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產業技術評析
積層製造產品化技術關鍵
發表日期：2017-04-05
作者：邱琬雯(工研院IEK)
摘要：
積層製造技術即一般所稱之3D列印技術，此技術乃為數位化加法製造方式，將3D設計資料進行2D分層離散化，再將此離散資料分層製造堆疊成3D元件，初期多以原型(Prototype)試製應用為主，隨著多種積層製程方法及新材料之導入，其產品應用愈趨廣泛。
全文：
一、積層製造技術及市場
積層製造(Additive Manufacturing, AM)技術即一般所稱之3D列印技術(3D printing)，此技術乃為數位化加法製造方式，將3D設計資料進行2D分層離散化，再將此離散資料分層製造堆疊成3D元件。於2009年由美國材料試驗協會(ASTM)將此概念方式之製造技術，統一稱之為積層製造技術。初期多以原型(Prototype)試製應用為主，隨著多種積層製程方法及新材料之導入，其產品應用愈趨廣泛。
積層製造之製程流程及製作成本，不受元件複雜度之影響。然而傳統製造方法則隨元件複雜度提高，造成製作成本提高。對於複雜外型、網格形狀、內部孔道等設計，傳統加工製程方法無法一次加工完成，需藉由拆解成多件元件設計，分別進行加工後，再予組裝，製造工時冗長，且結構設計強度、功能均受到影響。隨著積層製造系統及材料之成本降低，積層製造之目標市場將愈形擴大(見圖1)，尤其在複雜元件加工領域，如汽車、航太零組件、複雜內水路之橡塑膠模具方面，更是具有極大之競爭優勢。目前導入積層製造之材料多樣，包含高分子材料、陶瓷、金屬及複合材料等，材料形式可為細線、棒、粉末、片狀等，搭配黏著劑或雷射等不同材料鍵結製程。可隨應用產業之不同需求，予以搭配運用。
資料來源：ExOne
圖1 積層製造與傳統製造方法之成本相較於元件複雜度比較
因預期此製造方法之產業應用潛力，各市場研究機構均給予此製程技術未來市場高成長之預測。年複合成長率(CAGR)均在20%以上，然各家對未來產值之預測仍有頗大之差距，由以下圖表可知，2025年之積層製造市場產值預估由120億美元至4900億美元，差異極大。由此可知，尚有關鍵技術未見明朗之突破，因而對於導入製造市場之成熟度進展，各家看法分歧。
資料來源：ARK Investment Management LLC(2015/7)；Wohlers Associates (2015)；Gartner Press Release (2015/9)；工研院IEK整理(2017/3)
圖2 各產業研究機構對積層製造市場之產值預估
由2014及2015年，連續兩年對美國百多家製造廠商之問卷調查，了解其對於積層製造製程之應用導入狀況。其結果可知最大占比之應用為原型製作(Prototyping only)，其比例由24.6%提升至31.4%。至於不予考慮導入此製程之廠商比重減少，由33.3%降至28.9%，表示廠商之應用意願提高。占比重第三順位者，為進行導入驗證階段，然其比重由28.9%降至17.4%。真正應用於產品生產之比例約為10~15%，雖有提升，但仍未見明顯之成長。
資料來源：PwC analysis of Zpryme Research survey data (2015/10)；工研院IEK整理(2017/3)
圖3 製造廠商使用積層製造技術方式調查統計
二、積層製造技術關鍵議題
積層製造技術依據美國材料試驗學會(ASTM)訂定之標準，共可分為七大類型。分別為光聚合固化技術(Vat Photopolymerization)、材料噴塗成型技術(Material Jetting)、黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting)、材料擠製成型技術(Material Extrusion)、粉床熔融成型技術(Powder Bed Fusion)、疊層製造成型技術(Sheet Lamination)、與直接能量沉積技術(Directed Energy Deposition)。依不同之成形製程技術，有其適用之材料。
其中可用於金屬積層製造之製程技術有四種：
● 粉床熔融成型技術(Powder Bed Fusion)
－ Selective Laser Melting
－ Electron Beam Melting
● 黏著劑噴塗成型技術(Binder Jetting)
－ Infiltration
－ Consolidation
