雖然自2011年由美國透過積層製造帶頭鼓動「第三波工業革命」，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，造成供應鏈破碎，且為加速實淨零碳排願景，都讓積層製造有機會配合這波生成式AI浪潮實現永續製造。
回顧2011年金融海嘯過後，由英國《經濟學人》雜誌等國際媒體配合美國製造業回流政策，鼓動全球正邁入「第三波工業革命」，將以積層製造（Additive Manufacturing）實現數位化製造及新型材料應用，改變整體製造產業鏈。
包括當年美國總統歐巴馬也大張旗鼓，宣布結合產學力量，啟動「先進製造夥伴聯盟」（Advanced Manufacturing Partnership；AMP）計畫，挑選出包含積層製造等11項優先投入R&D技術清單；並建立國家製造創新研究網路（National Network of Manufacturing Innovation；NNMI），投資10億美元分別成立15所製造創新結構。
研究領域包括：輕質材料、積層製造與結合巨量資料（Big data）等智慧製造，以強化美國在先進製造業研究、創新及技術的領導地位，但迄今尚未真正全面普及。
| 圖一 : 2011年金融海嘯過後，由英國《經濟學人》雜誌等國際媒體配合美國製造業回流政策，鼓動全球正邁入「第三波工業革命」，迄今尚未真正全面普及。 |
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結合國內外淨零碳排浪潮 重續積層製造商機
然而，因為積層製造特色在於達成「設計個人化、浪費極小化」，具備客製化、節能、迅速、彈性及高價效比等優點，依美國能源部估算，將比起傳統除料（減法）製造方式節能超過50%。且不須模具而賦予生產製造極大彈性，只要輸入數位設計資料，即可在極短時間內進行多次設計變更、製作測試，大幅縮短產品設計開發的時程，估計可以大量縮短鑄造產品開發時程40 %以上、降低模具或產品開發成本30%以上，提高產品的附加價值率25%以上，因此在原型設計及製造的應用占有主導地位。
加上近10年來隨著應用材料多元發展，積層製造系統在產品強度與成型精度、材料種類與製造速度推陳出新並有突破性的進展，已由原本打樣展示的原形品，進階為可直接運用的功能零件。包含航太與汽機車內裝、底盤與引擎關鍵零組件，或是具有異型水路冷卻系統的高值化模具，以及高度客製化人體植入物、醫療器械工具等複雜本體與結構體零件成功案例，可製作出具複雜形貌與孔洞的結構。皆顯示積層製造可為產業帶來實現創新與快速開發的高效益，並帶動了產業結構朝高附加價值產品發展。
隨著現今全球產業朝向高值化、綠色製造、節能省碳及縮短製造時程的趨勢下，採用積層（加法）製造，不同於傳統除料式（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勢，滿足在研發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，未燒結的金屬粉末還可回收再利用，在製作特殊結構與落實綠色環保製程方面，將是整體提升臺灣模具高值化產品與效率的絕佳展現機會。
| 圖二 : 近10年來隨著應用材料多元發展，積層製造已由原本打樣展示的原形品，進階為可直接運用的功能零件。（攝影：陳念舜） |
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納入低碳永續量化指標 涵括產品全生命週期
尤其依工研院產科國際所分析，雖然因積層製造產品結構設計自由彈性而不需要模具，僅在需要的位置給予必要的材料，隨時可按需生產（on demand），實現客製化訂製與分散式生產，多年來總是被直觀地認定為綠色製造技術，可減少材料的使用及多餘的消耗，相較於傳統製造具有環境可持續（sustainable）優勢，將可加速導入產業應用。
然而，由於產品對環境的影響，與其生命週期的各階段有關，從原物料來源、材料製備加工、產品生產製作、物流配送到使用；進一步到修復再使用、再製造、回收循環和最終報廢處置。卻也可能因為積層製造靈活性和多材料應用優勢，帶來產品回收、報廢複雜性的挑戰，成為材料供應商的難題；在生產設備的能耗與污染，也是被關注的環境議題。
