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產業技術評析

超高速3D列印技術對於產業衝擊分析
發表日期:2015-12-23
作者:葉錦清 (工研院IEK)
摘要:
3D列印一直有一個很大的挑戰,就是列印速度太慢,以致於到了現在市場滲透率還是很有限。但是3D列印這幾年來受到各國政府高度關注,因此也引發...

全文:
一、比傳統快100倍的3D列印技術

 

3D列印一直有一個很大的挑戰,就是列印速度太慢,以致於到了現在市場滲透率還是很有限。但是3D列印這幾年來受到各國政府高度關注,因此也引發了各國的產官學研投入研發與生產。列印速度這個問題在最近有大步的前進,尤其是光固化技術。在今(2015)年的3月16日,根據北卡羅萊大學教堂山分校的網站上公開報導,該校化學系教授 Joseph M. DeSimone,與其他同事合作開發出一種全新的 3D 列印技術,稱為”連續液面生產” ( CLIP ; Continuous Liquid Interface Production )技術,這項技術不僅登上了科學雜誌(Science Magazine)的封面,而且也在美國知名的節目(TED)上大膽的秀出製程。CLIP製造產品的速度比傳統 3D 列印方法快 25-100 倍,理論上有提高到 1,000 倍的潛力,並且能夠製造出目前無法實現的形狀。

 

 

二、CLIP以數位光源處理技術為基礎

 

 

在3D列印七項製程中,有一項製程稱為光固化 ( VP ; Vat Photopolymerization )技術或稱立體微影設備(SLA ; Stereo Lithography Apparatus ) 技術,這項技術是3D列印最早使用的技術,由3D Systems公司的創辦人之一,Charles Hull博士,在1984年所發明的,並以此申請了專利,在1986年成立了3D Systems。早期是以雷射做為固化的光源,現在也有廠商使用LED為光源,加上德州儀器的數位微鏡面裝置( DMD ; Digital Micromirror Device),也就是所謂的數位光源處理技術( DLP; Digital Light Processing)。CLIP這項技術是以數位光源處理技術為基礎的光固化技術。以底部的投射光束照射裝在半透明缸裡的光固化樹脂使其固化,再由建構平台把這些固化的部分慢慢地拉出裝有樹脂的半透明槽。傳統的VP製程每製造一層都需要再剝除固化樹脂和半成品列印面間的連接點,剝除所需的時間較長而且容易使製程失敗。使用CLIP的話,其半透明的槽底能夠將氧氣送進樹脂中,形成一個樹脂不會固化的鈍化區域(Dead Zone),並能以加進的氧氣量來調整區域範圍,如圖1所示。

 

 

 

 

圖1  CLIP原理示意圖
資料來源:Carbon3D (2015/03) ; IEK ITIS計畫整理(2015/08)
圖1  CLIP原理示意圖

 

三、表面粗糙度、列印速度等,完勝傳統3D列印

 

 

使用CLIP技術所列印出的產品具備了許多的優點,例如表面粗糙度優化、列印速度超快、機械強度的一致性等。

 

 

(一)表面粗糙度優化

傳統 3D 列印需要把 3D 模型切成很多層,類似於千層派的觀念,這個原理就決定了粗糙度的大小。而連續液面生產模式在底部投影的光圖像可以做到連續變化,因此其列印後的表面粗糙度,與現有的3D列印技術相比,進步很多。以電子顯微鏡放大130倍的情況下,還看不出每一層堆疊起來所產生的條紋。
 
(二)列印速度快25~100倍


這項新技術最驚人的地方在於它提高3D列印製程的速度,Carbon 3D宣稱他們的新技術速度與傳統製程比起來至少快了25至100倍,如圖2所示。這項測試的資料是由第三方根據市面上其他製程的設備,針對同樣的產品完成列印的時間比較。以最接近的設備(Polyjet),完成時間是3小時(180分鐘),而CLIP的完成時間為6.5分鐘,兩者相較之下,相差28倍。如果與SLA的11.5小時(690分鐘)相比的話,相差106倍。不論是用在產品原型的製造或者是在公仔的生產的話,都大幅的縮減時間。而時間就是金錢,也等於大幅的是降低成本。

 

 

圖2  CLIP列印速度與傳統3D列印機比較
資料來源:3dprint.com(2015/03); IEK ITIS計畫整理(2015/08)

 

註:SLS(Selective Laser Sintering)選擇性雷射燒結
圖2 CLIP列印速度與傳統3D列印機比較

 

四、獲Autodesk與Google 1億美元投資並與福特汽車合作

 

 

全球 3D 設計、工程及娛樂軟體領導廠商歐特克公司(Autodesk, Inc.)在2015年4月9日宣布,將自Spark Investment Fund提撥1,000萬美元投資Carbon3D。歐特克總裁暨執行長Carl Bass表示:「我們成立Spark Investment Fund來推動3D列印產業的進展,而Carbon3D具備的創新能力正是改變現有產品製造方式所需要的關鍵。CLIP技術的優異速度,能使3D列印更接近真實的製造,3D列印將不再只像是現階段用來製作原型與一次性用途產品而已。

