即使現(xiàn)今積層製造技術(shù)已從最初的塑膠桌上型製造系統(tǒng)逐漸普及，推動了新創(chuàng)團(tuán)隊概念實現(xiàn)商品化，但至今尚未真正實現(xiàn)大規(guī)模落實與普及。反而可望先由傳產(chǎn)製程的模具、關(guān)鍵元件開始，推動製造業(yè)逐步轉(zhuǎn)型。

由於製造技術(shù)從最初的塑膠打樣演進(jìn)為金屬直接成型，引領(lǐng)了新一波積層製造工業(yè)材料與應(yīng)用的發(fā)展。根據(jù)最新《Global Additive Manufacturing Market》市場報告預(yù)測，積層製造產(chǎn)品和服務(wù)市場的價值，將在2027年達(dá)到440億美元以上，年成長21%。

其中生產(chǎn)金屬元件的工法，包括先利用塑膠積層製造後，再經(jīng)過翻鑄或脫膜製造；也有採用黏著劑噴塗成型技術(shù)，使之黏合耐火砂粉末來製造金屬元件等。但類似這些間接燒結(jié)方式，難免會產(chǎn)生收縮變形，而難以製造複雜的元件，限制了應(yīng)用的可能性。於工研院南分院的金屬積層製造試量產(chǎn)工廠，則不僅能協(xié)助產(chǎn)業(yè)新創(chuàng)產(chǎn)品，還可提供試量產(chǎn)及研發(fā)服務(wù)。

圖一 : 隨著材料、成本符合產(chǎn)品要求，預(yù)估積層製造「功能性零組件」應(yīng)用市場，將比「原型品」市場成長更快速、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)廣泛（攝影：陳念舜）

積層製造異型水路 協(xié)助模具加工業(yè)升級加值

舉傳產(chǎn)塑膠射出成型模具應(yīng)用為例，因為產(chǎn)品原始設(shè)計的複雜形貌或較薄處，常讓傳統(tǒng)直鑽式水路無法沿著形貌，貼近模仁表面建立水路，導(dǎo)致散熱與吸熱不均。過大的公母模溫差，將使產(chǎn)品在射出過程中容易有熱能殘留，造成產(chǎn)品變形翹曲、表面紋理缺陷、尺寸精度不良，內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或冷卻時間過長等問題。

反之，透過積層製造的異形水路則有別於傳統(tǒng)模具製作的水路大多採鑽孔方式，在較深處採取隔板式/噴泉式或螺旋式設(shè)計製作，既能貼近模仁表面也不受傳統(tǒng)圓孔形狀限制，從而建立矩形或適合產(chǎn)品形貌的特殊水路；針對熱點處製作散熱效率更高的異型水路，藉此提高冷卻效率並減少產(chǎn)品缺陷。解決傳統(tǒng)水路到達(dá)不了的區(qū)塊，也可更大範(fàn)圍的包覆產(chǎn)品面，更快速將熱能帶走。

已有臺灣從事塑膠成型加工業(yè)者，使用的塑膠材料種類達(dá)到1,300種，其中包含聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、改性聚苯醚（PPE）等熱塑性、熱固性、強(qiáng)化塑膠的多種類別材料；製造的產(chǎn)品種類達(dá)2500種，對應(yīng)的成型法包括雙色成型、嵌件成型、精密成型（成型精度0.02mm）等。

涵括從金屬模具的設(shè)計、製造，到產(chǎn)品成型的整套流程中，該公司約有70%金屬模具都是由機(jī)械加工製造完成，其他30%則是用積層製造完成。先在機(jī)臺的加工槽臺上鋪灑一層厚度0.05mm的SUS金屬粉末，再經(jīng)過雷射光熱融後凝固成型、針對模具高速切削，重覆執(zhí)行此流程而完成對較厚成型物的高精度加工。在良好的設(shè)計驗證之下，將有效縮短成型冷卻週期和改善翹曲變形等問題，未來將會逐步增加比例，也減少製造所需人力。

