雖然自2011年由美國透過積層製造帶頭鼓動(dòng)「第三波工業(yè)革命」，至今仍未能真正全面普及。但隨著近年來COVID-19疫情、美中、俄烏等地緣政治衝突，造成供應(yīng)鏈破碎，且為加速實(shí)淨(jìng)零碳排願(yuàn)景，都讓積層製造有機(jī)會(huì)配合這波生成式AI浪潮實(shí)現(xiàn)永續(xù)製造。

回顧2011年金融海嘯過後，由英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜誌等國際媒體配合美國製造業(yè)回流政策，鼓動(dòng)全球正邁入「第三波工業(yè)革命」，將以積層製造（Additive Manufacturing）實(shí)現(xiàn)數(shù)位化製造及新型材料應(yīng)用，改變整體製造產(chǎn)業(yè)鏈。

包括當(dāng)年美國總統(tǒng)歐巴馬也大張旗鼓，宣布結(jié)合產(chǎn)學(xué)力量，啟動(dòng)「先進(jìn)製造夥伴聯(lián)盟」（Advanced Manufacturing Partnership；AMP）計(jì)畫，挑選出包含積層製造等11項(xiàng)優(yōu)先投入R&D技術(shù)清單；並建立國家製造創(chuàng)新研究網(wǎng)路（National Network of Manufacturing Innovation；NNMI），投資10億美元分別成立15所製造創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。

研究領(lǐng)域包括：輕質(zhì)材料、積層製造與結(jié)合巨量資料（Big data）等智慧製造，以強(qiáng)化美國在先進(jìn)製造業(yè)研究、創(chuàng)新及技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位，但迄今尚未真正全面普及。

圖一 : 2011年金融海嘯過後，由英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜誌等國際媒體配合美國製造業(yè)回流政策，鼓動(dòng)全球正邁入「第三波工業(yè)革命」，迄今尚未真正全面普及。

結(jié)合國內(nèi)外淨(jìng)零碳排浪潮 重續(xù)積層製造商機(jī)

然而，因?yàn)榉e層製造特色在於達(dá)成「設(shè)計(jì)個(gè)人化、浪費(fèi)極小化」，具備客製化、節(jié)能、迅速、彈性及高價(jià)效比等優(yōu)點(diǎn)，依美國能源部估算，將比起傳統(tǒng)除料（減法）製造方式節(jié)能超過50%。且不須模具而賦予生產(chǎn)製造極大彈性，只要輸入數(shù)位設(shè)計(jì)資料，即可在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次設(shè)計(jì)變更、製作測試，大幅縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)程，估計(jì)可以大量縮短鑄造產(chǎn)品開發(fā)時(shí)程40 %以上、降低模具或產(chǎn)品開發(fā)成本30%以上，提高產(chǎn)品的附加價(jià)值率25%以上，因此在原型設(shè)計(jì)及製造的應(yīng)用占有主導(dǎo)地位。

加上近10年來隨著應(yīng)用材料多元發(fā)展，積層製造系統(tǒng)在產(chǎn)品強(qiáng)度與成型精度、材料種類與製造速度推陳出新並有突破性的進(jìn)展，已由原本打樣展示的原形品，進(jìn)階為可直接運(yùn)用的功能零件。包含航太與汽機(jī)車內(nèi)裝、底盤與引擎關(guān)鍵零組件，或是具有異型水路冷卻系統(tǒng)的高值化模具，以及高度客製化人體植入物、醫(yī)療器械工具等複雜本體與結(jié)構(gòu)體零件成功案例，可製作出具複雜形貌與孔洞的結(jié)構(gòu)。皆顯示積層製造可為產(chǎn)業(yè)帶來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與快速開發(fā)的高效益，並帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)朝高附加價(jià)值產(chǎn)品發(fā)展。

隨著現(xiàn)今全球產(chǎn)業(yè)朝向高值化、綠色製造、節(jié)能省碳及縮短製造時(shí)程的趨勢下，採用積層（加法）製造，不同於傳統(tǒng)除料式（減法）加工，更具有材料多元化、模型組合彈性化與製程低成本等優(yōu)勢，滿足在研發(fā)階段少批量或大量客製化的市場需求。且因加工過程無刀具耗損、不必添加冷卻液，未燒結(jié)的金屬粉末還可回收再利用，在製作特殊結(jié)構(gòu)與落實(shí)綠色環(huán)保製程方面，將是整體提升臺灣模具高值化產(chǎn)品與效率的絕佳展現(xiàn)機(jī)會(huì)。

