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產業變革－積層製造 列印百億美元產值
2014-05-07 01:02 工商時報 熊治民
3D列印是一種積層製造技術應用，普遍應用在協助新產品開發的快速原型製造。目前全球與積層製造應用相關設備（如3D列印機）、材料市場規模雖僅20億美元，但是透過這種新製造技術完成的零組件與產品，價值可能達到數百億美元。隨著越來越多企業、個人使用積層製造零組件與產品，市場規模將大幅成長。
積層製造的優點，包括更高的材料使用率，不需要模具，可以製造結構複雜的物件、增加產品設計彈性，更容易完成全自動化製造。從功能與應用方式來看，積層製造技術應用主要有4種類型：
類型1 產品開發
因為不需花時間先製作模具，使用積層製造可以在較短時間製作出零組件，並用來協助開發新產品。
例如，福特汽車在開發新款跑車時，為每位設計工程師配置低成本的3D列印機，協助加快驗證零組件設計結果。過去工程師在電腦上完成汽車引擎零組件設計，需要花費數個月時間與約50萬美元才能製造出實體原型；現在用積層製造，只要花費4天與3千美元就能完成一個可用來驗證零組件尺寸設計是否完善的原型。
類型2 直接製造
使用PBF、DED設備能直接製造出具有實際功能與強度的金屬零組件。美國GE公司、歐洲航太防衛公司（EADS FR-EAD），已完成這種新的航太零組件生產技術研發工作。
GE預期從2016年開始，將使用積層製造生產波音與空中巴士集團飛機發動機中的燃料噴嘴。與使用傳統方式製造的零件相比，新噴嘴製造成本更低，重量減少75％，使用壽命增加5倍。
此外，在製造塑膠射出用模具時，受傳統加工技術限制，內部結構設計不能太複雜。但改用積層製造後，可以設計具有複雜結構的模具，進一步改善塑膠射出製程效果。
在VP、ME型3D列印機售價快速下降後，手機外殼、燈罩、公仔等注重獨特設計與個人化，同時對材料強度要求較低的零組件與產品，也很適合以3D列印機直接製造。
類型3 備品供應
像專用製造機械、大型工程機器、精密儀器與國防武器系統等，使用期限長、價格高昂的設備，製造商與用戶必須針對部分關鍵零組件準備充分的備品，滿足長期設備維護需求。
因為無法百分之百確定甚麼時候需要、需要多少備品，如果事先生產過多備品可能造成資金與資源浪費；如果等確實需要備品時再來生產，又可能會在製造與運輸方面花費不少時間。未來採用積層製造技術準備備品，就不會有這類問題。
例如，亞洲的用戶向歐洲的設備製造廠提出備品供應需求後，製造廠可以將備品設計數位檔案傳給位於亞洲的備品補給中心，以積層製造設備完成所需的備品，再轉交給客戶。如果設備廠沒有在各地設置備品補給中心，也可以直接將備品設計數位檔案傳給用戶，由用戶透過自己的積層製造設備，或是委託附近的積層製造代工服務廠商來完成備品。
美國國防部在一項針對F-18戰機備用零件供應的評估中發現，未來如果積層製造設備成本持續降低，那麼在全國多處設置區域備品補給中心的做法，在成本與供應時間上都會比設置單一中央式備品補給中心更有利。
類型4 高價值零組件修復
航空、船舶、工程機械等高價值設備使用年限長達20至30年以上，這類設備部分機械零組件在經過長期運作後會產生腐蝕、磨損、龜裂等狀況，或是在服役期間遭遇非預期的零組件損壞，需要花費長時間修復，甚至須更新部分或整組零件。然而現在可以使用積層製造對局部受損的高價值零組件進行修復。
例如，美國F-15戰機的機翼翼樑在長期服役後出現損傷，用傳統方式修復需花費3個月，使用積層製造技術修復只需一星期。
德國西門子公司也已採用積層製造技術修復燃氣渦輪機的燃燒室，花費時間從原來的44周縮短到4周。此外，像航空發動機的渦輪葉片、軍艦螺旋槳軸系等高價值零件，都可使用積層製造技術進行修復。
積層製造相關技術、設備與材料仍在持續發展，在製造速度、物件尺寸、精確度、材料多元化等仍有改善空間，更重要是讓設備與材料價格能再降低。目前相關應用在協助產品開發的快速原型製造方面已成熟，元件與產品直接製造應用則進入成長階段。
高價值零組件修復已可行，大幅縮短修復時間。備品供應在理論上可行，現階段受限於積層製造設備成本高、機台使用不普遍，仍需視後續技術與產品發展狀況而定。這些不同類型的積層製造應用都會改變未來製造供應鏈的風貌。
當積層製造應用規模逐漸擴大後，將可能對全球製造業供應鏈產生的影響：
◆加速產品創新，縮短產品開發時 間與降低成本。
◆企業更易發展「大量客製化」與 「訂購後製造」商業模式。
◆製造業模式由過去中央式大規模 製造轉為區域式、分散式。
◆產品、零組件等長途運輸需求減
少。
◆運輸與倉儲需求由產品、零組件 轉向原材料。
◆用戶在掌握積層製造設備後也可 能成為製造者。
這些影響最終都會改變目前供應鏈中原料供應、零組件與產品製造、物流、行銷、售後服務等參與者的互動模式與地位。因此各參與者須重新檢視獲利來源與機會，並找出新的商業模式。
（本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師）
