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3D printer manufacturing(3D印表機產業)

指導者/總編輯 張蕙娟   分享者/莊舒庭 
 

3D印表機產業簡介

 

3D列印介紹

所謂3D印表機就是可以「列印」出真實物體的一種設備。之所以稱為「印表機」,是因為其參照了傳統印表機的技術原理——其「列印」過程是分層加工的,與噴墨列印十分相似。根據3D印表機的原理,只要電腦能設計出產品,或是對原來的物體進行360度的掃描,經過圖檔資料格式轉換,運用液態光敏樹脂材料、粉墨材料、固態材料等進行疊層或噴印,再透過雷射光束照射頭、紫外線照射頭、熱能或膠水進行材料固化,印表機就能夠根據圖紙把它製作出來。3D印表機 產品分級

目前看到的3D印表機技術的前身,就是稱為熱溶解積壓成形(Fused Deposition Modeling,FDM)的技術,這是改良過去塑膠射出成型技術,重新以不同的方式,透過不同材料來構造物體。如此一來,科學領域、工廠製造領域、設計端,就能夠打造出想要的模型,以及模具的前導。 3D印表機 產品分級

3D printer技術種類

3D列印加工法可區分為三個類別:「輻射能成形加工法」(Laser Fabrication)、「動能成形加工法」(Nozzle Fabrication)、「複3D列印 技術種類合式成形加工法」(Hybrid Fabrication)。

「輻射能成形加工法」是運用雷射光束或是紫外線照射使材料產生化學或物理變化,達到3D物件外觀成形效果。此種加工方法的代表性技術包含:

光固化成型(Stereolithography Apparatus)是以光敏樹脂聚合物為原料,利用雷射光束照射一薄層液態光敏樹脂材料,讓被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應後固化,當一層固化後,工作台將往上或往下移,在固化光敏樹脂表面形成新的液態樹脂,接著再進型新一層的掃描與固化。整體而言,SLA技術的優點主要在於成形速度較快,且採用高功率光線進行掃描照射使得3D物件精密度較高,但缺點則是3D物件需要設計支撐結構體、需要後續處理(硬化)步驟,同時液態光敏樹脂料桶需裝滿而導致材料成本較高。

圖一SLA技術圖
圖一SLA技術圖

選擇性雷射燒結成形(Selective Laser Sintering)是以熱塑性塑膠、金屬粉末或陶瓷粉末等為原料,技術原理為使用滾輪鋪上一層粉末,粉末材料經高功率光線照射先呈現熔化狀態再呈現凝固狀態,再向上(下)移動工作平台,滾輪再次鋪上一層新的粉末材料,此時再重複鋪平與硬化製程,完成新一層的燒結(燒結是把粉狀物料轉變為緻密體的製程技術)。整體而言,SLS技術的優點主要在於粉末材料種類多樣,包括ABS、PVC、Nylon、塑膠… 等,3D物件精密度佳、3D物件可為金屬材質、可用於製作快速金屬模具,然而,缺點則是滾輪鋪粉易形成粉末不均現象造成3D物件外觀品質不穩定,粉末材料易形成粉塵飛揚,人體吸入將造成傷害。另外,值得一提的是,SLS的技術專利將在明年(2014)到期

圖二SLS技術圖
圖二SLS技術圖

分層疊壓製造(Laminated Object Manufacturing)是以紙、金屬箔、塑膠薄膜等作為材料。右端滾筒負責供給黏附有熱溶性膠體的已固化薄片材料,左端為餘料去除滾筒,負責收集切割後的薄片餘料。當左右兩滾筒捲動至正確位置時,另有一加熱滾筒滾過薄片材料表面,使得薄片材料表面的熱溶性膠體溶化並與前一層薄片材料黏結,並利用雷射光束切割所需要的物件剖面輪廓,並將輪廓以外的薄片材料切割成棋盤狀,以便餘料去除滾筒收集薄片餘料,此時再次重複切割與黏著製程,使得新一層材料與前一層材料能夠緊密黏結,如此一層一層進行直到物件成形加工完成,最後將切割成棋盤狀的餘料全部剝離後即可得到3D物件外觀。整體而言,LOM技術的優點主要在於製作成本低廉,並且薄片材料的種類多樣性包括:紙質材料、塑膠、金屬薄片、布料…等,然而缺點則是3D物件精密度較差,3D物件幾何形狀限制較多、3D物件餘料剝離處理工作較困難。