因此，積層製造技術需要更嚴謹地評定與分析，而非僅從生產製造觀點來判定，考慮整個生命週期、端到端的可持續性，完整評估積層製造產業在材料、設備能耗、供應鏈、回收的整個生命週期，不需堆置大量庫存，造成產品閒置浪費之環境負擔。
目前也有積層製造生態系廠商所組成的積層製造商綠色貿易協會（Additive Manufacturer Green Trade Association），聯手各領域製造產業，合作驗證積層製造的永續性效益。透過在設計階段採用符合ISO 14040標準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準，進一步建立有價值的資訊，更精確掌握應用商機，進一步加快導入該技術應用。
其中發現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，但因為產品結構形狀之製作不受限，還可在符合結構強度要求下，進行產品輕量化之優化設計。
在相同結構強度要求下，設計成晶格型結構再進行積層製造成型的輕量化架構，將有效降低材料使用量與重量，減少供應鏈運輸的能源消耗，比起傳統方式設計和CNC加工製造的零組件更具永續性，每減重1kg相當於減省整個產品生命週期的碳排放量13,376kg。
為了解決產品全生命週期的永續性問題，讓生命週期評估工具應運而生，根據國際標準化組織（ISO）定義LCA為一種分析和確定生產鏈上環境影響的方法，進而可結合產品設計工具，以及與之環境相關資料，甚至結合數位分身（Digital twin）技術，為產品永續性提供更多可用工具。
達梭公司（Dassaull Systemes）在3D EXPERIENCE平臺上推出了新的生命週期分析解決方案，因為產品於設計階段的結果，將決定了整個生命週期對環境影響的80%，所以達梭將生命週期的永續性整合入設計平臺，將能協助客戶最大限度減少其使用的材料、創造的產品，以及製程技術對環境的影響，有助於推動循環經濟。
數位轉型無縫銜接生成式AI應用
此外，除了因積層製造與生成設計打破了傳統製造上的限制，提供了一種靈活、快速的方法來生產多個設計迭代的3D高解析度模型，從而獲得具有成本效益的終端產品。如今還要加上生成式AI的廣泛使用，造就出3D的生成式設計（Generative Design）。經由演算法創造出具有支援網格的高效有機形狀，而這種優化的造型還避免了傳統製造技術，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。
雲平臺協助模擬生成式設計、組裝提高可靠度
考量基於當今工業產品技術快速發展，且產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時間內開發創新產品。企業需要先進模擬技術因應越趨複雜的產品設計流程，同時，永續性亦已成為營運計畫中的重要考量。
在此情況下，借助結構最佳化工具，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，亦達到縮短開發週期、節約開發成本以及提高產品品質的目的，進而全面提升產品競爭力。達梭系統SIMULIA模擬分析技術發揮了跨學科研究的關鍵作用，透過多物理的方法評估產品的可靠性、合規性和成本，在研發設計過程中發揮不可或缺的作用，並廣泛應用於多個產業，無論在汽車、醫療、或高科技等領域。
達梭系統臺灣資深技術經理許欲生表示，在當今競爭日益激烈的市場中，產品設計師必須突破傳統的工作方式，未來也可能結合GAI落實於不同生產技術與產品。尤其是對於許多輕量化已成為當務之急的行業來說，透過可實現經濟高效的輕量化技術和模擬方法至關重要，有效地推動了性能優化的產品設計，同時滿足減少能源和材料需求的需求。
達梭系統即是經過統一資料的數位平臺3DEXPERIENCE，提供連接、整合和直觀捕獲設計、材料和製造、模擬分析等大量資料管理的數位雲端平臺，克服了傳統跨產品開發學科的協作困難，探索優化零件通常成本高昂的問題。可讓非專業人員只需按一下按鈕，即可根據功能規格自動產生最佳化的概念零件。
