3D列印成為第四波工業革命四大趨勢之一,各產業皆卯足全力競爭這塊廣大市場。圖片來源:wikimedia common。

3D列印造市場 醫療航太領頭羊

記者 柯宗沅、莊婕妤、郭靚德/採訪報導

3D列印被譽為第四波工業革命的驅動者之一,在消費電子、汽車、醫材及航太都有所應用,高度客製化、快速的生產效率等特性,帶領產業走往數位製造的時代,當中醫療與航太因產業屬性,對3D列印的發展更為渴望,因而創造出一個全新的藍海市場。

 

圖一、全球3D列印市場應用比例。製圖/郭靚德、資料來源/前瞻產業研究院。
3D列印技術扭轉新局勢

在今年美國職棒冠軍賽的第四場,一位女孩用裝著3D列印義肢的手投出開場球,同時在她的上空,也有紐西蘭公司「火箭實驗室(Rocket Lab)」五月發射的全球首支3D列印火箭運行著。3D列印技術的進步,深深影響著醫療與航太產業。

3D人工器官改寫醫術

因為高度客製化、高生產效率、高材料利用率與低庫存率等特性,3D列印在醫療領域中受到極高的重視。在醫療上又以牙材成長最為快速,過去牙材製作費時費工,透過3D列印,不但能減少石膏模的誤差可能,也能提高生產的效率,但最終的目標,還是能夠透過3D列印完成器官的生產與移植,當中必須克服擁有足夠強度與安全的前提下,材料能夠與生物相容的特性,同時要完成人體器官精細的構造,印表機必須能夠完成精密的作工過程,於是耗材及設備深刻影響著3D列印在醫療中的發展(詳見圖二)。

圖二、2016年醫療照護使用3D列印的營收比重。製圖/柯宗沅、資料來源/Industry ARC、華爾街日報。
無螺絲工業時代開新局

而在航空航太的領域中,3D列印能夠達到降低成本、降低材料浪費、減短製造週期等結果,這讓飛機過去常用的鋁合金材料面臨淘汰的命運。在降低成本的同時,3D列印依然有能夠完成結構複雜的零件的技術,並能提高零件間的緊密性,走向一個沒有螺絲的工業製造時代。

3D列印生產鏈 上中下游台灣廠
圖三、3D列印製作流程圖。製圖/郭靚德。
3D列印市場熱 醫材航具受歡迎

醫療層面中,3D列印多用於客製化形貌醫材以及骨融合仿生結構醫材,工研院雷射中心副經理林德耀表示,假牙製作上因技工技術不同而導致品質不一,但3D列印能消除這種差異性,達到量產的可能。美國聯合市場研究公司(Allied Market Research)研究報告預測,2020年亞太地區3D列印醫療保健市場將有七億美元的產值,而台灣則有3500萬美元的市場規模,這也讓台灣的震旦集團積極投資,透過與中國醫藥大學的合作開發客製化3D醫療,期望能搶下巨大的市場。

台灣航太零組件廠商、工具機廠商,都將3D列印作為優化自身產業服務的輔助。東台集團旗下的東台精機致力3D列印的航太零件積層製程,集團工程師賴羿壬指出,除「減法加工」外,3D列印可提供客戶「加法加工」製造之選擇,使客製化商品能以更低成本的方式製造,客製化將成為普遍性的製造模式。同時在今年六月,國內航太零組件廠漢翔與工研院簽署備忘錄,透過兩邊的合作關係,積極搶進高附加價值的航太零件製程。

列印機具不可少 硬體設備高競爭

為因應航太零組件不同尺寸之製造,工研院目前已成功建設三種尺寸的國產自主設備,工研院雷射中心副經理林德耀表示,50*50*50立方公分之設備,在國際上,甚至已名列第三。東台集團則推出噴膠式砂模成型積層製造設備AMS-1200,可大幅縮短砂模的製作時間並可製作高複雜度的砂心,提升鑄造產業的競爭力。砂材的可回收性也達到了節省資源與實踐環保的要求,在科技與環保間取得平衡。

