3D列印 啟動第三波工業革命

3D列印為積層製造,用不斷堆疊的加法,從機器端一層一層射出打印,打造立體的物件。
Getty Images
第148期
曾允盈
在3D列印的熱潮中,台灣的機會在哪裡?將台灣產業推向高端製造,而非持續的低價競爭,將是未來的期許。可以預見的是,3D列印不會讓大量製造消失,卻可以提供製造業一條新的路徑。

小辭典──3D列印

3D列印(3D printing),又稱積層製造(Additive Manufacturing,AM),是一種以數位模型檔案為基礎,直接製造幾乎任意形狀三維實體的技術。3D列印採用數位技術材料列印機,先透過電腦輔助設計或電腦動畫建模,將建成的三維模型分割成逐層的截面後,列印機透過逐層堆疊累積的方式,用液體狀、粉狀或片狀的金屬或塑料等可黏合材料,將這些截面逐層地列印出來,從而製造出一個實體。

3D列印技術在珠寶、鞋類、建築、汽車、航太工業、設計工程和施工、牙科和醫療產業、地理資訊系統、土木工程、槍枝以及其他領域都有所應用。

 

引領製造業的革命,「3D列印」成為全球的熱門議題。圖為設計師的3D列印作品。數可科技提供

 

現代化的工業社會可以大量製造(Mass Production),例如,IKEA做出一批又一批漂亮的家具,全世界的人只要走進連鎖賣場,就能買到品質相同的產品,把客廳布置得跟地球另一端的瑞典一模一樣。然而,十幾年來,工程師和設計師超乎想像的設計和應用,即將打破傳統製造業的思維!

 

2013年8月,英國阿什莫爾博物館(Ashmolean Museum)展出一把1683年製的史特拉第瓦里小提琴。Getty Images

 

自造者時代來臨
引領製造業革命

 

引領製造業的革命,「3D列印」成為全球的熱門議題。

2012年初,歐巴馬團隊看到「自造者運動」(Maker movement)的潛力,計畫未來四年內將自造空間帶進校園,在學校安裝3D印表機和雷射切割機等數位生產設備,進一步帶起了3D列印的風潮。

全球暢銷書《長尾理論》(The Long Tail)作者克里斯‧安德森(Chris Anderson),2013年出版《自造者時代──啟動人人製造的第三次工業革命》(Makers: The New Industrial Revolution),並辭去《連線》雜誌(Wired)長達11年的總編輯職務,全職擔任他所創的3D Robotics執行長,自言是個「追逐創業夢想的機會」,震撼了全美科技業。

《時代》週刊將3D列印產業視為「美國十大成長最快的工業」。英國《經濟學人》(The Economist)雜誌在14個月內,以二次封面故事的規格,預告它將掀起第三波工業革命,是製造業的大未來。

《經濟學人》2011年2月號的封面故事,以「Print me a Stradivarius」(印給我一個史特拉第瓦里小提琴)為主標,吸引全球目光。17世紀的弦樂器製造師安東尼奧‧史特拉第瓦里(Antonio Stradivari,1644~1737年),被認為是歷史上最偉大的弦樂器(包括小提琴、中提琴、大提琴、吉他及豎琴等)製造師之一,他製作的小提琴如今已成為珍寶。歷史學家估計史特拉第瓦里製作的樂器總數超過1,101件,而其中至少有650件留存至今。德國EOS公司(Electro Optical Systems)依史特拉第瓦里小提琴的規格,3D列印出小提琴零件,再由德國製琴專家組裝而成。精密的樂器零件都可以列印出來,製造的科技無疑可能改變世界。

 

3D列印手槍曾引發道德爭議。Getty Images

 

甚麼是3D列印?
航太、武器、醫療用途將無所不能

 

過去,我們透過印表機,複印一份文件或一張圖片;現在,透過3D列印的數位製造技術,可以快速「複製立體物件」。

簡單來說,3D列印就是用積層製造(additive manufacturing)的方式,從機器端一層一層射出打印,打造立體的物件。

 

3D列印技術能夠打造微小精緻的物件。數可科技提供

 

台灣第一家3D列印公司──數可科技,十幾年前已開始專業運用3D列印在各個領域。協理溫唯丞談道:「以前它叫RP(Rapid Prototyping),是《經濟學人》給它3D printing這個名詞。」

3D列印機,市面上大概分為六種,原理各有不同。記得2013年一則熱門的新聞嗎?一名25歲的美國學生威爾森(Cody Wilson),開發全球首款利用3D列印製造的左輪手槍並試射成功,其中包括16個3D列印製造的零件。這款用最便宜的3D列印機器──熱熔方式製作的手槍,竟然可以躲過機場的安檢搜查,引發關於「列印武器」社會倫理的相關討論。

3D列印的範圍無遠弗屆,根據最新一期《Army Technology》雜誌介紹,美國軍方正在研究利用3D技術列印導彈彈頭、艦艇零件等武器裝備,未來將把技術應用到後勤保障和傷患救治。在台灣,已具體運用3D列印技術的航太製造領域,金屬材料在做有弧度、曲面的器具時,常常需要削切百分之八十、九十的材料,十分浪費。有了3D列印之後,用「加法」取代傳統的「減法」製作,減少很多不必要的浪費。精準的加法製造,是3D列印突出的製造模式,打破了傳統設計與組裝的思維。

