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3D-Printing新技術與汽車工業應用瓶頸

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科技產業資訊室 - 陳姿穎 發表於 2016年5月2日
3D列印的概念始於1980年代,日本名古屋市工業研究所在1982年首次公開實作實體模型印製技術,接著美國和日本的研究者製作能實作快速成型的機器,自此世界上各家製造公司致力於研發3D印表機,美國的查爾斯˙W˙霍爾被譽為「現代3D印表機之父」,他提出 SLA(Stereolithography Apparatus)立體平板印刷技術與目前快速成型經常使用的 .stl 檔。
 
3D列印技術可以直接製作實體模型,只需要利用電腦軟體設計便可以製作立體成品。在汽車製造工業,原先製造商需要從世界各地運輸相關的零件到工廠後再進行組裝,有了3D列印技術便可以大幅降低運輸材料的時間與成本。[1]
 
3D列印當前的主流為3DP (3D Printer),其技術內容是先透過電腦軟體設計建模建構出三維模型[2],再由印表機分層列印。在噴印平台上鋪上一層薄塑材粉,其結構由分次鋪上各層塑材粉所定義,再由印表機噴頭在各層粉末間噴上噴出黏著劑(如:膠水)黏著設計好的各層結構,完成後剩餘的粉末會被回收再利用。
 
然而,用此方式完成的成品一直有結構脆弱問題,由於3DP方式是用分層黏著緩慢地建構立體結構,過程中會有很微小的缺陷線,因此當成品遭受壓力時很容易破裂造成結構損害,使得3D列印技術在汽車製造工業的應用有所限制。
 
圖一、Carbon 3D公司開發的 CLIP連續液面生產技術
 
 
由Google母公司Alphabet Inc. 已C股投資矽谷新創公司Carbon 3D,其正在研發一種不同的3D列印技術,吸引了各大汽車製造商進行測試,如:福特(Ford)公司 [1]。
 
Carbon 3D所開發的新式列印技術不同於3DP,Carbon 3D的新技術是利用一個建造在架空平台的樹脂池,由光線通過樹脂池逐漸凝固池中的樹脂,再慢慢提起物體,直到物體完全形成。此方法所製成的物品在結構上會與直接開模製作的成品類似,避免上述現今3DP列印技術所產生的結構脆弱問題。目前此方法尚在研發階段,未到工廠利用階段,該公司預計今年出貨數百台印表機,但其成本太高無法被大規模使用。製造商可用此3D列印技術布局較高利潤或訂製類的產品,如飛機零件,義肢等,以解決成本問題。福特汽車正在測試由Carbon新技術製作的零件是否能通過性能測試,以決定此方法是否值得投資。
 
在汽車製造工業中,3D列印技術優點在於零件添加製造的彈性,並可設計較複雜的結構(如中間有孔洞的部件,可用於傳輸流體),以往此種結構常需要利用結構的組裝、花費數月創建新型模具、插入軟管等方法才能實現,而3D列印技術可直接設計並製造。
 
一般而言,3D列印可降低運輸成本及在生產過程中節省昂貴的模具費用,然而若是所生產的零件數量較大,3D列印製作的速度遠低於模具製造,因此3D列印雖可省下打模成本,但複製慢須花費過多的時間成本,過程仍然比傳統方法昂貴。除此之外,3D列印需要開發更多樣的材料:金屬、塑膠特性等,才能打進更多汽車零組件領域。
 
不過有越來越多的公司希望將3D列印技術應用在供應鏈,研究公司Gartner在技術估計,3-D打印機全球銷售將從2012年的4.06億,達到2017年近40億的銷售量(圖一)。
 
在未來3D列印技術與3D印表機將蓬勃地深入各領域中,3D列印是一項“具經濟價值”的技術。目前3D列印技術的設備與材料成本已大幅減少,但在工業應用上,提升製造速度是最重要的事情。(1182字;圖1)

 
[註解]Carbon3D公司開發的 CLIP連續液面生產技術(Continuous Liquid Interface Production)
原理:底部的紫外光投影讓光敏樹脂固化,而氧抑制固化,水槽底部的液態樹脂由於接觸氧氣而保持穩定的液態區域,這樣就保證了固化的連續性。(底部特殊窗口可以透光同時透過氧氣)。這項技術最重要的兩個優勢:(1)列印速度比傳統的 3D 印表機要快 25-100 倍,理論上有提高到 1,000 倍的潛力。(2)表面更加細膩。CLIP模式可說是重新定義 3D 列印,但是這原理仍無法轉移到電射燒結法以實現金屬或者陶瓷材料的列印。
 

 
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