但要進(jìn)行金屬積層製造時，常會碰到兩個問題，首先因為尺寸較大，若水路設(shè)計效果不佳，未達(dá)到預(yù)期效益，將耗費巨大成本與時間；其次，在正式加工前，必須掌握足夠的加工經(jīng)驗，理解金屬龜裂的原因和條件，以避免積層製造加工失敗。

為抑制金屬積層製造機(jī)中，必然會產(chǎn)生的殘留應(yīng)力導(dǎo)致成型物收縮，並出現(xiàn)彎曲或變形的情況。使用者還可自行選擇是否搭載Sodick獨有「SRT工法」，即應(yīng)用了淬火處理的技術(shù)，通過對收縮處進(jìn)行加熱膨脹的方式相互抵消，從而抑制變形產(chǎn)生。不但可以針對更大型的金屬模具實現(xiàn)積層製造，還能將變形量控制在傳統(tǒng)工法的1/10，防止產(chǎn)生因此導(dǎo)致開裂。

用戶現(xiàn)在還能在機(jī)臺上裝配MRS（Material Recovery System：金屬粉末材料的自動排出和供給裝置），以實現(xiàn)金屬粉末供給以及成型後回收工作的自動化。加上該公司的金屬模具製造已完全實現(xiàn)數(shù)位化，目前全部都是根據(jù)客戶提供產(chǎn)品的3D CAD圖檔來進(jìn)行金屬模具設(shè)計建模，並透過如Moldex 3D等CAE軟體分析成型品的樹脂流動情況。

接著分別利用CAM製作加工資料後，轉(zhuǎn)換為NC code進(jìn)行CNC機(jī)械加工；或是轉(zhuǎn)換為STL資料，將數(shù)位資料整合後製造金屬模具。並運用3D影像掃描器對成型後的產(chǎn)品進(jìn)行掃描，與客戶的產(chǎn)品資料進(jìn)行對照，若存在差異則馬上進(jìn)行修正。此針對金屬模具製造的數(shù)位資料化作業(yè)，不僅能加快設(shè)計與製造的速度，還可確保成型產(chǎn)品的品質(zhì)；對於工件和特殊產(chǎn)品成型後的檢查也非常精細(xì)入微，在向客戶交貨時一定會附帶測量報告。

圖二 : 使用者還可自行選擇是否搭載Sodick獨有「SRT工法」，抑制金屬積層製造機(jī)中，必然會產(chǎn)生的殘留應(yīng)力導(dǎo)致成型物收縮，並出現(xiàn)彎曲或變形的情況。（source：sodick.co.jp）

涵括材料供應(yīng)鏈 掌握微量產(chǎn)及回收能力

此外，隨著材料、成本符合產(chǎn)品要求，積層製造功能性零組件（Functional Part Manufacturing）應(yīng)用市場較預(yù)估將比原型品（Prototyping）市場成長更快速、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)廣泛，市場占比及年複合成長率最高，預(yù)期以積層製造（加法）與減法搭配整合應(yīng)用，將成為主流製造技術(shù)之一。

依MarketMarkets調(diào)查資料顯示，目前已有越來越多產(chǎn)業(yè)開始使用積層製造最終用途的功能性零組件。主要用於中小規(guī)模產(chǎn)量的產(chǎn)品製造應(yīng)用，尤其是對於特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的產(chǎn)品，積層製造將會比傳統(tǒng)製造更具優(yōu)勢。

例如傳統(tǒng)的印刷電路板（PCB）幾乎都呈現(xiàn)平面，但是在新加坡國立大學(xué)的一個研究小組，利用一種名為「CHARM3D」技術(shù)，能將電路印刷通過3D垂直而非平面的方式堆疊起來元件，使得電子產(chǎn)品佔用面積要小得多，裝置可更精巧、時尚。

研究人員注意到的最大應(yīng)用可能是醫(yī)療保健，未來只要穿著帶有此積層製造感測器的智慧衣服，就可以在不接觸皮膚的情況下監(jiān)測使用者的生命體徵，還能帶來更精確的醫(yī)學(xué)成像。該團(tuán)隊已經(jīng)利用這項技術(shù)製造出了可穿戴的無電池溫度感測器、無線監(jiān)測生命體徵的天線及用於操縱電磁波的超材料。