圖三LOM技術圖
圖三LOM技術圖

「動能成形加工法」是利用噴墨式或是擠壓式噴印,將黏著劑與材料由噴印頭微量噴出,進行層層堆疊加工程序,而達到3D物件外觀成型的效果。此種加工法的代表性技術包含:

目前運用熔融沉積(Fused Deposition Modeling)列印技術的3D印表機大都使用ABS作為列印材料(亦有使用PLA材料),熱塑性材料在噴印頭內部加熱熔化成半液狀態,再由噴印頭擠出,製作製程如同擠牙膏一般,而熱塑性材料擠出後會自動冷卻而硬化,此時再重複噴擠與硬化製程,如此層層堆疊直到型塑完成3D物件外觀。整體而言,FDM技術的優點主要在於製作成本較低、使用與維護較簡單、能使用ABS塑膠材料、熱塑性材料更換容易,然而缺點則是3D物件精密度受限制、3D物件表面光滑度較差、3D物件後處理時間較長。

圖四FDM技術圖
圖四FDM技術圖

三維粉末黏結(Three Dimensional Printing)技術是由美國麻省理工學院所開發,使用的材料為粉末(例如:陶瓷、金屬、塑料粉末),該列印技術的原理是,先鋪上一層粉末,接著使用噴嘴將專屬膠水噴灑在需要成型的區域,以便讓材料粉末與膠水黏結,形成一層層平面截面,反覆上述動作(鋪粉與噴膠),層層堆疊,最後列印出實體模型。該列印技術除了擁有快速列印的優點之外,亦能以全彩的形式呈現,以及無需支撐結構,優於其他3D列印技術。

圖五 3DP技術圖
圖五 3DP技術圖

「複合式成形加工法」是同時使用輻射能成形加工法與動能成形加工法,進而達到3D物件外觀成形效果。此種加工方法的代表性技術為:

聚合體噴射(Polyjet)此技術為以色列Objet公司的專利(現為美國Stratasys併購)同時採用兩種不同液態光敏樹脂材料,其一作為建構3D物件之主體材料,另一則作為支撐結構體材料,進行加工成形反應時,先利用噴頭將兩種不同液態光敏樹脂材料噴入成形區形成薄層,再使用紫外線進行照射使薄層硬化,使得新一層材料與前一層材料能夠緊密黏結硬化直到型塑完成3D物件外觀。其主要優點為建構時間快、物件精密度佳、表面光滑,優點包含噴塗頭成本高以及需設計支撐結構體。

圖六Polyjet技術圖
圖六Polyjet技術圖

3D列印產業發展概況

3D印表機產品分級

3D列印技術問世後,主要朝兩大方向發展,一是以個人為目標市場,針對業餘愛好者或初創業者,提供價格約數千美元的3D印表機,讓他們快速製作模型及各種客製化產品。另一則是以提供產業界精密的機器為發展方向,讓產業界可以使用這些機器製作特殊的零組件。產業用3D印表機,價格高昂,從數萬美元起跳。其中某些結合雷射的高階3D印表機,可以製作出高品質的金屬產品,這類的設備價格可能高達百萬美元。

不同應用領域所使用的3D列印設備,可區分為「生產製造用、專業領域用、工作室用」三個等級。目前個人用3D列印機數量遠遠超過生產製造與專業用機型。在5,000美元以下的個人工作室或玩家的使用機型,以初階模型製作為主要的應用範疇,隨著此類機型的銷售量快速成長,未來配合此市場規模的適用材料、低價3D掃描器,以及建模、編修、列印等3D數據庫的列印服務,將是未來值得重點觀察的商機。