 

數可科技用3D列印技術為李安《少年Pi的奇幻漂流》打造的模型。數可科技提供

 

除了工業工具、航太、汽車、建築、武器,醫療用途是3D列印不斷突破的領域。從血管、腎臟、頭蓋骨乃至視網膜,都在科學家的實驗室裡不斷研發。據2014年哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所,發表在學術期刊《Advanced Materials》的研究,3D列印出的人造血管組織,不再只能待在實驗室的溫室,並可用於新藥測試。這是3D列印血管的一大突破。

然而,除了列印人工細胞、組織和縮小的器官外,甚麼時候3D列印才能印出一顆真正有用的器官呢?除了材料,甚至還有法律問題需要解決,部分科學家認為10到15年之內,都將難以突破。

 

小量生產
客製化你我的生活

 

3D列印之所以被視為第三次工業革命,是因為它顛覆第二次工業革命追求的大量化、效率化,逐漸走向個性化、社群化。

3D列印機器,可以創作常規技術無法實現的形狀,想製作甚麼形狀都可以,也就是達到「客製化」的需求。例如,牙醫可以針對病人量身訂製牙冠,運動員可以享受為雙腳訂製的慢跑鞋。

大量製造的時代,設計師生產一樣產品,要先畫設計圖,製模、開模之後,交給工廠大量製作,至少必須花費一、兩個月的時間,所費不貲。現在,只要在電腦上繪出3D圖,透過噴頭將尼龍或塑材列印出來,幾個小時之後,就能完成一件產品。

溫唯丞舉了個有趣的例子:「李安拍《少年Pi的奇幻漂流》時,他的美術團隊有來找我們,電影裡的一些道具就是用數可的3D列印機器做出來的,只是大部分報導的都是造浪機等大的模型,比較少去關注小模型。像海上的那一艘船,上面的鉚釘和鉤子我們都做得非常仔細。當初我們只花了不到一個禮拜的時間就交件了,他們覺得很驚訝。後來我才了解,好萊塢真正用到3D列印的機會實在太少了,幾乎所有的模型都是手工製作,所以模型師的薪水一個月高達十幾萬、二十萬。他們看到這個東西說,如果大量使用,很多人將會失去工作。3D列印真的可以取代某一些量產的東西和手工的東西。」

小量生產得以節省大規模的資源,高科技又低成本,小資本卻能成大事。作為運用3D印表機的「自造者」,可以創意生產屬於自己的東西。與傳統製造不同的是,不需要量產,卻可以打造世界。

 

數可科技印製尼龍的3D列印機台。數可科技提供

 

設計師3D列印作品。數可科技提供

 

台灣製造業的機會?
走向人人製造的時代

 

然而3D列印絕非沒有局限,最大的局限是材料。從金屬材料開發至今約莫只有六、七年的時間,已成為3D列印最大的發展之一。全球前十大金屬3D列印製造商都來自歐洲,其中以德國的EOS最大。而從製造發展的角度來看,3D列印技術能夠解決傳統製造業不能解決的技術難題;但是,傳統製造業擅長的批量化、規模化的生產,同時也是3D列印的短處。

在3D列印的熱潮中,台灣的機會在哪裡?將台灣產業推向高端製造,而非持續的低價競爭,將是未來的期許。可以預見的是,3D列印不會讓大量製造消失,卻可以提供製造業一條新的路徑。

2008年金融海嘯時,丹麥的「樂高積木」(LEGO)在不增加人力、不增加工時、不增加設備的情況下,卻能夠增加產能,他們是怎麼達成的?就是改變模具,用3D列印等數位的新式模具提高產能,同時提升品質,減少不良率。

數可科技曾有一位做車燈導光條的顧客,用傳統模具製作導光條需要600秒,因為必須等到冷卻之後,確定不會變形才可以脫模。採用3D列印技術製作模具,模擬出來只需要220秒,節省了超過一半的時間。於是,該公司決定花200萬,使用3D列印製作模具。沒想到實際製作出來後效果更好,只需要150秒的製作時間,大大減少成本,不僅產能是從前的四倍,甚至連品質都提高了。

運用3D列印等數位生產技術,設計師挑戰過去的設計思維,製造業做出更有效率的模具,醫療業邁向更精密、更個人化,將是未來創新的機會。

溫唯丞談道,美國已有很多產業用3D列印進行工業化生產,台灣目前仍是桌上型器材較多。「不是買了機器就會用,從一開始的設計、畫3D圖、生產到最後處理,一整個生產鏈都需要跟上。3D列印只是一種技術,重要的是怎麼把它發揮到不一樣的、更適合的地方。」

人人都在談3D列印,資本市場更是敏感,2012年以來,3D概念股更是不斷上漲。誠然,真正改變的,除了是3D列印技術,更是思維模式。3D列印是一種不能忽略的革命性工具,將邁向的是「人人製造」的未來時代。

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