根據3dprintingindustry.com的報導,2015年6月,福特宣布與矽谷3D列印公司「Carbon3D」合作計畫,快速打造高品質車輛零組件。福特公司使用Carbon3D列印機為其Ford Focus Electric製造彈性墊圈,這個墊圈主要用於其車身內部,以保護布線免受損壞甚至被車廂裡的金屬板切斷。福特還將這些墊圈與其它3D列印機列印出來的同樣產品進行了比較,列印出來的零組件特性更加接近於在實際車輛中使用的材料。此外,福特汽車還使用Carbon3D列印機為他們的Transit Connect列印了減震保險桿零組件,大大加快了工程師每次更迭設計的速度。

另外,2015年8月20日,Google創投宣佈投資Carbon3D 1億美元。主導 Google Ventures 投資 Carbon3D 的投資者 Andy Wheeler 提到,CLIP 技術俱備潛力帶領 3D 列印脫離原型測試的狀況,其中一個原因是列印速度,另一個則是其支援更廣泛的列印材料,可以列印出遙控、桌椅扶手等傳統 3D 列印機不能列印的物品。

 

 

五、對於產業的影響

 

 

像CLIP這樣具前瞻且擁有製造優勢的3D列印技術對於目前產業將有許多的影響,包括可能會引發其他廠商相繼投入這樣的技術,在許多廠商投入後,也有可能會提升該類型技術在3D列印的市占率,甚至一舉提升3D列印整體產業的成長率。

 

 

(一)帶動相關廠商投入

1.澳洲Gizmo 3D


在Carbon3D公司宣告了超高速的光固化技術一周之後,澳洲的 Gizmo 3D 也發表了相同的技術。Gizmo 3D使用的技術也是以DLP為基礎,但採用由上往下投影,列印平台由樹脂液面逐漸沉入樹脂料槽中「由上而下」的設計。列印時光線就投影在樹脂液體的表面,與空氣直接接觸,同樣可達成快速固化樹脂的目的。由於列印時物件為漸漸沒入液體中,若物體斷面的截面積較大,每當模型下降時便需要更多時間等待樹脂流動以重新恢復表面水平,列印速度相對變慢。因此目前的建議是列印薄殼件以避免這個問題,如果需要實心的成品,需要在列印完成後再找其他的填充劑填入。

2.韓國Carima

根據3dprint.com的報導,在2015年9月舉行的歐洲模具展上,韓國Carima公司正式發佈了自己的快速高精度3D列印技術C-CAT,號稱比現有的一些DLP 3D印表機快100倍。Carima公司成立於1983年,其最初的業務是生產光學設備。該公司稱他們在2009年就首次開發出了基於自己獨特光學技術的工業級3D印表機Master。Carima公司宣稱,使用其C-CAT技術,他們能夠達到1公分/分鐘的列印速度,同時保持高精確度。在其上一款產品”DP110 DLP 3D”印表機中,能夠以12微米的標準層厚,達到0.3 公分 /小時的列印速度,而相比之下,C-CAT能夠以60公分/小時的列印速度實現5微米的列印層厚,而且表面更加光滑。

3.臺灣廠商相繼投入研發

臺灣也有幾家廠商投入光固化型3D列印設備,例如揚明光學、三益海棠、三緯國際等,其中也有廠商對於超高速這項技術投入研發,相信在不久的將來,也可以看到不錯的成果。國內的研發單位對於這項超高速3D列印技術亦給予正向的肯定,認為這項技術將有望加速3D列印設備走入一般家庭。

(二)光固化製程占有率將繼續提升

3D列印製程技術,如果用在研發產品的原型製造時,縮短生產原型時間就變得相當重要,也唯有如此,才能大幅縮短研發的時程。根據Wohlers報告的統計,2014年3D列印市場約41億美元,在七種3D列印製程技術中,光固化技術的市占率約27%,預計2025年全球3D列印市場將超過200億美元,光固化技術的市占率約25%。一旦超高速3D列印技術開始擴散,2025年光固化技術相關設備與材料市占率有機會超過30%。

(三)促進3D列印設備的普及

另外,目前3D列印之所以尚未打進一般家庭,除了使用上還沒有親民之外,列印速度是消費者一項很重要的考量。假設一個用戶買了一台3D印表機,首先會發現,在操作仍然有難度,並不是按一個按鈕就能印出想要的東西。其次,列印的速度太慢。試想,如果自己印一個玩偶或公仔須要花3個小時以上,甚至更久,恐怕很少人會有這種耐心。現在如果推出一款3D印表機,價格差不多,列印過程5~6分鐘內就可以完成,相信吸引力會大很多。

 

 

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

 


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更新日期:2020-04-08

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