個人用小型3D列印機

這類3D列印設備使用的都是FDM(Fused Deposition Modeling),一種膠條熱熔式成型技術,這種技術幾乎是唯一不使用雷射來熔合原料的,而是用像熱熔膠槍頭的裝置來熔化膠條再移動舖料,所以材料和設備都很便宜,最具有平價化潛力。當材料熔化的時間以及塗佈冷卻的速度可以被掌控,且STL檔案格式、噴頭移動路徑等軟硬體整合問題被克服後,平價FDM就幾乎誕生了,就像當年的噴墨印表機大量普及一樣,也因為這個門檻被突破之後,似乎很多人都有能力去組裝這樣的產品,且都使用膠條為材料,不是什麼特殊配方材料,可以看出這樣的硬體成本並不高,而且不用支撐材,軟體控制技術可以克服的話,1000多美金都還算相當有利潤,甚至有些是上如Kickstarter集資平台來販售。而從MarkerBot使用低價外殼到下圖這些連外殼都省了的FDM列印機,可以看出極盡所能的降低成本。下圖為個人用機型(單價5,000美元以下)近幾年的銷售量。

圖七個人用列印機銷售量
圖七個人用列印機銷售量

 3D列印應用範圍

根據資策會MIC的調查資料顯示,目前全球3D列印的應用領域,主要分佈在消費性產品(29%)、汽車(19%)、醫療(13%)、教育(10%)、太空(8%)及工業機械(7%)等領域。除了最大宗消費性產品外,目前3D列印技術的應用範圍,已經擴大到包括頭蓋骨、髖關節、牙齒等醫材、建築、珠寶、工業設計、教育產品、土木工程、槍枝與航太零組件等等範疇。隨著其進一步走向成熟,目前3D印表機已開始被用於直接生產成型的產品,這種新的生產方式對每件產品進行單獨加工,而不是每一道工序使用一套模具,因而對產品的小修改不會增加額外成本。經濟學人文章甚至預測,在不久的將來,從鞋、眼鏡到廚房用具等各種產品上,這種大規模定制化(mass customization)最終將超越傳統的規模化生產方式(massproduction)(即注塑模型的生產方式)。未來,製造業將徹底擺脫集中式管理模式,人們將不再需要工廠,生產線和裝配線也會隨之消失。

全球市場分析

以市場規模來看,2012年全球3D列印產業的產值達22億美元,較2011年的17.5億美元成長31%。預估到2017年3D列印產業產值可達65億美元,成長幅度很大。

 

圖八3D列印市場規模與成長率
圖八3D列印市場規模與成長率

依據美國3D列印產業研究機構Wohlers Associates今年初發表的3D列印產業報告,去年(2012年)全球3D列印設備和服務整體市場為22億美元,其中,美國約占60%,德國、日本、中國等約各占10%。在3D列印技術工業化方面,美國仍居於領先地位,1980年代就有製造商以3D列印製造產品原型,最近幾年更有一些廠商利用這項技術生產手術刀、飛機零件及汽車零件等。中國雖然也利用3D列印製造產品原型及為消費者生產特殊商品,但在生產終端產品方面仍嚴重落後。另外,目前中國使用中的3D印表機約有1.7萬台,其中絕大多數是家用;美國則有4.7萬台,且接近一半是工業用。

目前3D列印市場的兩大龍頭業者皆來自美國,分別為在併購以色列Objet後,擁有過半市占率的Stratasys,以及併購Z corp的3DSystems。除此之外,值得注意的還有中國品牌,Beijing Tiertime,擁有4%的市占率(圖九)。

圖九3D主要業者市占率
圖九3D主要業者市占率

3D列印軟體及應用服務發展現況

目前3D物件編輯入門軟體已經有免費提供的發展趨勢,未來網路可能會充斥許多免費的入門軟體,提供低階機型的玩家免費下載使用,應用範疇將以消費性商品為主,而緊跟著免費使用、快速大量生產之後的商機,就是3D列印服務,目前國內已經有15至20家的業者投入。

