訂閱電子報

智慧生活報

訂閱文章

Plurk

使用者登入

[創新趨勢] 3D列印技術與應用

Post by Emily

3D正夯,從電影、電視、電腦到電玩,無不以3D顯示技術吸引消費者的目光,相機、攝影機也紛紛加入3D拍攝的功能,讓照片及影像更為立體。此外,印表機也加入了3D的行列,麻省理工學院研發出「3D列印」(Three Dimensional Printing)的技術,但3D列印並非像3D相機或攝影機一樣,列印出具有3D立體效果的圖片,而是真的列印出立體的物品,如下面影片中,複製出與原型一模一樣的東西。

3D列印技術的原理

過去傳統的列印是將墨點印在紙上,由墨點組成影像。3D列印則是指,將物品分為很多分層(layer),透過雷射的高溫,將特殊材料融合在一起,壓製出每一層分層的模型,將所有的分層疊合起來,即成為立體的物品模型,如下圖所示。由於一層一層疊合的方式與列印的原理相似,因而稱為3D列印,或稱三維列印。

如同傳統列印須先掃描檔案一樣,3D列印需先掃描整個物品,電腦會進行立體建模,並計算每一層分層的資料,包括構造及顏色等,接著機器就會依據電腦所計算的資料,依序一層一層進行「印製」,累積成為最後的成品,流程如下圖。由於整個製造流程非常迅速,因此3D列印又稱為「快速成型技術」。

與3D列印類似的技術在工業製造領域其實已經使用很長一段時間,由於在製造業中產品開模的成本非常高,為了確保產品沒有問題,因此先透過這種壓模技術,迅速生產出與原型非常相似的模型,提供進行產品的實驗與改良,確定沒有問題之後,再進行大規模的生產,因此過去這樣的技術主要是用於模型的製造。

隨著技術的進步,目前3D列印的技術能夠應用於各種不同材質,包括陶瓷、金屬以及各種化學合成物質,並可進一步根據物品細部構造設計,控制不同部位的材質組成,如表面、內裝零件等,直接製造出物品,而不只是物品的模型,例如麻省理工學院博士就以3D列印技術製造出可以使用的時鐘。目前3D列印的「輸出品」中,已有超過20%的產品是最終的「成品」,而非成品的模型,未來預計製造完成品的比重也會越來越高。

3D列印技術的優點

1. 節省空間
3D列印打破過去傳統製造業的生產線模式,只要有空間可以放置3D列印機(當然機台體機還需視製做物品的大小而定)即可,而無須有工廠及工人,可節省大量工廠空間與人力。

2. 降低成本
過去生產物品時,均分別生產多個零組件,再將零組件組合成最終的成品,而每製做一個零件,就有部分浪費掉的材料,且必須將所有零組件運送至最後組裝地。然而使用3D列印,所有的材料都是依據每一層建模進行製做,完全不會有一分一毫的浪費,大幅降低耗材;此外,由於產品本身一體成型無需另行組裝,除了本身材質更為輕巧,亦減少大量組裝時多餘的零件重量。

3. 製做迅速
由於整個製作過程都是透過電腦控管,因此產品製做迅速、良率高,加上幾乎全程電腦操控,可以24小時無間斷進行生產,大幅縮短製造時程,並且在同一個地方從頭到尾製做完成,亦減少運送成本。

4. 高度彈性
由於產品製做初期投注成本很高,所以製造業非常講求規模經濟,一旦開模就必須大量生產。3D列印生產成本低且製做迅速,可以先小量生產測試市場反應,進行調整後在大量製做,並且隨時可以進行產品調整,具備高度生產彈性。

3D列印技術的應用

隨著3D列印能使用的材料越來越多,以及能夠製作的精密程度越來越高,3D列印的應用範圍也不再侷限於工業用模型製造。

南安普敦大學的研究團隊製做出全世界第一架以3D列印技術製做的無人飛機,整架飛機包含機身、機翼、電子設備倉等各部份均採一體成型的設計,採用特殊的化合物為原料,經由雷射壓製而成。學者表示,一般製造飛機時,須要大量精密的零件組合而成,因而造價非常高,若又有機身輕便的需求,則必須選用特殊的材質,成本更高。但採用3D列印技術製做,整架飛機只分為前後兩部份,各自「列印」完成後再進行組裝,不僅組裝上非常方便,並且減少許多零件,讓機身更輕巧,一體成型沒有零件的設計,還可以減少風阻。此外,由於機體的製作細節完全可以透過電腦來控制,無論是結構的調整或是材質的變換,均可在電腦上設定完成之後直接進行製做,非常節省時間,這架飛機的製做總共只花了五天的時間!此架無人飛機已經於兩個月前完成試飛囉!

