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直接数位制造打开全新格局
3D列印新舞台

【作者: 王岫晨】2015年07月13日 星期一

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近几年来,3D列印逐步从工业市场,迈向商用市场与个人制造领域,一步步走向更普及的家用环境。 3D列印对于小量生产与原型设计,具有十分重要的价值。


3D列印近期成为最夯的话题。一般来说,3D列印除了具有客制化、少量多样化生产的优势之外,当消费性电子产品在设计阶段与零组件之整合度愈来愈高、消费者对产品差异化、个性化需求度越来越高的同时(例如个人化的机壳),3D列印也将开始挑战目前少样大量的ICT生产模式。


在近期,Gartner公布的中国十大策略性技术之中,3D列印也榜上有名。 3D列印透过加法制造方式,运用设备将数位模型生成实物。此市场明显区分为三个类型:生物列印、个人3D列印以及企业级3D列印。 3D列印的主要优点在于能够提供定制化或无法大量生产的小量物件。未来3D列印在中国将拥有许多真正的机会,从产品设计、3D印表机制造、列印材料、生物列印,到提供专业3D列印服务等,都将提供更多的商机。


展望未来的3D列印市场,M型化将成为不可逆的趋势。 M型的两端分别为低价市场(base quality)、高价市场(high quality)。低价市场的3D Printer价格会愈来愈低,愈容易打入一般家庭,并且为个人设计、家庭工厂带来划时代的影响。而高价市场则会发展出更高科技、精密的机台,来应用于航太、医疗、工业等应用层面。



图一: 3D列印将开始挑战少样大量的ICT生产模式。
图一: 3D列印将开始挑战少样大量的ICT生产模式。

智财权的保障是真正价值

不管是对于Maker的个人原型自造来说,或者是对于大型企业的产品预先建模而言,3D列印的最重要价值,就在于智慧财产权的保护。在过去,不论是企业或个人,在设计出新产品之后,无法先行透过3D列印来自行制作出原型产品,经常得先交由别的厂商来生产出原型。在这样的过程中,不论有没有签署产品保密协定,从交出设计图给外包厂商,到产品原型实际制作出来,过程中会有许多漏洞与机会,让这些原型产品的样貌,甚至设计图外流。


不管是对于Maker或者大型企业,3D列印最重要的价值,

就在于对智慧财产权的保护。

而透过3D列印,除了可以先行制作出原型产品的优势之外,重点是可以在自家工作室或者厂房中,进行新产品原型的预先生产。如此一来,新产品的设计图与外型不会先行外流到市面上,而是会等到产品已经要正式量产的时候,才正式将设计图交给工厂去进行生产。如此一来,对于智慧财产权的保护,将会发挥更重要的功能。



图二: 3D列印对于智慧财产权的保护,将会发挥更重要的功能。
图二: 3D列印对于智慧财产权的保护,将会发挥更重要的功能。

DDM时机渐成熟

3D列印发展到现在,目前市场也一直在试着找出更适合3D列印的应用领域,直接数位制造(DDM)似乎是个不错的起跑点。当3D列印遇上了直接制造,似乎也为3D列印打开了一扇全新的商机之门。


直接制造,顾名思义就是直接将设计好的产品蓝图,直接透过3D列印来列印出成品,而这​​样的成品,是直接就可贩售的商品。意味着其不论是品质、可靠性、安全性、坚固性、耐用性等各方面,都可以经得起消费市场考验。


只不过,放眼目前市面上的3D列印机,从高阶机种、到中阶、低阶消费机型,列印出来的品质参差不齐。消费机种的ABS塑料,所印出的成品外型较为粗糙,品质也较为普通,成本较为脆弱,这样的产品,就比较难以透过直接数位制造来制作与贩售。


这样的情况,也使得直接数位制造的范畴,目前多半都还只能停留在中高阶的3D列印器材上。高阶3D列印的材料与列印技术,与一般消费机种不太相同。透过高阶3D列印器材来进行数位直接制造,其列印方式通常是使用积层制造(Additive Manufacturing;AM)技术,利用粉末状的材料,在印表机上进行列印。电脑会事先将3D设计图分割为许多2D图层,再透过雷射光束,来高温融化这些粉末材料,列印过程中,这些粉末材料逐层堆叠,进而成为所需列印的产品或零件。


这种积层制造技术,拥有非常不错的商用前景,是可以改变现有游戏规则的技术。其特色是可让不同的粉末材料,诸如尼龙、碳、钛、不锈钢、铝等,透过雷射融溶的方式进行列印。雷射能够塑造出各种不同形状,其优势在于可透过低成本的生产方式,来完成复杂的设计。经由这种列印技术,产品列印成型后,质地更为坚固、外型也更为美观、品质更好,这样的产品完成后,也可以直接用于贩售,或者直接用于零件组装等。


