:::

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。

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
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。

圖2 各產業研究機構對積層製造市場之產值預估
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。

圖3 製造廠商使用積層製造技術方式調查統計
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。

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4 疊層成型製造之元件疊層分離或裂縫缺陷

圖5 積層製造懸空結構外型元件之變形缺陷
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)

* 點閱數4052
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