2014-05-07 01:02 工商時報 熊治民
3D列印是一種積層製造技術應用，普遍應用在協助新產品開發的快速原型製造。目前全球與積層製造應用相關設備（如3D列印機）、材料市場規模雖僅20億美元，但是透過這種新製造技術完成的零組件與產品，價值可能達到數百億美元。隨著越來越多企業、個人使用積層製造零組件與產品，市場規模將大幅成長。
積層製造的優點，包括更高的材料使用率，不需要模具，可以製造結構複雜的物件、增加產品設計彈性，更容易完成全自動化製造。從功能與應用方式來看，積層製造技術應用主要有4種類型：
類型1 產品開發
因為不需花時間先製作模具，使用積層製造可以在較短時間製作出零組件，並用來協助開發新產品。
例如，福特汽車在開發新款跑車時，為每位設計工程師配置低成本的3D列印機，協助加快驗證零組件設計結果。過去工程師在電腦上完成汽車引擎零組件設計，需要花費數個月時間與約50萬美元才能製造出實體原型；現在用積層製造，只要花費4天與3千美元就能完成一個可用來驗證零組件尺寸設計是否完善的原型。
類型2 直接製造
使用PBF、DED設備能直接製造出具有實際功能與強度的金屬零組件。美國GE公司、歐洲航太防衛公司（EADS FR-EAD），已完成這種新的航太零組件生產技術研發工作。
GE預期從2016年開始，將使用積層製造生產波音與空中巴士集團飛機發動機中的燃料噴嘴。與使用傳統方式製造的零件相比，新噴嘴製造成本更低，重量減少75％，使用壽命增加5倍。
此外，在製造塑膠射出用模具時，受傳統加工技術限制，內部結構設計不能太複雜。但改用積層製造後，可以設計具有複雜結構的模具，進一步改善塑膠射出製程效果。
在VP、ME型3D列印機售價快速下降後，手機外殼、燈罩、公仔等注重獨特設計與個人化，同時對材料強度要求較低的零組件與產品，也很適合以3D列印機直接製造。
類型3 備品供應
像專用製造機械、大型工程機器、精密儀器與國防武器系統等，使用期限長、價格高昂的設備，製造商與用戶必須針對部分關鍵零組件準備充分的備品，滿足長期設備維護需求。
因為無法百分之百確定甚麼時候需要、需要多少備品，如果事先生產過多備品可能造成資金與資源浪費；如果等確實需要備品時再來生產，又可能會在製造與運輸方面花費不少時間。未來採用積層製造技術準備備品，就不會有這類問題。
例如，亞洲的用戶向歐洲的設備製造廠提出備品供應需求後，製造廠可以將備品設計數位檔案傳給位於亞洲的備品補給中心，以積層製造設備完成所需的備品，再轉交給客戶。如果設備廠沒有在各地設置備品補給中心，也可以直接將備品設計數位檔案傳給用戶，由用戶透過自己的積層製造設備，或是委託附近的積層製造代工服務廠商來完成備品。
美國國防部在一項針對F-18戰機備用零件供應的評估中發現，未來如果積層製造設備成本持續降低，那麼在全國多處設置區域備品補給中心的做法，在成本與供應時間上都會比設置單一中央式備品補給中心更有利。
類型4 高價值零組件修復
航空、船舶、工程機械等高價值設備使用年限長達20至30年以上，這類設備部分機械零組件在經過長期運作後會產生腐蝕、磨損、龜裂等狀況，或是在服役期間遭遇非預期的零組件損壞，需要花費長時間修復，甚至須更新部分或整組零件。然而現在可以使用積層製造對局部受損的高價值零組件進行修復。
例如，美國F-15戰機的機翼翼樑在長期服役後出現損傷，用傳統方式修復需花費3個月，使用積層製造技術修復只需一星期。
德國西門子公司也已採用積層製造技術修復燃氣渦輪機的燃燒室，花費時間從原來的44周縮短到4周。此外，像航空發動機的渦輪葉片、軍艦螺旋槳軸系等高價值零件，都可使用積層製造技術進行修復。
積層製造相關技術、設備與材料仍在持續發展，在製造速度、物件尺寸、精確度、材料多元化等仍有改善空間，更重要是讓設備與材料價格能再降低。目前相關應用在協助產品開發的快速原型製造方面已成熟，元件與產品直接製造應用則進入成長階段。
高價值零組件修復已可行，大幅縮短修復時間。備品供應在理論上可行，現階段受限於積層製造設備成本高、機台使用不普遍，仍需視後續技術與產品發展狀況而定。這些不同類型的積層製造應用都會改變未來製造供應鏈的風貌。
當積層製造應用規模逐漸擴大後，將可能對全球製造業供應鏈產生的影響：
◆加速產品創新，縮短產品開發時 間與降低成本。
◆企業更易發展「大量客製化」與 「訂購後製造」商業模式。
◆製造業模式由過去中央式大規模 製造轉為區域式、分散式。
◆產品、零組件等長途運輸需求減
少。
◆運輸與倉儲需求由產品、零組件 轉向原材料。
◆用戶在掌握積層製造設備後也可 能成為製造者。
這些影響最終都會改變目前供應鏈中原料供應、零組件與產品製造、物流、行銷、售後服務等參與者的互動模式與地位。因此各參與者須重新檢視獲利來源與機會，並找出新的商業模式。
（本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師）
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