此對於現(xiàn)今直接墨水寫入（DIW）等方法也是一項重大挑戰(zhàn)，所使用的特殊複合墨水需要輔助材料，而且粘度高、速度慢。CHARM3D則巧妙利用一種由銦、鉍和錫製成的菲爾德金屬合金的材料特性，約62℃熔點非常低、流動順暢，還能快速自凝固，有助於CHARM3D堆疊製成超光滑、均勻的3D金屬微結(jié)構(gòu)，寬度大約只有從100~300微米不等的幾根頭髮那麼細(xì)，這些結(jié)構(gòu)還包括立方體框架、垂直字母和可伸縮螺旋。

這種印刷結(jié)構(gòu)不僅具備高解析度、快速列印（每秒可列印 100mm）以及建立複雜3D 形狀的能力，甚至還能自我修復(fù)損傷，一旦電路被刮傷或變形，只需將之加熱到超過低熔點，就會重新凝固成原來的形狀，這使得電路更加耐用，甚至可以回收利用，未來應(yīng)用有著無限的可能性。

且隨著現(xiàn)今已有越來越多的設(shè)計工程師，開始使用如選擇性雷射燒結(jié)成型（Selective Laser Sintering, SLS）等積層製造設(shè)備，來實現(xiàn)更快速、經(jīng)濟(jì)實惠的方式生產(chǎn)小批量零件或原型零件打樣，逐層熔化工程塑膠粉末以形成自潤軸承等零件。

但因應(yīng)高溫環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ψe層製造自潤軸承零件的需求不斷增加，此由市面上標(biāo)準(zhǔn)SLS材料（例如PA12）製成的零件，通常無法承受於超過80℃溫度的應(yīng)用，例如汽車引擎內(nèi)的軸承、工業(yè)廠房或各種空調(diào)和冷卻系統(tǒng)，超過就會變軟並失去尺寸穩(wěn)定性。

德商igus也為此，推出首款真正能耐高溫達(dá)110°C的新型SLS積層製造材料iglidur i230，並通過DIN EN ISO 75 HDT-A/HDT-B認(rèn)證實驗室測試，可長時間承受110°C的應(yīng)用溫度。甚至可以短時間承受高達(dá)170°C極端溫度而不變形。藉此讓未來積層製造的工程塑膠零件能承受更高的溫度；還可消除靜電，保護(hù)機(jī)器和系統(tǒng)免受靜電放電，引起火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險，且不含PTFE。

根據(jù)igus內(nèi)部實驗室的測試證明，iglidur i230在室溫下的機(jī)械強(qiáng)度比PA12高出約50%，在彎曲測試中可承受94MPa的壓力，承受高動態(tài)應(yīng)用。依igus開發(fā)人員Paul Gomer指出：「使用者因此能在壁厚較薄的自潤軸承中實現(xiàn)相同的零件強(qiáng)度，並在緊湊的安裝空間中節(jié)省空間和重量。」

由於iglidur i230耐磨耗性比起PA12高出約80%，使得藉之積層製造而成的自潤軸承，具有更長的使用壽命，提高了機(jī)器、系統(tǒng)和車輛的效率，減少了保養(yǎng)需求。當(dāng)固體潤滑劑與SLS材料融為一體，可確保低摩擦乾式運行，使用者還可以省去耗時的潤滑工作。

圖三 : igus推出首款真正能耐高溫達(dá)110°C的新型SLS積層製造材料iglidur i230，可長時間承受110°C的應(yīng)用溫度而不變形。（source：igus GmbH）

另有臺灣的實威國際公司引進(jìn)美國Formlabs品牌旗下，最新推出的雷射積層製造機(jī)種Fuse 1，專為實現(xiàn)最大輸出和最小浪費而設(shè)計，並利用工業(yè)級含有填充粉末與彈性粉末的高性能材料庫，搭配30W雷射與高達(dá)12.5m/sec的掃描速度，可在24hrs內(nèi)製造交付可承受重度使用的高精度零件。