材料決定優與劣 多重選擇挑合適

在醫材應用方面,除金屬骨骼合金為材料外,也有AVS樹脂(塑膠)等材料,馬路科技專案經理張新偉指出,AVS樹脂通常應用在顱顏受損之修復或是植牙牙冠製作上,但目前許多廠商仍面臨著研究材料如何透過3D列印,在製造結果維持生物相容性的一大考驗。

此外,在金屬材料的部份,粉末相當重要,當中包含初階的鐵基材料、鈦合金以及高溫粉末材料鈷基、鐵基超合金等。工研院雷射中心副經理林德耀表示,在3D列印金屬材料中,只要傳統鋼材能製作成為粉末,現在的3D列印機皆可使用,只是有比例成分配方問題,製成條件不同,怕做出來的質量不一。台灣金屬廠商榮鋼集團便是在今年的經濟部美洲招商團裡與美國公司簽署合作,投入3D列印中的金屬粉末當中的成功案例。Research and Market研究更進一步指出,全球3D列印所需金屬粉末市場規模,將於2020年達到40.6億美元。

3D列印台灣造 政府產業攜手行

台灣自2013年首次引進3D列印技術便引起市場討論,3D列印技術提供產業面創新的製造思惟,得以擺脫傳統加工製造限制。為加強跨產業的應用交流,經濟部工業局於2014年起實行「3D列印產業發展推動計畫」,整合台灣3D列印上、中、下游材料與技術,協助醫材、航太等產業開發不同類型的創新應用,盼能擴大此項技術的發展。同時,經濟部工業局也表示,希望3D列印技術能走入校園,透過校方主動培養下一代印製技術的接班人。世新大學數位多媒體設計學系助理教授陳俊廷表示,3D列印技術對於客製化、少量的商品印製充滿無限可能,讓數位成品變得具象化、生活化。

近年來,我國3D列印的發展在政府帶動下,已漸漸從技術研究轉向應用層面,例如零件製造、醫療器材等。工業技術研究院更搶先發展運用金屬3D列印技術協助醫材廠商製作手術工具,並與醫院合作3D列印接合骨釘。經濟部工業局表示,與國外3D列印產業相比,台灣在3D列印產業的發展仍相當受限,現階段仍以小規模印製為主,而無法達到產業化;政策面也因法規限制,讓多數產業無法實際運用,限縮了3D列印的範疇,馬路科技專案經理張新偉表示,就像植入人體之材料須通過衛福部認證,但國內法規很嚴謹,很多材料在國外已通過美國SDA認證,卻不能在台灣被使用。

但台灣因具有良好的製造業與ICT產業基礎,造就出一個適合發展具即時、客製化3D列印技術的機會,加上政府與各單位的推動,讓3D列印初步在台灣打下良好根基。在全球3D列印預估產值節節高升時,台灣也不落人後,除了醫療與航太產業的應用外,也主動出擊各大產業來達到效益最大化(詳見圖四)。

圖四、2015-2020年我國3D列印產業產值預估。製圖/柯宗沅、資料來源/3D產業研究分析報告。

根據《3D列印產業分析報告》指出,全球3D列印應用於航太產業比重占11.8%,有著舉足輕重的地位,波音20167月的報告中也顯示,未來20年全球航空業可望創造5.9兆美元的產值;而應用於醫療的市場產值也將順應全球3D列印市場產值不斷攀升。前瞻研究院預計,2020年市場總市值將達到185億美元(詳見圖五),如此龐大的產值足以窺見3D列印市場已漸趨蓬勃,台灣也將不會錯過這個契機,在這一波3D列印革命中大顯身手。

圖五、2015-2022年全球3D列印產業市場規模預估。製圖/柯宗沅、資料來源/前瞻產業研究院。