3D列印即將顛覆傳統製造業！

3D列印即將顛覆傳統製造業！

這隻機器人義肢來自美國橡樹嶺國家實驗室，看起來像是中古時代的東西──上頭覆蓋了鎖子甲，它似乎更適合揮動大刀，而不是端咖啡。

為了讓這隻手耐用、輕巧，裡面的骨骼和篩眼般的薄皮膚都是由鈦製成。

能讓手指動作的強力微型液壓系統，依靠的是整合進義肢結構裡的管線網絡──不需鑽孔、軟管或是連接器。

不過這隻機器人手臂的特別之處，不在於它的能耐，而是它的製作方法及代表的意義。研究人員先在電腦上構思，然後把幾十個列印出來的零件組裝起來，這些零件來自「積層製造」，現在更流行的說法是「3D列印」。

橡樹嶺國家實驗室的這件作品讓我們一窺製造業的未來──以前不可能的設計，現在不但能接受訂製，而且只要幾小時就能列印完成。

橡樹嶺能源材料計畫主持人布魯（Craig Blue）說：「眼前這是非常、非常複雜的設計，內有液壓管路，能以每平方公分超過20公斤的力量運作。

網眼是為了讓構造更輕盈，只在需要之處添加材料。要製作這隻機器人手臂，現在只有積層製造這項技術辦得到。」

3D列印已經發展到一個階段，能製造出的複雜機械是其他方式所不可企及，大型製造商例如波音或是奇異，已經開始將這項技術應用到先進產品線。

傳統製造方式是從一大塊的材料雕琢出可用的部份，相較之下，積層製造則是一層一層製造出物件。

這個想法上的改變可能會影響到製造業的每個層面──從原型設計到大量製造的產品。

不過3D列印仍然面對艱難的技術挑戰。

和傳統的減法製造方式相比，積層製造的速度比較慢，材料的精準度與完成度也不一致。

另外，3D列印要利用好幾種材料製造物件還是有困難，而且也還無法在不燒毀電路的情況下，把電子零件整合進去。

研究人員正在努力克服這些局限──不過沒有人會懷疑，對於客製化、少量製造的應用來說，積層製造具有驚人的力量。隨著技術擴展到大眾市場，3D列印可能即將全面開啟製造業革命。

精準的加法製造

3D列印的起源可回溯到1980年代晚期，一些新創公司和學院（其中最有名的是美國德州大學奧斯丁分校）發明了一些機器，能在幾分鐘內依照數位設計製作出三維模型。那些系統和類似機型一開始要價約17萬5000美元，因為能幫助發明家和工程師以快速且比較便宜的方式製造出原型，所以在過去幾十年來一直頗負盛名。

從那時開始，3D列印往兩條路線發展。

其中一條，業餘愛好者以及想要創業的人利用要價不到2000美元的機器，就能快速製作出塑膠模型。

這種流理台似的設備能讓使用者發明出新物件──因此有人拿3D列印和個人電腦相提並論。

白宮科技政策辦公室的技術與創新副主任卡利爾（Tom Kalil）說：「就像網際網路、雲端和開放源碼軟體，能讓小型團隊在半年內靠著泡麵過活，努力開發出一個應用程式，然後上架，看看是否有人有興趣；同樣的現象也開始出現在製造產品上。」

另一條路線，大型製造商正在建立具有工業強度的先進方法，以製造飛機零件，或是人工置換髖關節這類生醫裝置。能達到標準的機器要價可能高達三萬美元，這些以雷射為基礎的設備能製造高品質的金屬產品，這些產品的售價則可高達100萬美元。

這些列印機器可使用聚合物、金屬或其他液態或粉末材質的原料。待製產品一開始必須有數位檔案，能讓設計師在開始製作之前進行改良，讓成本的衝擊降到最低。

美國國家情報委員會是由一群支援美國國家情報主任辦公室的分析師所組成，他們在去年11月提出一份報告，名為「2030全球趨勢：不同的世界」。

報告中提到，在2030年以前，3D列印可能會取代特定的傳統量產製程，像是鑄造、造模、切削，尤其是那些生產時程較短，或是專注在客製化產品的製造商。

航太公司則位在這股趨勢的最前端。像是製造飛機引擎歷史已近一世紀的奇異公司航空部，最近就收購兩家專門利用積層製程來製造飛機零件的供應商；波音公司則已利用3D列印製造超過2萬2000件零件，並用在民用飛行器與軍機上。

這些公司發現，不論就能源使用或材料來說，3D列印比傳統製造方式更有效率。位在美國科羅拉多州科林斯堡的積層製造顧問公司沃勒商事，其總裁兼首席顧問沃勒（Terry Wohlers）就表示：「如果你要切削出一個零件，一開始使用的那塊材料，通常到最後會有80~90%變成地板上的碎屑。」

雖然有這些優勢，製造商大多仍認為3D列印適合製造原型，而不是工業級的產品。

原因可分三部份：速度慢、品質不穩定、不易製造複雜物件。

首先，積層製程視細節多繁雜而定，速度相對較慢。

橡樹嶺實驗室的工程師在首席設計師勞夫（Lonnie Love）領軍下，花了24個小時製作總重量近600公克的零件，然後再花16個小時組裝成機器人手掌。（他們正在發展能列印一隻完整義肢的硬體。）美國賓州州立大學直接數位沉積的創新材料處理中心共同主持人馬圖卡尼次（Richard Martukanitz）說：「如果你想製造壘球大小的東西，而且要有優良功能和細節，那你可以想像大約要花6~8小時。」依此速度，要用3D列印機器製造數以千計的零件，可能得花上好幾年。

有些積層製造系統的速度快一些。

像是針對美國海軍需要而發展出來的系統，堆積材料的速度可達每小時9~18公斤。然而，要達到這樣的速度，就必須付出特徵細節不夠好的代價。

馬圖卡尼次就表示，完成的零件還需要事後的切削。為了加快製造速度，研究人員正在研發能以不同速度列印的系統──堆積大塊材料時速度提高，但在零件需要更多細節時則放慢速度……

撰文／格內麥爾（Larry Greenemeier）
翻譯／鍾樹人