 

歐洲宇航防務集團(EADS)推出的腳踏車「Airbike」,也是利用3D列印技術所製做的,其材質採用金屬及高強度尼龍壓製而成,由於3D列印在雷射壓製方面的技術已成熟,且車輪、軸承都與車體一體成型,因此製做出來的腳踏車耐用程度不輸傳統製做的腳踏車,但重量卻減輕65%,此外,還減少了10%的耗材。

美國Stratasys公司與加拿大溫尼伯工程集團Kor Ecologic持續合作進行3D列印汽車的研發,並於日前公布其耗時15年的研發成果:「Urbee」。Urbee是油電混合車,可使用年限長達30年,省油、省電,是以環保為理念設計的未來概念汽車,研發成本高達進3,000萬台幣,預計2014年開始量產。其包括車身、底盤等外部零件,均由3D列印技術製作。

F1之父Gordon Murray也將3D列印技術應用在他為英國所設計的智慧城市汽車「T.25 City Car」中,該車款亦強調環保概念,採用可回收塑料做為原料,並以3D列印技術製作,整車重量僅575Kg(一般小型汽車重量約750Kg以上),耗材也相對減少,並且由於車體重量輕,而達到省油環保的目地。

除了機械製造之外,3D列印目前也逐漸被應用在生醫領域。美國北卡羅來納州維克森林大學再生醫學研究所研究團隊日前發表了一套皮膚的3D列印系統,其列印機會先掃描患者傷口,分析傷口所在部位、傷口的深淺與大小等相關資訊,進一步計算出患者所需的皮膚大小,直接於患者傷口上進行皮膚的列印。其功能與目前醫療上常使用的「人工皮」相似,均能保護傷口,幫助皮膚新生,但由於是針對個別患者的傷口情況進行計算列印,因此較一般人工皮更符合患者的需求,且材質可針對不同傷口深淺程度進行調整,更接進人體的皮膚組成,是更為「客製化」的人工皮。若此套系統能夠研發成功,將可大量應用在皮膚外傷的患者身上,例如燒燙傷患者,對於其醫療照護將有很大的貢獻。

除了皮膚之外,由於軟骨及骨頭、牙齒的構造相對簡單,肌肉、血管及神經等組織較少,是非常適合應用3D技術的部位。美國康乃爾大學計算合成實驗室利用3D技術製做出耳朵及其他軟骨部位,並進行受損軟骨構造的修復,例如受傷的膝關節。此項研究計畫仍以動物為主要實驗對象,目前為止列印的軟骨構造都非常成功。

3D列印技術應用於生醫領域所面臨最大的困難在於,人體的各部位都有神經與血管組織連結並進行控制,但目前的列印技術並無法至做出血管與神經組織,即使能夠製造出來,如何進一步與人體內原來的系統做連結,亦是待克服的難題。但無論如何,能夠提供更迅速,更接進人體的醫療材料,是3D列印技術的一大進展。

美國的設計公司Bespoke Innovations則與整型外科合作,用3D列印技術製做義肢,由於3D列印製做無論產品外型、構造設計與材質顏色,均能透過電腦進行設定,因此採用此技術,能夠增加更多材質與設計,例如Bespoke Innovations有推出皮革與金屬質感的義肢,提供患者做選擇。此外,此技術還能夠降低成本,具有設計感的華麗義肢,其成本竟然只要傳統義肢的十分之一。

3D列印也蔓延到時尚界。美國設計師Jenna Fizel & Mary Haung日前發表了利用3D列印技術製做出全球首款3D列印比基尼「N12」!這款比基尼是由許許多多的小尼龍片組合而成,並且能夠依據消費者的身材進行調整,由於3D列印製做非常快速,亦可量身訂做。目前市場上售價位於200至300美元之間。

而除了上述採用各種精密材料所列印出來的東西之外,甚至連食物也可以列印!美國康乃爾大學研究團隊將本來用於3D列印的各種化學物質改為麵糊、巧克力、奶油等各種食材,用同樣的原理將各種食材層層堆疊成食物。而除了食材的堆疊,透過電腦的控制,還可調整食物的外型及軟硬度等口感。採用這種方法製做食物,可以減少食材的浪費,大幅降低製造成本。

3D列印所帶來的影響

3D列印具備迅速、節省成本又高製作彈性的特色,當傳統製造業大量生產的規模經濟優勢不在,未來市場將會出現小量但多樣化的需求,高度客製化將成為未來的產品趨勢。

由於3D列印技術幾乎是一體成型,各種零組件製做及組裝技術需求降低,傳統製造業將受到嚴重的威脅,但如果我買一台機器就能夠生產,我何須蓋工廠、請工人?另一方面,全球貨運也會大幅改變,如果在美國租一個小辦公室就可以製作產品,又何須從中國大陸、越南運送過去?

隨著技術的進步,能夠被列印出來的東西也越趨多元,如果製造變成這麼容易的一件事,只要在家裡用電腦畫畫圖,就可以列印出所需要的東西,那麼會不會未來某一天,我們所有需要的食物跟物品都在家自行列印,自給自足?
 

發表新回應

這個欄位的內容會保密,不會公開顯示。
  • 自動將網址與電子郵件位址轉變為連結。
  • 可使用的 HTML 標籤:<a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd>
  • 自動斷行和分段。

更多關於格式選項的資訊