圖二 : 近10年來隨著應(yīng)用材料多元發(fā)展，積層製造已由原本打樣展示的原形品，進(jìn)階為可直接運(yùn)用的功能零件。（攝影：陳念舜）

納入低碳永續(xù)量化指標(biāo)　涵括產(chǎn)品全生命週期

尤其依工研院產(chǎn)科國際所分析，雖然因積層製造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由彈性而不需要模具，僅在需要的位置給予必要的材料，隨時(shí)可按需生產(chǎn)（on demand），實(shí)現(xiàn)客製化訂製與分散式生產(chǎn)，多年來總是被直觀地認(rèn)定為綠色製造技術(shù)，可減少材料的使用及多餘的消耗，相較於傳統(tǒng)製造具有環(huán)境可持續(xù)（sustainable）優(yōu)勢，將可加速導(dǎo)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

然而，由於產(chǎn)品對環(huán)境的影響，與其生命週期的各階段有關(guān)，從原物料來源、材料製備加工、產(chǎn)品生產(chǎn)製作、物流配送到使用；進(jìn)一步到修復(fù)再使用、再製造、回收循環(huán)和最終報(bào)廢處置。卻也可能因?yàn)榉e層製造靈活性和多材料應(yīng)用優(yōu)勢，帶來產(chǎn)品回收、報(bào)廢複雜性的挑戰(zhàn)，成為材料供應(yīng)商的難題；在生產(chǎn)設(shè)備的能耗與污染，也是被關(guān)注的環(huán)境議題。

因此，積層製造技術(shù)需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦u定與分析，而非僅從生產(chǎn)製造觀點(diǎn)來判定，考慮整個(gè)生命週期、端到端的可持續(xù)性，完整評估積層製造產(chǎn)業(yè)在材料、設(shè)備能耗、供應(yīng)鏈、回收的整個(gè)生命週期，不需堆置大量庫存，造成產(chǎn)品閒置浪費(fèi)之環(huán)境負(fù)擔(dān)。

目前也有積層製造生態(tài)系廠商所組成的積層製造商綠色貿(mào)易協(xié)會(huì)（Additive Manufacturer Green Trade Association），聯(lián)手各領(lǐng)域製造產(chǎn)業(yè)，合作驗(yàn)證積層製造的永續(xù)性效益。透過在設(shè)計(jì)階段採用符合ISO 14040標(biāo)準(zhǔn)的生命週期評估分析解決方案（Life cycle assessment；LCA），為積層製造廠商提供較具公信力的分析方法與標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步建立有價(jià)值的資訊，更精確掌握應(yīng)用商機(jī)，進(jìn)一步加快導(dǎo)入該技術(shù)應(yīng)用。

其中發(fā)現(xiàn)雖然在某些製程使用雷射粉床融合成型（Laser powder bed fusion；LPBF）積層製造方法所需能耗較多，但因?yàn)楫a(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀之製作不受限，還可在符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求下，進(jìn)行產(chǎn)品輕量化之優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在相同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求下，設(shè)計(jì)成晶格型結(jié)構(gòu)再進(jìn)行積層製造成型的輕量化架構(gòu)，將有效降低材料使用量與重量，減少供應(yīng)鏈運(yùn)輸?shù)哪茉聪模绕饌鹘y(tǒng)方式設(shè)計(jì)和CNC加工製造的零組件更具永續(xù)性，每減重1kg相當(dāng)於減省整個(gè)產(chǎn)品生命週期的碳排放量13,376kg。

為了解決產(chǎn)品全生命週期的永續(xù)性問題，讓生命週期評估工具應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定義LCA為一種分析和確定生產(chǎn)鏈上環(huán)境影響的方法，進(jìn)而可結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具，以及與之環(huán)境相關(guān)資料，甚至結(jié)合數(shù)位分身（Digital twin）技術(shù)，為產(chǎn)品永續(xù)性提供更多可用工具。

達(dá)梭公司（Dassaull Systemes）在3D EXPERIENCE平臺上推出了新的生命週期分析解決方案，因?yàn)楫a(chǎn)品於設(shè)計(jì)階段的結(jié)果，將決定了整個(gè)生命週期對環(huán)境影響的80%，所以達(dá)梭將生命週期的永續(xù)性整合入設(shè)計(jì)平臺，將能協(xié)助客戶最大限度減少其使用的材料、創(chuàng)造的產(chǎn)品，以及製程技術(shù)對環(huán)境的影響，有助於推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

