3D列印技術與日常生活的關係

作者/謝明發(任教中原大學生物醫學工程系)

近年來3D列印應用在媒體大量曝光,引起眾人的注意,例如美國現代牧場(Modern Meadow)公司看見地球消耗肉類的極限,而發展的3D列印牛肉,但仔細研究可以發現他們利用動物組織再生(或組織工程)的原理以人工方式製造肉品與皮革,由此可見這是一項結合生醫技術與工程技術的產品。在其商業模式下,他們抓住3D列印的流行話題廣泛在媒體曝光,並獲得全球資金的挹注。再舉一個例子,美國著名3D列印技術公司Stratasys的子公司Solid Concepts,利用3D列印技術製造金屬材質的手槍,他們以直接金屬雷射燒結法(Direct Metal Laser Sintering)複製美軍使用過的M1911手槍,通過實彈射擊證明3D列印槍枝並不是玩具。除了民生、食品、運輸與醫療產業,3D列印更是向下延伸到玩具產業。全球知名的樂高公司在2013年7月獲得世界專利,其專利範圍確保該公司能夠以3D列印製造現有與未來的
產品。

3D列印基本概念

3D列印也被稱為積層製造(Additive Manufacturing)或是快速原型製造(Rapid Prototyping),3D列印為民眾常用的術語,積層製造為學術或產業界的專業用語。其概念是以工具進行疊層加工製造,成為三維結構的技術,因此早期發展以機械專長的工程師或公司為主力,近年來3D列印機台技術成熟後,開始往不同製造領域或應用產業發展。積層製造的列印機必須與列印材料搭配,與列印在紙張上的印表機比較,就像是雷射印表機使用含有各色染料的碳粉、噴墨印表機使用含有色料的墨水。3D印表機的機構設計與其專屬的列印材料有關。例如製造金屬或陶瓷物件的3D印表機多半以雷射燒結法製作3D物件,塑膠物件則可以使用熱擠製或光學投影與光化學交聯材料來實現3D物件製作。在臺灣零售市場或網路賣場已經看到3D印表機市集的形成,包含臺製的熱擠製機器,具有雙色列印功能,或是販售通用規格的列印材料,也可以看到滿足自組裝需求的產品,包含印表機控制電路版或是噴嘴等關鍵零件。

全球專利分布

欲深入了解3D列印公司的發展,全球專利佈局是一項關鍵,以「3D printing」關鍵字檢索專利,並初步統計,可以發現全球專利擁有數目最多的前幾家公司,包含美國的3D Systems與Stratasys公司,及德國的EOS Electro Optical System公司等公司。有興趣的讀者可以檢索以下這幾個國際專利分類碼,並可以找到關鍵專利:B29C(以Shaping or Joint Plastics為主)、B32B(以Layered Products為主)、B41M(以Printing、Duplicating、Marking or Copying Process為主)、B22F(以Working Metallic Powder為主)或G03F(以Photomechanical Production of Textured or Patterned Surfaces為主)。當然3D列印技術專利不限於這些分類號碼底下,讀者可以深入剖析,更可以挖掘許多潛水艇專利。除了專利與學術文獻,哪邊可以找到3D列印的技術資料呢?讀者可以在許多網站上看到,例如知名網站Slideshare,以3D printing為關鍵字可以找到多達38,300筆資料(2014年10月為止),可惜的是篩選中文的資料只剩下3筆。想要初步認識3D列印的讀者可以參考維基百科(Wikipedia),以關鍵字3D printing可以找到一篇通識文章,該文章有中文版本。美國科技顧問公司Wohlers Associates是專門研究積層製造科技與發展策略,產業人士可以參考他們的市場情報。

3D列印的應用

3D列印在學術界已經廣泛被研究,知名學術期刊Rapid Prototyping Journal編輯坎貝爾(Ian Campbell)博士在2012年第18期、第4卷的緒論提到,3D列印有三個重要發展方向,包含產業與應用、材料的發展與設計思維。他表示積層製造讓過去不符生產效益,甚至不可能的設計作品,得以透過創新的製造科技來實現。為了滿足積層製造的需求或搭配積層製造的製程,材料發展具有多元性,例如本文前面提到的德國Electro Optical System公司發展能夠符合雷射燒結製程的PEEK工程塑膠材料,另外有3D列印的鈦合金材料能夠使用在傳統金屬處理製程,因此能夠適用於傳統加工與3D列印製程。現今的醫療器材還是著重在大量生產的模式,例如軟式隱形眼鏡製造時原料在射出成型模具內交聯聚合成鏡片,然而隨著3D列印技術的成熟,醫療需求的客製化也變成可行。2010年發表在著名組織工程期刊Tissue Engineering Part B第16期、第20卷,來自北京清華機械系的作者(Xiaohong Wan等人)比較傳統組織工技術與快速原型技術在體外製備人體器官,最大差異來自傳統技術無法精確製備細胞支架,因為那些技術是手工或半自動,例如溶液鑄造鹽析法(solvent-leaching)或氣體發泡法(gas-forming)等方法,而3D列印機器可以實現大量且精準的細胞支架製作。筆者從事熱擠製列印(Fused Deposition Model)骨科器材研發,我們團隊涵蓋中原醫工系與虎尾科大動機系,並分別與國軍桃園總醫院骨科合作膝關節軟骨手術技術,及林口長庚醫院整形外科合作顱顏骨修補技術,動物實驗結果發現顱顏硬骨或關節軟骨再生成果良好。2004年,美國克萊門森大學(Clemson University)醫工系博蘭(Thomas Boland)博士的團隊在Tissue Engineering期刊第10期、第9/10卷發表以立體投影術製備3D細胞支架的技術,相較於熱擠製列印,立體投影技術製備速度更快,因為每次投影一個2D平面,並以光交聯方式成形。

綜合上述內容可以理解3D列印技術,在硬體(3D印表機)與專屬材料的發展趨向成熟的情況下,列印成本已看到下降趨勢。在臺灣已經可以買到3萬元臺幣以下的列印機器,隨著友善的操控軟體圖形介面(GUI)及開源式3D繪圖軟體的普及,3D印表機走入家庭的商機也隨著成長。放眼未來,3D印表機在家庭應用的低階市場與交通運輸或醫療器材的高階市場,將有許多應用機會,因此產業的發展應該是樂觀,且可以預期的。

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