技術專題主編前言｜雷射與積層製造技術專輯主編前言

雷射光谷計畫從2013年開始執行迄今，每年會規畫邀約國內廠商共同參訪國際廠商進行交流活動，2016年11月上旬一行十來人參訪德國位於科布倫次的Laserline公司、法蘭克福的2016 Formnext展、斯圖特嘉的Trumpf公司及Fraunhofer IPA （fraunhofer institute for manufacturing engineering and automation, IPA）等單位，期望透過實地參訪交流，可以讓國內業者對雷射及積層製造有更多的認識及瞭解，促成國際接軌與市場爭取。

從雷射源公司Laserline的直發二極體雷射（direct diode laser, DDL）市場營收日益蓬勃，印證DDL已漸成市場主力之一；3D列印Formnext展中各大公司積極展出金屬積層製造設備，顯示金屬積層製造應用已在航太、醫材、汽車產業開始發生產業效益，3D軟體也更多廠商投入，將使積層製造的產業鏈更趨完整；Trumpf公司的積層製造從2015年11月實地訪廠只展示雷射金屬沉積製造技術（laser metal deposition, LMD）設備成果，至今年則同時大力展示粉床熔融成型技術（powder bed fusion, PBF）設備且有三頭雷射共工，代表Trumpf已積極從雷射減法邁入加法製造，且也併購工業4.0軟體公司，已架構出系統大廠全方位的佈局；Fraunhofer IPA的積層製造結合設備研發及應用，專注生醫醫材，由其介紹及現場參觀可看出諸多創新已在IPA發芽中，其中有些內容台灣也有在做，研發速度將決定未來的競爭力，跨領域合作或許是台灣的機會。

在2016 Formnext展場同步舉辦的研討會中，有一場由Roland Berger GmbH介紹“Additive Manufacturing - next generation: study results from Roland Berger”的內容頗值得參考，該公司全球有50個據點分佈於36國共2,400人，號稱在積層製造（additive manufacturing, AM）市場評估被公認具公信力的單位，針對AM的未來研究發展（next generation, AMnx）指出，（1）迄2021年整個AM產業每年將以40%成長，其中金屬PBF仍是市場主流，德國EOS、SLM、Concept laser三家公司主導市場，（2）工程軟體未來是AM發展重要要素，值得整體產業鏈投入，（3）仿生結構及拓撲優化設計即使採用手工成分居多，亦是未來重要發展，（4）非晶系金屬材料將是未來發展重點，（5）多頭雷射及陣列式雷射將使得PBF速度大增，會持續有進展，（6） Exone的黏著劑噴塗成型技術（binder jetting, BJ）以矽沙為核，外包可溶解玻璃，未來將可成為自動化產品線，（7） EOS的模組化概念設計將可導入標準產線，依需要進行組合生產，（8）模組化的AM設備將更容易實現於工業4.0產線中，（9）AM金屬醫材應用的風險問題，如何解決醫材成品金屬粉末的殘留或釋出，是未來的重要課題，（10）AM的下一步就是如何透過整個AM流程，以創新模式讓其具特色化。

觀摩國際在雷射與積層製造技術的積極投入與成果後，反身省視我們自己，該如何做得更好更有競爭力，相信厚實基礎核心技術仍是王道；因此本期共編輯十篇文章，從市場趨勢切入，介紹DDL雷射封裝技術呼應國際發展，隨之介紹可高值化產品價值的雷射表面處理，也分享金屬積層製造技術與前瞻熔融沈積成型（fused deposition modeling, FDM）技術研發進展，最後介紹加減法複合加工的技術，讓大家更認識複合加工。

進行技術研發之前，若能瞭解標的市場資訊、專利地圖及論文發表等三面向，再評估有無投入價值及發展里程碑，應該會較穩當，「雷射產業與技術發展現況」從全球雷射市場觀點出發，進而介紹積層製造市場發展，最後反身回顧台灣本身的雷射與積層製造產業現況，並介紹國內未來研發佈局，希望提供大家可思考如何跨領域合作的參考；前面述及DDL雷射源是目前市場預測將大幅成長的雷射源之一，可能原因是高功率雷射應用於雷射鈑金加工及金屬積層製造的市場蓬勃發展，而DDL雷射源的製造生產涉及精密對位、組裝、封裝、檢測等技術，「雷射源微型精密構裝與檢測技術應用」提出一款新型非接觸式光學量測系統，用於雷射源微型精密構裝線性位移平台六自由度誤差量測，相較於市售光學量測儀器，如雷射干涉儀與自動視準儀等，此量測系統具有同時量測線性軸六自由度誤差和低成本的優勢。