例如目前已有些汽车零件、脚踏车组件、或者医学用途的骨骼或牙齿等,都以经透过这种基层制造的数位直接制造技术,来列印出产品,并直接应用于相关的领域。这样的优势,在于可少量或什至客制化单一生产,避开找厂商代工可能不接这种小单的困扰,这也正是数位直接制造的最大优势所在。



图三: DDM通常使用积层制造,透过雷射光束,来列印产品或零件。
图三: DDM通常使用积层制造,透过雷射光束,来列印产品或零件。

3D列印的新挑战

根据工研院IEK估计,全球3D列印机市场规模将从2014年的约10万台,成长至2018年的600万台,未来市场成长潜力极大。各种3D列印机方案的规格差异包括生产尺寸、解析度、材料、列印速度、是否有加热室(Heated Chamber)等。但主要的限制仍包括:列印色彩有所局限、材质限制、列印速度等。此外,3D列印机目前价格仍高,最简易型3D列印机价格约在800~1,500美元,但功能仍十分受限。


目前由于各种新创制造模式衍生,包括新创公司sculpteo提出的线上3D批次制造模式,可线上进行产品结构设计、材质选择、生产数量等,并可即时算出每件成本、预估交期。这种批次生产的数量,以每种类不超过1000件为佳。


3D列印持续迈向直接数位制造之路,看似随着3D列印器材的价格友善,有越来越普及之趋势。然而直接数位制造,是否真的在自己厂房里或者客厅中,摆放一台3D列印机,就一切高枕无忧了呢?事实上,3D列印随着其列印方式的不同,经常会伴随着不同的问题。例如一般消费型机种最常见的问题,就是会遇到印料卡住,无法继续喷墨列印,以及印制品顶住等问题,导致列印不顺与中断。


此外,在3D列印之前,3D模型的制作也十分费工,并非所有人都有3D绘图相关的经验与知识,这使得3D模型的建模,也成为阻隔在3D列印之前的一道障碍。目前许多厂商陆续开发出更简单易用的3D绘图程式,甚至透过扫瞄的方式,来直接做3D立体模型,这些都使得3D建模变得更为友善,不再那么遥不可及。



图四: 3D列印随着列印方式的不同,经常会伴随着不同的问题。
图四: 3D列印随着列印方式的不同,经常会伴随着不同的问题。

结语

3D列印可以直接打造出产品原型,十分便利厂商与自造者的产品原型开发。而透过直接数位制造,更能为小量与客制化生产带来十分庞大的效益与商机。当然以目前的技术成熟度观察,直接数位制造依然只能停留在高阶3D列印领域。在未来,随着3D列印技术更为成熟与普及之后,直接数位制造的愿景,将可望提早真正实现。



图五: 直接数位制造能为小量与客制化生产带来庞大的商机。
图五: 直接数位制造能为小量与客制化生产带来庞大的商机。

Gartner:3D印表机拼功能 不打价格战

终端使用者的3D印表机支出金额,随技术与出货量而有所不同,但其他几项市场因素也具有相当的影响力。挤制成型材料的支出,主要受到全球各地大量利用现有低技术门槛,打入500美元以下消费3D印表机市场的新创事业与小公司所影响。不管这些新创事业与小公司的营收,是否足以支付生产与管理成本,还有服务、销售、通路开发及研发,业者的利润仍待观察。


由于市场对相关设备的需求增加,供应指向性能量沉积技术(directed-energy deposition)及粉体熔化成型技术(powder bed fusion)等技术的厂商,未来反而能够随着对其设备需求提升而稳住价,并以各种方式提升价值,不必付出高昂代价大打价格战以吸引并留住企业客户。


根据Gartner预测,终端使用者在挤制成型材料方面的支出,将从2015年的7.89亿美元增加到2018年的约69亿美元。整体来说,终端使用者在3D印表机方面的支出,可望从2015年的16亿美元上升至2018年的134亿美元。光聚合固化技术(vat photopolymerization)、材料喷涂成型(material jetting)等技术将是带动成长的主要来源,在消费与企业用市场的接受度愈来愈高。


产品平均售价(ASP)也随着技术与市场力量(market forces)而有所不同。每个市场状况不尽相同,包括装置组合、价格与买方需求,都会影响任何一个技术领域中所有3D印表机的平均价格。


Gartner研究副总裁Pete Basiliere认为,头几年里3D印表机制造商将尽全力推出新功能并提升性能,而不会采取降价策略。因此,多种技术的平均售价可望上扬,或在2014、2015年价格上升后逐渐下滑。采用指向性能量沉积技术的3D印表机价格最高,其次为粉体熔化成型技术。材料挤制成型印表机与光聚合固化印表机的平均售价可望下滑,这是因为愈来愈多厂商投入市场,利用这两项技术推出价格区间较低的产品。



图六: 3D印表机制造商将尽全力提升性能,目前不会采取降价策略。
图六: 3D印表机制造商将尽全力提升性能,目前不会采取降价策略。
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