數(shù)位轉(zhuǎn)型無縫銜接生成式AI應(yīng)用

此外，除了因積層製造與生成設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)製造上的限制，提供了一種靈活、快速的方法來生產(chǎn)多個(gè)設(shè)計(jì)迭代的3D高解析度模型，從而獲得具有成本效益的終端產(chǎn)品。如今還要加上生成式AI的廣泛使用，造就出3D的生成式設(shè)計(jì)（Generative Design）。經(jīng)由演算法創(chuàng)造出具有支援網(wǎng)格的高效有機(jī)形狀，而這種優(yōu)化的造型還避免了傳統(tǒng)製造技術(shù)，如射出成型或CNC切削/成型等減材製造工具，容易存在成本高昂，甚至無法製造的困難。

雲(yún)平臺協(xié)助模擬生成式設(shè)計(jì)、組裝提高可靠度

考量基於當(dāng)今工業(yè)產(chǎn)品技術(shù)快速發(fā)展，且產(chǎn)品複雜程度也越來越高，面對愈加激烈的市場競爭，工程師渴望在最短的開發(fā)時(shí)間內(nèi)開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品。企業(yè)需要先進(jìn)模擬技術(shù)因應(yīng)越趨複雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，同時(shí)，永續(xù)性亦已成為營運(yùn)計(jì)畫中的重要考量。

在此情況下，借助結(jié)構(gòu)最佳化工具，能夠在考慮安全性、舒適性、性能、效率、耐用性和靈活性的同時(shí)，亦達(dá)到縮短開發(fā)週期、節(jié)約開發(fā)成本以及提高產(chǎn)品品質(zhì)的目的，進(jìn)而全面提升產(chǎn)品競爭力。達(dá)梭系統(tǒng)SIMULIA模擬分析技術(shù)發(fā)揮了跨學(xué)科研究的關(guān)鍵作用，透過多物理的方法評估產(chǎn)品的可靠性、合規(guī)性和成本，在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮不可或缺的作用，並廣泛應(yīng)用於多個(gè)產(chǎn)業(yè)，無論在汽車、醫(yī)療、或高科技等領(lǐng)域。

達(dá)梭系統(tǒng)臺灣資深技術(shù)經(jīng)理許欲生表示，在當(dāng)今競爭日益激烈的市場中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須突破傳統(tǒng)的工作方式，未來也可能結(jié)合GAI落實(shí)於不同生產(chǎn)技術(shù)與產(chǎn)品。尤其是對於許多輕量化已成為當(dāng)務(wù)之急的行業(yè)來說，透過可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的輕量化技術(shù)和模擬方法至關(guān)重要，有效地推動(dòng)了性能優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足減少能源和材料需求的需求。

達(dá)梭系統(tǒng)即是經(jīng)過統(tǒng)一資料的數(shù)位平臺3DEXPERIENCE，提供連接、整合和直觀捕獲設(shè)計(jì)、材料和製造、模擬分析等大量資料管理的數(shù)位雲(yún)端平臺，克服了傳統(tǒng)跨產(chǎn)品開發(fā)學(xué)科的協(xié)作困難，探索優(yōu)化零件通常成本高昂的問題。可讓非專業(yè)人員只需按一下按鈕，即可根據(jù)功能規(guī)格自動(dòng)產(chǎn)生最佳化的概念零件。

由於達(dá)梭系統(tǒng)從早期知識工程到生成式體驗(yàn)，在設(shè)計(jì)和工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，在3DEXPERIENCE平臺內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有跨領(lǐng)域知識的無縫整合，從設(shè)計(jì)、模擬到製造過程中不會(huì)因資料轉(zhuǎn)換而損失。使用CATIA驅(qū)動(dòng)生成式設(shè)計(jì)的零件可以全面性驗(yàn)證和協(xié)作完成；一旦設(shè)計(jì)發(fā)生變化，也會(huì)在整個(gè)過程中使用實(shí)體幾何形狀來快速更新。進(jìn)而透過運(yùn)行模擬，以確保零件強(qiáng)度和變形在公差範(fàn)圍內(nèi)；透過整合建模工具，可以快速創(chuàng)建「真實(shí)」幾何形狀，為傳統(tǒng)或積層製造工藝創(chuàng)建可製造的模型，以加速選擇最佳解決方案。

這種基於科學(xué)的生成設(shè)計(jì)方法的功能規(guī)格還可以使用關(guān)鍵性能指標(biāo)，例如最小化品質(zhì)和最大化剛度。透過來自任何CAD系統(tǒng)的建模或?qū)牒腿ヌ蒯鐢?shù)據(jù)，擷取所有功能規(guī)格：負(fù)載、邊界條件和連接廣泛的最佳化功能：優(yōu)化質(zhì)量、剛度或頻率，並考慮位移、應(yīng)力和製造約束等其他輕量化工程解決方案。設(shè)計(jì)人員可以產(chǎn)生多個(gè)零件變體以進(jìn)行比較和分析；接著協(xié)助使用者，根據(jù)所選用於銑削、鑄造或積層製造生產(chǎn)零件的製造流程，規(guī)劃設(shè)計(jì)概念。