精密機械元件與生醫元件在製作為產品之前，大部分需要經過表面處理，包括了拋光、熱處理等流程，雷射拋光與雷射熱處理技術被應用於精密機械元件與生醫元件已有數年之久，最常見的雷射熱處理技術為雷射滲氮法，與傳統技術比較，雷射拋光與滲氮法之製程速率較快，且材料的加工成本可顯著降低，雷射拋光與滲氮法可用於加工產品的任意區域，並且可導入自動化生產線，因此可控制加工品質的穩定性，這兩種雷射製程主要可應用於精密機械與生醫產業，「雷射金屬拋光與熱處理技術」說明雷射拋光與滲氮技術的作用機制及其應用，以及國際研發團隊與產業界針對雷射拋光與滲氮技術的發展，最後，並介紹工研院投入雷射拋光與熱處理技術之成果；“不鏽鋼”為現約一百八十餘種不同鋼種的泛用名稱，而不同種類的不鏽鋼，其抗腐蝕性、機械強度、延展性、磁性等差異相當大，以民生器皿用品來說，SUS200系列因錳元素含量高，不適宜直接接觸食物，以免造成巴金森氏症或生殖能力受損，而SUS300系列與SUS400系列則無此疑慮，因此對於消費者與業者來說，都需要一種快速簡易辨別不鏽鋼種類的方式，「無毒雷射不鏽鋼成分檢測技術」透過雷射的小區域高能量特性，利用高溫於材料表面快速生成一層有色微氧化層，讓業者或產品消費民眾得以色彩管理的方式，簡易快速地確認器皿鋼材種類，業者亦可直接於產品外觀作雷雕驗證標章，建立客戶與消費者對其產品的信賴度；隨著軟性電子產品追求輕薄的趨勢下，關鍵材料的軟性基板亦朝向輕薄化、可撓性發展，同時基板上建置複雜的多層材料結構，若仍使用傳統機械式的切割方式，軟板基板容易受機械應力造成形變導致加工出錯或是造成撕裂，影響面板與元件整體特性，因此，軟性基板切割成型一直是業界極力克服的問題，而雷射非接觸式的加工優勢極具未來產業發展優勢，「軟性基板之雷射加工應用」主要針對雷射關鍵技術應用於軟性多層基板製程加工進行介紹，包含智動化雷射光路系統、控制技術及切割成型應用等，希望有助台灣軟性基板相關產業進行技術昇級。

雷射鈑金加工應用是歐美日先進工業國家雷射產值主流，「光纖雷射切割技術原理與薄鋼板切割應用簡介」介紹雷射切割技術原理，說明影響雷射切割品質之主要因素如雷射光源特性（功率、波長、輸出模式）、聚焦方式、輔助氣體種類與氣體壓力等，其次說明500 W光纖連續式（continuous wave, CW）雷射在薄碳鋼板與薄不鏽鋼板之應用實例，並以各式切割參數分析對品質的影響；雷射銲接具有熱輸入量低、銲道寬度小、殘留應力及銲接變形量小等優勢，而被廣泛應用於各種產業，結合自動化系統，可快速的整合入現有產線之中，並大幅提高生產速度，「高功率雷射金屬銲接技術與應用」除介紹雷射銲接的基本技術原理外，亦以工研院開發的步階式能量調控技術，說明如何解決雷射銲接末端常見孔洞問題，以符合產業需求並達到快速且高品質雷射銲接，包含碳鋼、不鏽鋼、銅、鋁等材質相關雷射銲接成果。

積層製造中的選擇性雷射熔融技術（selective laser melting, SLM）可用來直接成型高緻密度、高強度且均勻金屬產品，但不易針對特定部位任意調控材料的顯微結構及所需要的機械性質，工研院所開發的光引擎技術，可動態調控積層製造製程中凝固溫度歷程，進而改變材料內部的顯微結構及機械性質，「雷射積層製造光引擎技術」利用複合光束的概念，透過調整延伸光形的能量分布，動態改變凝固過程的溫度變化，來達到選擇性調控材料特性的目的及最佳的產品需求，諸如滿足各部位結構所需最佳的硬度、韌性等機械性質，提升使用效能與產品壽命，開創醫療、航太及汽車產業產品差異化及價值；FDM是普羅大眾最熟知的3D列印技術，常因其精緻度限制，造成列印品質觀感不足，「同軸電紡積層製造技術之研究」將同軸靜電紡絲技術應用於積層製造，藉此列印出具有包覆性芯鞘形高分子線條之技術，輔以有限元素分析法進行同軸紡口電場模擬，並以聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）材料在實驗設備上進行近場電紡，已能夠列印出線寬落在數十至數百μm尺度範圍，並且具有包覆功能之線條，可藉此研究突破傳統積層造最小線寬的限制，擴大積層製造的應用領域。

先進歐美國家紛紛將雷射金屬沉積製造技術（LMD）導入航太、汽機車零組件、3C 殼件、複雜的工具本體與結構體的製造，分析LMD製程發展近程，成品雖然可直接應用於功能零組件，但仍有製造效率與尺寸精度議題，需要透過加法與減法多功能複合製程諸如DMG Laser Tec65，方能滿足應用與製造需求，「智慧雷射加減法控制與設備技術探討」針對國內外雷射金屬積層製造LMD軟硬體、加減法複合製程控制技術、製程優勢及其應用進行分享。

積層製造近期的發展趨勢如上述從Roland Berger GmbH的“Additive Manufacturing - next generation: study results from Roland Berger”指出的多種下一波機會或趨勢是很值得參考，因無論從其他資料或聽聞所得也大多指向這些方向，未來除關注Wholes Reports，應該也要多蒐集Roland Berger GmbH的研究報告，讓我們在AM領域可掌握更精準；從歐美具規模大公司相繼投入金屬AM，幾可確定不用多久此領域將進入高度競爭局面，尤其加上2017年PBF的一些基礎專利到期，未公開的廠商將相繼出現，戰況會更明朗化，在AM已成顯學且機會良好情況，台灣應該如何應戰才有機會，是值得產業界集思廣益以群體戰來思考的，且須盡速展開佈局才能搶得先機，於此同時，基礎理論的深耕仍是不可一日懈怠！