3D物件編輯軟體

我們如果要把東西用3D的方式列印出來,除去設備與材料方面的技術,最主要的就是你得在電腦上,利用3D軟體與電腦輔助設計軟體,打造出3D模型,並且透過特殊的格式(不同的3D印表機可能有不同的支援格式,也有開放標準和私有標準陣營),產生能夠讓機器逐層列印的截面資訊,才能讓3D印表機,把可用的材料,一層一層地列印、疊壓、黏合出來。目前所提供的軟體可分為高階與入門兩類,高階軟體多用於專業領域且需付費,入門軟體主要提供工作室或玩家使用,不僅操作容易且大都免費。例如Google Sketchup就有提供滿足各類使用者不同需求的SketchupMake(適用於業餘玩家、幼稚園和中小學教育)和Sketchup Pro(用於建築設計、城市規劃、高等教育等等),還有3D模型庫,方便使用者尋找3D範例模型或上傳個人作品。

3D列印服務

圖十Shapeways 2011年營運績效
圖十Shapeways 2011年營運績效

隨著3D列印機的發展,3D列印服務近年也隨之迅速發展,如美國有名的Shapeways以低廉的粉末式成型價格,成功地推出設計師通路平台與3D列印服務,在兩年之間創造成功的商業模式,並且開發各種顏色和金屬材料,同時幫設計師包辦製造、包裝、運送一條龍的服務,一時之間令有能力建模的人趨之若騖,短時間大量蒐集了產品檔案,但裡面也不乏許多看起來炫酷卻用途不明的產品,畢竟不是所有人都是設計師,不過這仍使得Shapeways目前仍是3D列印服務的龍頭,上圖是他們在2011年列出的績效成長,目前也有越來越多的其他平台在倣效其模式,透過建置少量工業用機種的產能來試水溫,但是目前粉末或金屬翻模出的產品還不完全可以達到可販售的程度,僅限於飾品或文創類產品。

未來展望

發展趨勢

展望未來2至3年內的3D列印發展趨勢,隨著3D列印低階機型的低價化趨勢,預期廠商將紛紛迎合個人工作室及玩家需求,推出金屬、陶瓷、樹脂、塑膠、尼龍、ABS、鑄造用臘等複合造型材料,在免費軟體充斥、網路服務愈來愈便利等條件的推波助瀾下,3D列印風潮仍將會持續延燒。另外,由於低價3D列印機型,擁有少量多樣、快速生產的特性,未來將與主流量產技術產生區隔化,除客製化消費性商品的獨特性外,個人的創意構想可以先透過低階機型列印生產,不但可縮短產品開發週期,更可以作為大量生產業的市場先探性商品,預期未來3D創意工廠的創業風潮,將可能創造新興的市場規模。

目前商用機型的技術、生產效率以及成本問題都還未解決,3D列印仍無法代替傳統大量加工生產的製造業。在發展前期,最適合的產品還是高毛利、高附加價值的產品,航太、高科技與醫療產業將是最優先受惠於3D列印技術的產業 ; 至於其他領域,需要技術、資金、行銷與供應鏈等的配合,才會有突破性的發展。

 主要應用服務

3D物件編輯軟體將呈現M型化發展,區分為支援專業生產製造、適用醫療、軍事、航空、工程及教育等領域的高階應用軟體,以及低階機型的入門軟體。3D列印服務則會持續發展一條龍式的服務。

其他產業

列印材料業、前後段設備產業、設計業、行銷與銷售通路體系,這幾年將會帶來全球產業的緩慢革命。

3D列印後續發展方向

在商用機型的部分,應著重於提高加工精度與速度、提高材料多樣性並降低成本,尤其是金屬種類,並發展可同時列印不同材料、形狀複雜、大尺寸之機台。個人用機型則建議降低機台及耗材成本、研發塑料以外的材料、開發個人玩家所需的低價附屬設備,如3D掃描器、開發3D列印服務。

 

參考資料
  1. http://news.chinatimes.com/
  2. http://www.ithome.com.tw/
  3. http://big5.cri.cn/
  4. http://www.bnext.com.tw/
  5. http://www.appledaily.com.tw/
  6. http://technews.tw/
  7. http://ironism.pixnet.net/
  8. http://t-rm.blogspot.tw/
  9. http://udn.com/

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