產業脈動｜智慧製造與積層製造發展趨勢分析

摘要

由於消費市場結構變化、產品研發與生產需求轉變、製造板塊轉移與重組、技術創新與新的生產方案、國家經濟與產業政策等因素，類似智慧製造概念的工業4.0因應而生，全球製造業刮起一陣智慧製造的旋風。智慧製造終究不過是一個手段或者是方法，主要的還是要提升企業的競爭力。積層製造不僅僅是達成智慧製造的關鍵技術之一，更是能夠實現客製化產品的重要技術。目前積層製造已經漸漸的從快速試製品要跨入製造關鍵零組件，與直接生產產品，但仍須克服一些生產上的弱點，不論是在生產速度或者是成本的降低上，都有廠商投入大量的資源去改進。
Abstract：With the change of customer market structure, ways in conducting product R&D, requirements in production, technology innovations and new manufacturing methods, and concept of smart manufacturing similar to Industry 4.0 are all required to change accordingly. Along with global trend in smart manufacturing in transforming traditional manufacturing methods, it is understood that the smart manufacturing technologies are not the only method but a suitable method in leveraging company’s competitiveness.  In the smart manufacturing, the additive manufacturing has become one of the key technologies to achieve the goal smart manufacturing, primary due to its advantages in digitizing manufacturing processes from traditional methods and in accommodating mass customization for products.  At present, the use of additive manufacturing technologies in manufacturing have been gradually shifted from rapid prototyping of key components to direct production and manufacturing of customized products.   In this article, its pros and cons in the context of production speed and cost, as well as its R&D trend and business opportunities will be discussed.

關鍵詞：智慧製造、積層製造、3D列印
Keywords：Smart manufacturing, Additive manufacturing, 3D printing

全球製造業變革與重大趨勢

在進入21世紀後，全球製造業受到經濟、社會、環境、政策與技術等構面影響，進而在市場需求與生產體系上，都對製造業發展產生重大影響；同時也促使機械產業必須持續進行改革，來因應這些變化。引發全球製造業變革的重大趨勢包括如圖1所示

1.消費市場結構變化

全球產品消費市場在消費人口結構與消費模式兩方面都出現重大變化。在消費人口結構上，歐美日等既有的已開發國家普遍面臨人口老化與少子化問題；而中國、印度、東南亞、中東、東歐、中南美洲等諸多新興國家受惠於經濟持續發展，中產階級人口快速增加，並衍生出可觀的購買力。此外像伊斯蘭、素食與養生、銀髮健康照護等多元文化與特殊需求市場也快速興起，這些都是全球消費市場發展帶來重大影響。

另一方面，資通訊軟硬體快速發展與普及應用，也對傳統消費市場與消費模式產生重大改變。從電子商務到新零售，從大量客製化到線上支付；透過資通訊方案所衍生出的採購與付款模式，已經大幅改變整體供應鏈形貌。涵蓋產品設計、原物料採購、零組件與產品生產、貨物銷售與物流運送，甚至是售後服務，這些跨企業水平價值活動運作方式都需要配合改變。

2.產品研發與生產需求轉變

市場需求改變是促使生產變化的最重要因素。當個人化、個性化產品當道，大量客製化與少量多樣生產需求成為客戶下單常態時，製造業必須在設計與生產兩方面提出對策。為了滿足多變的市場需求，各種產品類型必須不斷推陳出新，因此縮短產品研發設計週期成為迫切需要解決的問題。為了滿足個人化、個性化等大量客製化生產需求，製造商必須在生產方式、設備與管理方面尋求新的解決方案。彈性生產能力，透明的供應鏈資訊，以及為滿足永續生產及客戶對碳足跡控制訴求而衍生出的節能減碳需求，都強烈的要求製造業者必須在產品研發與生產方案上做出變革。

3.技術創新與新的生產方案

新技術與產品、服務創新是促進製造業生產能力變革的重要驅動力。從2000年以來，諸多智慧科技與先進製造技術發展，正逐步改變傳統的製造體系。感測器(Sensor)、物聯網(Internet of Things，IoT)，雲端運算與服務平台(Cloud)，巨量資料(Big Data)，人工智慧(AI)，智慧機器人(Smart Robot)，擴增實境/虛擬實境/混合實境(AR，Augmented Reality/VR，Virtual Reality /MR ，Mixed Reality)，積層製造(3D列印)等技術，成為智慧生產體系實現感知與資料擷取、資訊連結、資料分析與決策，以及實體生產程序效能改善的核心利器。

4.製造板塊轉移與重組

繼中國大陸成為世界工廠之後，東歐諸國，土耳其與俄羅斯，印度與巴基斯坦，東南亞國家紛紛透過發展製造業來促進本國經濟成長。而原有的歐美日韓等主要製造國家，則透過企業跨國投資，在關鍵原物料與零組件、核心研發技術與生產設備，以及行銷通路及智慧財產權上進行全球化佈局。這些都促使全球製造板塊在近二十年持續地出現轉移與重組。

5.國家經濟與產業政策

歐美日等國家，從1980年代開始，受到製造業外移影響，使就業機會與結構出現重大改變。進入21世紀後，有感於中國製造與其他新興國家製造業發展對本國貿易經濟與勞工就業所產生的衝擊，美國、英國、日本等國家開始重新思考製造業發展對國家經濟與國民就業的影響，並企圖透過各種激勵政策鞏固國內製造業優勢，並吸引過去外移的企業重回本國建立生產體系，甚至是進一步吸引國外企業來本國投資。

2013年，德國為鞏固本國在諸多製造業與機械、電機設備領域的全球領先地位，並創造未來30年的新一波競爭優勢，提出工業4.0(Industry 4.0)政策。而美國前總統歐巴馬任職期間，為了促進新技術發展及協助美國產業界將創新技術研發成果商業化，並創造更多的就業機會，提出先進製造夥伴計畫(AMP，Advanced Manufacturing Partnership)。AMP政策規劃發展許多與先進製造及智慧製造相關的技術研發項目，並設置相對應的創新研究院，包括積層製造、數位製造、智慧製造、先進機器人等。川普總統上台後，也提出美國製造(American Make)政策，鼓勵美國企業的全球供應鏈回美設廠。

日本政府在近年來也陸續規劃多項政策與研發計畫，希望透過智慧機器人、積層製造、工業物聯網、人工智慧等技術研發與產業創新應用，重新強化日本製造業全球競爭力。已成為世界工廠的中國，也在2015年提出「中國製造2025」規劃。這是中國大陸希望在建國100年時成為全球實質強國的第一個十年計畫。中國希望透過智慧製造發展與應用，全面改善其製造業結構與競爭力，在品質與創新兩方面都能達到德美日等先進國家水準。

2019年2月5日，德國聯邦經濟事務與能源部(Bundesministerium für Wirtschaft und Energie)發佈”國家工業策略2030”草案，旨在有針對性地扶持重點工業領域，提高工業產值，保證德國工業在歐洲乃至全球的競爭力。該策略將鋼鐵銅鋁、化工、機械、汽車、光學、醫療器械、綠色科技、國防、航太和3D列印等十個工業領域列為「關鍵工業部門」，認為這是德國製造的核心。

圖1　影響全球製造業變革的關鍵因素