同時建立從設(shè)計到成品方便、直觀的工作流程，硬體和軟體可被快速啟動和運行，讓SLS 變得簡單易於使用，最大限度提高流程中每個步驟的效率。例如為了獲得最佳零件擺放密度的高效列印套裝程式，即可使用Formlabs的免費軟體PreForm，輸入STL/OBJ文件進(jìn)行模型定位和排列零件以優(yōu)化密度，減少積層製造的時間及浪費。

藉此輕鬆設(shè)置積層製造的機(jī)臺，緊密的佔地面積和能擴(kuò)展模組化的生態(tài)系統(tǒng)，使得Fuse 1+30W適用於任何環(huán)境，透過30W雷射照射腔體內(nèi)已加熱至180℃粉末，逐層燒融固化後在24hrs內(nèi)，實現(xiàn)小批量快速製造可靠零組件的目標(biāo)。

進(jìn)而導(dǎo)入基於雲(yún)端的儀表板（Dashboard），以便使用者能跨多地點和機(jī)器遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，查看積層製造機(jī)臺的可用性，管理材料、追蹤作業(yè)和接收通知，最大限度減少停機(jī)時間和最大化輸出。

搭配Formlabs的一體式粉末回收站Fuse Sift，與所有Fuse系列機(jī)器完全兼容，為工業(yè)品質(zhì)的後處理創(chuàng)建了一個簡單、流暢的工作流程。例如經(jīng)由兩者之間的模組化構(gòu)建室和粉末卡匣的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)不間斷的循環(huán)工作流程，從而減少停機(jī)時間。

同時利用Fuse Sift緊密的負(fù)壓式封閉系統(tǒng)，可將粉末保留在除粉器內(nèi)部，方便開放零件存取和輕鬆清理；整合粉末回收、儲存和混合功能在單一設(shè)備自動分配與混合新舊粉末，得以減少浪費及掌控供應(yīng)數(shù)量；將零件材料與二次後處理方法相結(jié)合，或使用市售的噴槍工具進(jìn)一步清潔、噴砂而得到光滑表面、客製色彩和加強(qiáng)耐用性。

值得一提的是，基於近年來產(chǎn)業(yè)生態(tài)變遷要求快速量產(chǎn)、客製化，F(xiàn)ormlabs透過SLS積層製造零件由粉末支撐，不僅設(shè)計自由，能直接省下一般塑膠材質(zhì)製造機(jī)種所需支撐架設(shè)計；還可呈現(xiàn)複雜的拓樸形狀，符合極致輕量化、堅固且耐衝擊的特性。

圖四 : 搭配Formlabs的一體式粉末回收站Fuse Sift，與所有Fuse系列機(jī)器完全兼容，為工業(yè)品質(zhì)的後處理創(chuàng)建了一個簡單、流暢的工作流程。（攝影：陳念舜）

經(jīng)由任意擺放工件，輕鬆製造懸垂特徵、複雜的幾何形狀、互鎖零件、內(nèi)部通道等複雜設(shè)計，緊密排列以最大限度利用空間來提高產(chǎn)量。加上具備穩(wěn)定高效的雷射粉末燒結(jié)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)實惠的軟/硬塑材料選擇，使用TPU彈性體、尼龍（Nylon 11）及其加入碳纖（Nylon 11CF）、玻纖（Nylon 12GF）等複合材料，皆是經(jīng)過驗證的高品質(zhì)最終用途的熱塑性材料，兼顧高韌性和堅固性的機(jī)械性能，可與射出成型等傳統(tǒng)製造方法生產(chǎn)的塑料媲美。

且在產(chǎn)品完成後，不怕在除粉過程中受損，就能立刻組裝應(yīng)用，節(jié)省時間、材料與人力成本，估計最快在一週內(nèi)即可完成傳統(tǒng)開模生產(chǎn)須耗時45~60天標(biāo)準(zhǔn)時間的作業(yè)流程；加上材料成本低廉，可快速進(jìn)行小批量生產(chǎn)，適合微量產(chǎn)的粉末成型空間；大多數(shù)SLS系統(tǒng)都允許使用回收粉末列印，以最大限度減少浪費，符合近年來產(chǎn)業(yè)ESG要求。