淺談3D列印技術前世今生｜專家論點【郭啟全】

2023-01-07

作者：郭啟全（明志科技大學機械工程系教授兼系主任、智慧醫療研究中心教授）

　　2022年聖誕節剛剛過去。20幾年前，筆者於求學時期於臺灣科技大學所待的實驗室是臺灣最早從事3D列印與快速模具相關研究之學術單位。那時候，我們一群研究生給3D列印機一個雅號為「聖誕老人機器」。因為，當我們研究需要什麼實體模型（physical model），它就可以印給我們。20幾年前，於臺灣學術單位擁有3D列印機台非常罕見，因為那時候3D列印機台之售價非常昂貴。
　　20幾年前，3D列印技術（three-dimensional printing, 3DP）是被稱為快速原型（Rapid Proctoring, RP）技術，此技術屬於直接數位製造（direct digital manufacturing）技術。近年來，美國材料試驗學會（American Society for Testing and Materials, ASTM）將3D列印技術以真正的學名（scientific name）定義此技術，成為現今之積層製造（additive manufacturing, AM）技術。但是，筆者還是認為「3D列印技術」一詞，對於社會一般大眾還是比較熟悉。積層製造技術依照不同成形製程技術與不同成型材料區分為七大種類。
　　筆者於「精密加工」課堂中常常提問修課的學生，請問「3D列印技術是哪一國家發明的？」。學生給的答案為「臺灣人發明的」，可見修課的學生對「臺灣」是很有信心的。跟據所蒐集之文獻資料，3D列印技術之概念（idea）是日本人小玉秀男於1980年所提出；然而，美國人整合軟體、材料科學、光學與自動化……等等相關基礎技術，將3D列印技術真正實現，申請發明專利，並將3D列印技術以商品化機台問市。因為，美國人具有發明專利權，所以美國人號稱3D列印技術是美國人發明的。
　　塑膠3D列印技術於機械工程之應用非常廣泛，例如：可以運用於製作少量多樣之機械零件、夾具、治具、快速模具、冷卻水路……等等。圖1 為明志科技大學機械工程系研究生蔡晴州同學運用機熔融堆積成形系統（Fused Deposition Modeling, FDM）列印所設計之具有順形加熱水路之快速模具。更值得一提的事，金屬3D列印技術（metal 3DP）之用途更為廣泛，舉凡汽車產業、航太產業以及生醫產業，均逐漸利用金屬3D列印技術來製作客製化金屬零件，例如：汽車鈑金件模具、壓鑄模具、飛機引擎零件、發動機零件、汽車塑膠件之射出成型模具、假牙、牙套、鈦合金椎間盤植入物……等等。
　　最後，筆者要提一個關於3D列印技術之重要觀念，3D列印技術之發明並不是要取代傳統之既有加工技術，例如：CNC銑床加工、CNC車床加工、CNC線切割加工或CNC放電加工，3D列印技術之發明是一個互補技術（complementary technology），截長補短。所以日本Sodick（蘇比克）股份有限公司才會發展出「加、減法」複合工具機，甚至整合退火爐（annealing furnace），直接製作可以量產之高冷卻效率之塑膠射出成型量產鋼模。俗云：「慢工出細活」，誰也想不到，光固化之3D列印技術卻可以達到「快工出細活」。科技之進步，日新月異，3D列印技術也是如此，真令人無法想像，例如：Tesla電動車問市竟然顛覆了百年車業。筆者深信，未來3D列印也將改變我們的世界，因為未來3D列印也許將有令人無法想像之應用，例如：運用金屬3D列印來製作電動車電池、高級雙B房車之防盜螺絲、跑車之車身骨架……等等。那就讓我們一起慢慢期待吧！