由於達梭系統從早期知識工程到生成式體驗，在設計和工程領域的持續發展，在3DEXPERIENCE平臺內實現所有跨領域知識的無縫整合，從設計、模擬到製造過程中不會因資料轉換而損失。使用CATIA驅動生成式設計的零件可以全面性驗證和協作完成；一旦設計發生變化，也會在整個過程中使用實體幾何形狀來快速更新。進而透過運行模擬，以確保零件強度和變形在公差範圍內；透過整合建模工具，可以快速創建「真實」幾何形狀，為傳統或積層製造工藝創建可製造的模型，以加速選擇最佳解決方案。
這種基於科學的生成設計方法的功能規格還可以使用關鍵性能指標，例如最小化品質和最大化剛度。透過來自任何CAD系統的建模或導入和去特徵數據，擷取所有功能規格：負載、邊界條件和連接廣泛的最佳化功能：優化質量、剛度或頻率，並考慮位移、應力和製造約束等其他輕量化工程解決方案。設計人員可以產生多個零件變體以進行比較和分析；接著協助使用者，根據所選用於銑削、鑄造或積層製造生產零件的製造流程，規劃設計概念。
| 圖三 : 達梭系統臺灣資深技術經理許欲生表示，在當今競爭日益激烈的市場中，產品設計師必須突破傳統的工作方式，未來也可能結合GAI落實於不同技術與產品。（攝影：陳念舜） |
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達梭系統SIMULIA解決方案結合多學科多重物理場軟體，包含用於結構應力分析的Abaqus、Tosca、fe-safe及Isight最佳化流程等豐富多樣的工程和科學解決方案。旗下結構優化設計軟體系統Tosca目前已被廣泛應用於汽車、航空、機械製造和加工業等眾多領域，並被Audi、BMW等汽車大廠導入，採用於進行產品虛擬開發的軟體工具。
其中Tosca Structure.topology結構拓撲最佳化，是一套可整合Abaqus、ANSYS等主流CAE軟體，求算結構最佳化外型的分析工具，用於求算產品設計的最佳概念外型，或用於修改精進既有設計外型，提高了其在工程設計流程中的應用便利性和兼容性。
具備4種強大的最佳化解決方案，分別為拓撲、形狀、條紋和尺寸最佳化的功能，可在較短的開發週期內設計輕質、堅固、耐用的零件和組件，以最大化性能，最小化材料和重量，並發現新的設計可能性。
強調一個成功的產品開發流程，應避免在各個設計階段中，誤入錯誤的設計方向。若能將Tosca強大功能導入傳統研發流程，可顛覆傳統設計流程中，先有設計外型再論效能高低的順序。可分別在一個產品的概念設計、細部設計與設計精進階段，提供有效的結構外型最佳化設計提案。
Tosca提供了非參數式最佳化解決方案，拓墣法適合用於設計前期的概念階段，對於一個須承受多重負載的輕量化設計，提供工程師一個準確的概念型體。Tosca在指定的設計空間內移除不需要的資料，以達到輕量效果。自由化形狀最佳化則可利用移動節點位置的方式，實現微調產品外形，以達到結構強化的效果。
在所設定的設計空間中，根據指定的所有載入和邊界條件計算出一個最佳的設計方案，計算出了產品的最優承載方式，為接續的細部設計打下基礎。可以進行最大化剛度或最高化自然頻率、輕量化或變型最小化；同時又滿足製造要求和設計對稱條件。通過自動化和最佳化過程幫助縮短產品從設計到市場的時間，減少材料使用和重量等成本，提高產品品質和競爭力，這對於追求快速創新的企業來說非常重要。
| 圖四 : 若能將Tosca強大功能導入傳統研發流程，可分別在一個產品的概念設計、細部設計與設計精進階段，提供有效的結構外型最佳化設計提案。（source: Dassaull Systemes） |
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結語
臺灣製造業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，帶頭重組供應鏈，更為凸顯積層製造的戰略性價值，臺灣也應積極投入研發資源，推動此促進產業創新應用與佈局的關鍵技術，加快數位減碳的雙軸轉型升級。