圖三 : 達(dá)梭系統(tǒng)臺灣資深技術(shù)經(jīng)理許欲生表示，在當(dāng)今競爭日益激烈的市場中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師必須突破傳統(tǒng)的工作方式，未來也可能結(jié)合GAI落實(shí)於不同技術(shù)與產(chǎn)品。（攝影：陳念舜）

達(dá)梭系統(tǒng)SIMULIA解決方案結(jié)合多學(xué)科多重物理場軟體，包含用於結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的Abaqus、Tosca、fe-safe及Isight最佳化流程等豐富多樣的工程和科學(xué)解決方案。旗下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟體系統(tǒng)Tosca目前已被廣泛應(yīng)用於汽車、航空、機(jī)械製造和加工業(yè)等眾多領(lǐng)域，並被Audi、BMW等汽車大廠導(dǎo)入，採用於進(jìn)行產(chǎn)品虛擬開發(fā)的軟體工具。

其中Tosca Structure.topology結(jié)構(gòu)拓?fù)渥罴鸦且惶卓烧螦baqus、ANSYS等主流CAE軟體，求算結(jié)構(gòu)最佳化外型的分析工具，用於求算產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最佳概念外型，或用於修改精進(jìn)既有設(shè)計(jì)外型，提高了其在工程設(shè)計(jì)流程中的應(yīng)用便利性和兼容性。

具備4種強(qiáng)大的最佳化解決方案，分別為拓?fù)洹⑿螤睢l紋和尺寸最佳化的功能，可在較短的開發(fā)週期內(nèi)設(shè)計(jì)輕質(zhì)、堅(jiān)固、耐用的零件和組件，以最大化性能，最小化材料和重量，並發(fā)現(xiàn)新的設(shè)計(jì)可能性。

強(qiáng)調(diào)一個(gè)成功的產(chǎn)品開發(fā)流程，應(yīng)避免在各個(gè)設(shè)計(jì)階段中，誤入錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)方向。若能將Tosca強(qiáng)大功能導(dǎo)入傳統(tǒng)研發(fā)流程，可顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，先有設(shè)計(jì)外型再論效能高低的順序。可分別在一個(gè)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、細(xì)部設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)精進(jìn)階段，提供有效的結(jié)構(gòu)外型最佳化設(shè)計(jì)提案。

Tosca提供了非參數(shù)式最佳化解決方案，拓墣法適合用於設(shè)計(jì)前期的概念階段，對於一個(gè)須承受多重負(fù)載的輕量化設(shè)計(jì)，提供工程師一個(gè)準(zhǔn)確的概念型體。Tosca在指定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)移除不需要的資料，以達(dá)到輕量效果。自由化形狀最佳化則可利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置的方式，實(shí)現(xiàn)微調(diào)產(chǎn)品外形，以達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的效果。

在所設(shè)定的設(shè)計(jì)空間中，根據(jù)指定的所有載入和邊界條件計(jì)算出一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案，計(jì)算出了產(chǎn)品的最優(yōu)承載方式，為接續(xù)的細(xì)部設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。可以進(jìn)行最大化剛度或最高化自然頻率、輕量化或變型最小化；同時(shí)又滿足製造要求和設(shè)計(jì)對稱條件。通過自動(dòng)化和最佳化過程幫助縮短產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到市場的時(shí)間，減少材料使用和重量等成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和競爭力，這對於追求快速創(chuàng)新的企業(yè)來說非常重要。

圖四 : 若能將Tosca強(qiáng)大功能導(dǎo)入傳統(tǒng)研發(fā)流程，可分別在一個(gè)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、細(xì)部設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)精進(jìn)階段，提供有效的結(jié)構(gòu)外型最佳化設(shè)計(jì)提案。（source: Dassaull Systemes）

結(jié)語

臺灣製造業(yè)長期仰賴大量代工模式，雖在全球製造市場占有一席之地，卻因此陷入營運(yùn)低毛利劣勢。面對近年來由美國掀起地緣政治衝突，帶頭重組供應(yīng)鏈，更為凸顯積層製造的戰(zhàn)略性價(jià)值，臺灣也應(yīng)積極投入研發(fā)資源，推動(dòng)此促進(jìn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用與佈局的關(guān)鍵技術(shù)，加快數(shù)位減碳的雙軸轉(zhuǎn)型升級。