為下一代智能製造的主流,針對此一趨勢,DIGITIMES舉辦了「3D列印與智慧製造研討會」,從各環節的技術角度,深入探討3D列印的發展。

製造數位化  顛覆傳統思維

在開場的「3D列印推動產業數位化」台灣科技大學工程學院院長鄭正元從產業面探討3D列印與產業數位化的發展,他提出幾個概念解釋3D列印為何被稱為第3次工業革命?同時點出在此波浪潮下,未來哪些產業最具發展潛力?

他指出3D列印又稱為積層製造,是透過運算將物品形狀切為數層的虛擬型態,再以各類材料層層堆疊出產品,這與傳統製造的「減法」模式不同,減法製造模式是從固體材料中,逐步去除不要的部分,最後才形成產品,例如一個產品,利用五軸加工機,沿著設計圖中產品外觀的路徑、曲面進行加工,這類作法工具會與製品有一定的互動關係,必須選擇適當的工具,否則不是刀具斷裂就是材料崩落。

與這類傳統的製造方式相較,3D列印則是採數位化方式製造,前面提到,3D列印又稱為積層製造,也就是用數位方式將產品的類比式訊號切為每一小塊,判斷每一小段的訊號為0或1?每一小段組成一個2D面狀,再由每個面層層堆疊出一個3D產品,這種作法不用擔心物品材料與刀具之間的互動關係,因此這種方式會比傳統製程更為簡單,3D列印因為所有的產品數據數位化,因此也讓製造不受地域限制,可將數據傳送至遠端的3D列印設備,生產出品質相同的產品。

不像傳統集中式製造,需要經過模具、特定機具加工參數調整,製造出工件,3D列印則可經由數位與網路,將生產數據分散至各製造點,這類數位製造就是線在業界這幾年在談的「智慧製造」、「工業4.0」的核心概念之一。

再回到3D列印本身,鄭正元指出,列印技術的英文「Printing」亦即印刷術,中古時期印刷術的發明,讓人類知識迅速普及、擴散,進而催生了近代文明,隨著技術的進展,「Printing」的概念也不斷進化,近年來數位技術成熟,「資訊數位化」成為這30年來科技業共同努力的方向。

當年電腦初問世時,2D列印在資訊數位化中,扮演了極其重要的角色,此一技術不但協助了資訊數位化的的傳遞工作,同時也讓資訊具備了複製與分散的特色,讓知識更快速的普及,然而隨著IT技術的進步,2D印表機的作用逐漸被行動裝置、投影機等終端顯示裝置取代,緊接著鄭正元再談到3D列印,他指出「3D列印」既然被冠上「列印」之名,必有其物理意義存在,2D列印是將資訊做分散傳遞,3D列印則是實體數位化後的輸出。

從快速成型到3D列印

3D列印將產品設計數位化,目前製造過程初期,都會先行繪出製品的尺寸、形狀,這階段屬於產品的資訊數位化,而非產品數位化,所謂的產品數位化,應是3D立體模型數位化,兩者的差異在於前者有平面的尺寸形狀,後者則為具有空間感的3D立體形狀,因此要推動產品數位化,必須先具有產品完整建模的技術。

3D列印的基礎始於早期的快速成型技術(Rapid prototyping;RP),也就是現在3D列印或稱積層製造的始祖,不過既然名詞不同,其物理意義也不同,也就代表這是兩種不同的技術,快速成形型的機器性能,要達到一定程度的工業水準,設備與耗材成本考量相對寬鬆,3D印列設備則要求有一定速度、精度可忍受些微誤差,但設備價格必須便宜。

從快速成型到3D列印,其方法、目標都不同,雖然都是逐層堆疊的積層製造方式,只不過快速成型不使用3D列印的投影技術,但快速成型只是3D列印技術的進化過程之一,因此快速成形不等於3D列印,同樣的,3D列印也不全然等於積層製造技術。

在技術方面,目前的3D列印都必須先行建模,不過近來有幾個3D技術則略過此一程序,有廠商以手動進行光固化,另外甚至有廠商推出手持式筆狀設備,在筆內填充材料,以手持方式擠壓出材料,便可拖曳圍繞出一個立體產品,這類產品與現行3D列印設備,最大的差異在於軟體,需要先行建模的3D列印,其產品精細度無疑遠高於這類手動的立體製造設備,這也就凸顯了3D列印產業鏈的價值高低,鄭正元指出,未來此一產業鏈價值最高者並非硬體設備,而是建模軟體。

放眼現在的網路技術之先進,讓絕大多數人的養成了資訊倚賴習慣,有任何資訊需求,搜尋引擎總是第一選擇,但當未來3D列印成熟後,使用者若需尋找列印圖檔,搜尋引擎恐怕會另大家失望。

鄭正元表示,搜尋引擎只能進行資訊搜尋,但無法搜尋3D實體模型,因為3D實體模型是一連串的數據、程式,舉例來說,若使用者要3D列印出一隻狗形狀的公仔,在Google上搜尋關鍵字「狗 3D」,頂多只能搜尋到照片,但無法搜尋到狗公仔的3D建模檔,原因在於Dog這3個字是藏在建模檔中深處的某個程式角落,因此難以被Google尋獲。

3D列印創造全新經營型態

因此未來3D列印產業,需要專為其建模檔設計的特殊搜尋引擎,而到了此一地步,軟體會從「有價」轉變為「無價」,例如以前要使用AutoCAD軟體,必須從Autodesk獲得授權,但是現在AutoCAD中已有許多WebCAD是免費,由此可見繪圖軟體公司的經營模式,已從以往的收費授權方式,轉變為社群經營,繪圖工具成為免費,但當模型繪製完成後需要儲存,則需購買儲存空間。

由於3D列印的建模檔資料量相當龐大,因此也會需要大量的儲存空間,而若使用者意欲將圖檔儲存自有空間,則繪圖軟體公司將強制收取授權費,方可另行儲存。

除了繪圖軟體公司經營型態的改變外,3D列印也會帶動更多服務商機,例如前述的3D建模檔,現在已有收費網站以圖片方式呈現作品,使用者可挑選圖片,付費(500美元)取得該圖的3D模型檔,由此可以看出,3D列印的建模確有其商業價值,而這也代表實體智慧化在未來的3D列印領域中,將會佔有相當重要的地位。

3D列印在軟硬兩端都不能輕忽,就像過去的電腦技術剛起步時,微軟提供了完整的軟體,Intel與其他PC週邊廠商則提供了豐富的硬體設備,再加上Google的搜尋引擎,產業的所有環節都強大無比,未來3D列印產業鏈也必然形成同等完善的產業生態系統,而以目前態勢來看,此一生態系統都仍在發展中,台灣廠商可盡早卡位,藉此獲取最大商機。