大昌證券板橋黃薏涵~【雷射 讓3D列印產業更亮麗】24小時 全天線上開戶服務 開跑囉

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2015年12月13日 工商時報葉錦清

以德國EOS塑膠水杯射出模仁為例，結合積層製造與傳統加工最具效率。圖／工研院提供

工研院結合台南市金銀珠寶商業同業公會及國內設計師設計能量，透過金屬3D列印設備直接印出，經拋光研磨及電鍍等後處理，可做出媲美傳統手工的金工飾品。圖／工研院提供

雷射發明於1960年，由於具備優良的特性，漸漸的使用於各種產業之中，例如，通訊、儲存、顯示、材料加工、醫美、儀器設備、微影、研發、軍事等等領域。在材料加工的部分，雷射有3大應用，分別為：接合、切除、成型，也就是包含了減法製造與加法製造。這是其他製造方法（模具、工具機）不可能達到的特性，也因此雷射在製造業占有一席之地。
根據Laser focus world的估計，2015全球雷射加工雷射源市場約38.3億美元，預計2018年將超越50億美元，2011～2018年均複合增長率達8.8％。由於新興國家對於雷射加工設備需求成旺盛，因此成長最快，尤其是中國，而材料加工雷射的應用不斷擴充，例如：3D列印設備快速成長，也帶動雷射的成長。另外，光學微影雷射預期將成長，由於半導體資本投資增加，也會促進雷射設備成長。

3D列印技術
過半製程使用雷射光
美國材料試驗協會於2009年將過去稱為：快速原型（RP，Rapid Prototyping） ／快速製造（RM，Rapid Manufacturing）／3DP（3D Printer）等說法，正名稱為積層製造（AM，Additive Manufacturing），並成立技術委員會訂定其相關標準。ASTM綜合研究學者將積層製造分成7大類型，包含：光聚合固化（VP，Vat Photopolymerization）技術、材料噴塗成型（MJ，Material Jetting）技術、黏著劑噴塗成型（BJ，Binder Jetting）技術、材料擠製成型（ME，Material Extrusion）技術、粉體熔化成型（PBF，Powder Bed Fusion）技術、疊層製造成型（SL，Sheet Lamination）技術與直接能量沉積（Directed Energy Deposition）技術。
在這7項技術中，有4項技術需要使用雷射，在光聚合固化技術，雷射是選擇性使用，也可以使用LED當光源；粉體熔化成型技術也有廠商使用電子束技術，但以雷射為主要的成型技術；疊層製造成型技術與直接能量沉積技術一定要使用雷射光為加工光源。
雷射相關製程
占3D列印產值6成
根據Wohlers的統計，2014年全球3D列印產值大約達41億美元。IEK根據產值與IDTechEx對於每一項技術製程的占比推估，其中與DED製程占6.4％，SL製程占2.8％，VP製程占27％（估計有2分之1使用雷射），PBF製程占45.3％（估計有5分之4使用雷射），所以雷射相關的製程技術約占60％，相當於雷射製成相關的市場達24億美元。
預計2025年整體市場將超過200億美元，其中與DED製程占3.2％，SL製程占0.8％，VP製程占24.7％（估計有3分之1使用雷射），PBF製程占51.2％（估計有5分之4使用雷射），雷射相關製程大致占近55％，所以雷射製程技術大致上有110億美元的市場。
新舊技術並用
縮短成型所需週期
現行模具以傳統加工方式有許多限制，在模具設計分析上雖有專業冷卻水路最佳化的軟體，可模擬出最佳的流道設計與有效評估模具積熱問題，但在實際加工時受限於傳統加工的限制，無法生產出按照模擬分析的最佳結果，造成水路無法冷卻到高深寬比以及位於角落的積熱區域，同時傳統式水路也較難完全浮貼著產品幾何外型分布。以雷射積層製造配合專業模流分析與3D水路設計，可克服傳統加工製造模具的問題，其異形水路能依照產品幾何外型而設計，使水路有效散熱，降低熱點的發生，避免產品因積熱而導致的熱變形問題，同時也縮短成型所需週期與提升製作品質。
以全球PBF製程設備領導廠商，德國EOS提供之塑膠杯射出模具製作為例，整合雷射積層與傳統加工製作，大量製造水杯的塑膠射出模仁，可知加入內部貼附其形貌之異形水路後，必定可提高其冷卻效率縮短其脫模時間，但所製作的模具特徵包含結構單純的基座以及內含異形水路的部分，若整個模仁製作流程都採用積層製造技術製作，將拉長整個製作時程。
因此最有效率的加工方法，便是整合積層製造技術與傳統加工技術，先以傳統加工技術將結構單純的基座完成，並預留積層製造可長出的平面，將基座鎖附在積層製造的底板上，以一層一層雷射燒結的方式將內含異形水路的部分燒結在基座上，最後成形表面再以拋光後處理，此整合製作方式可減少製作成本並加快製作時間。可達成之成效為模具製作時間為35小時，模次週期時間減少42.5％（從24秒降至13.8秒）。

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