● 疊層製造成型技術(Sheet Lamination)
－ Ultrasonic additive manufacturing
● 直接能量沉積技術(Directed Energy Deposition)
－ Laser or e-beam
－ Wire fed or powder fed
金屬積層製造製程相較其他種材料，困難度更高，因採用金屬材料之產品元件，在強度及結構特性具有其設計要求。而積層製造之金屬熔融成型溫度高，在應力應變方面之控制處理更為重要。非最佳化之製程參數或不穩定之製程參數將會造成元件缺陷產生，如元件疊層分離或裂縫缺陷(圖4)、懸空結構(overhang)外型異常(圖5)等，甚至產生內部之微結構缺陷。這些問題對於應用導入均造成產品壽命及強健性之隱憂。
資料來源：International Material Reviews (2016/3)
圖4 疊層成型製造之元件疊層分離或裂縫缺陷
資料來源：International Material Reviews (2016/3)
圖5 積層製造懸空結構外型元件之變形缺陷
目前金屬積層製造技術之困難點：
- 適用積層製造之材料種類有限，且材料特性及其均勻性未能完全掌握。
- 積層製造製程不具重現性，製程系統特性欠缺一致性(consistent)
- 欠缺品質驗證之方法及資料庫依據
- 目前積層製造僅可達到接近之尺寸規格，須建立配套之後處理製程(heat treatment、surface treatment、support removal、finish machining)，以達成元件規格要求。
- 對於複雜之缺陷及外觀尺寸，須建立非破壞性之檢測方法。
- 缺乏積層製造專用之設計工具及規範。
總結以上幾點，建立材料、製程、製程系統、品質之規範標準，將是目前亟待進行之工作。唯有元件製造商、元件使用廠商共同認可之標準建立，具可驗證性及重現性，積層製造技術才可大幅度導入量產階段。目前美國國家標準與科技研究院(NIST)針對積層製造技術，分為四個技術重點進行研究及標準之建立。分別為：
(1) 積層製造材料特性資料庫(Characteristic of Additive Manufacturing Materials)：製程原材材料特性規範及檢驗規範建立、成形元件材料特性規範及檢驗規範建立。
(2) 積層製造材料、製程、零件之品質規範建立(Qualification of Additive Manufacturing Materials, Processes, & Parts)：建立積層製造之材料、製程、零件品質指標及其定義、標準，以作為產業界遵循之依據。
(3) 積層製造製程之即時監控技術(Real-Time Monitoring and Control of Additive Manufacturing Processes)：定義關鍵製程參數及即時性監測、控制方法，並建立製程參數與品質之關聯性。不同於減法製程，積層製造製成之元件，其每一位置點均由一組製程參數所成型，各位置點之製程參數是否均勻穩定，將影響元件之微結構(microstructure)品質。因此即時監控技術之建立將有其必要性。
(4) 積層製造之系統整合研究(Systems Integration for Additive Manufacturing)：由所建立之相關材料、製程資料庫，進行製程最佳化評估模擬，於積層製程製造流程，再予搭配後處理(熱處理、表面處理…)，始達成產品元件之品質要求。系統性之整合研究，建立積層製造完整解決方案(Total solution)。
三、台灣產業機會
針對積層製造製程技術，製造業及應用端對其量產導入仍存在品質之疑慮。目前官方或非官方單位(如NIST、ASTM)均以建立品質標準及檢驗規範訂為優先要項，推動共通性製程技術標準之建立，將有利於技術應用之擴散。標準規範及技術研究主要分為四個部分：材料特性；材料、製程及產品品質規範；製程即時監控技術研究；積層製造系統整合研究。目前建立的多為材料特性資料庫、品質標準及檢測方法。台灣在加工製造硬體系統方面具有足夠之研發能量，建議可從即時監控及系統整合技術研究著手，整合材料特性資料庫，開發積層製造整合系統，搭配應用產業，建立核心技術能力。
(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)
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