| 主編前言 |雷射與積層製造技術專輯

作者:

洪基彬

刊登日期:2021/01/27

2020年新冠疫情嚴峻,原本的國際雷射及3D列印展覽幾乎皆停辦,台灣因疫情控制得當,2020年8/18-21於南港二館如期舉辦「2020台灣3D列印暨積層製造設備展」,展出包含製造設備暨零組件、應用軟體與相關系統、3D列印耗材、製造技術、相關服務等五大項;而2020年10/21-23於南港一館則舉辦「台灣國際雷射展」,包含展覽、創意競賽、研討會及產品發表會等四大項,共有80廠商、195攤位,15,340人參訪,其中來自20國參訪者占約2.3%,有9國10家國外品牌參展;兩個國內展覽活動,讓國內雷射與積層製造的產業氛圍依舊熱絡,相對的國際產業訊息則顯隱誨,雖有些公司會開直播或線上研討會介紹,諸如3D列印設備大廠SLM,然此類單點單方向的行銷,相較展覽會場多家多元並列、互動交流,對產業訊息的交流、蒐集、綜整仍顯不足。
工研院雷射中心2020年特別委託工研院產業科技國際策略發展所進行「台灣雷射產業技術藍圖擘劃」,據其報告內容2019年全球雷射源營收約150億美元,其中工業加工應用雷射占33.6%約50.4億美元,含材料粗加工、微細加工、打標等,第二名是通訊用雷射占22.6%約33.9億美元,其他光微影占8.9%、醫療應用占8.3%、感測器與儀器占10.1%、3D列印則僅占0.4%;工業加工應用仍以鈑金切割為首宗,然光電半導體的微細加工卻相當被看好,尤其台灣半導體產業或電子產業可謂支撐台灣產業半邊天,雷射在硬脆材料如玻璃、晶圓等的切、鑽、開槽、微銲、改質、退火、曝光、檢測等,皆是先進半導體製程非雷射不可的關鍵應用技術;全球雷射產業產值2016~2018年之複合成長率達20.3%,預估2019~2015年之複合成長率為9.6%,顯現雷射產業相較傳統工具機產業,可謂令人興奮的產業,以2020年疫情下的台灣雷射產業狀況而言,從業界訪談得知整體及個別公司營收並不亞於2019年,或許是獲益於中美貿易戰及各國疫情封城所致。
1960年雷射被發明迄今60年,發源於美國,然德國、日本因有國家政策長期支持,在產業應用及產值皆有相當耀眼成效,代表性公司也頗多,諸如Trumpf、IPG、EOS、Rofin、Scanlab、三菱電機、東京精密、天田株式會社(AMADA)等,中國大陸與韓國後來也因國家政策支持,無論雷射產業或應用產業亦皆表現傑出,諸如大族激光、華工、EO TECHNICS等;其中的德國Trumpf公司為全球工具機與雷射加工設備領導廠商,2017/18年營業額達3,566百萬歐元,而其雷射相關產品占營收約60%,是ASML EUV的主要供應商,公司產品涵蓋多種雷射加工應用,包括各種切割、打標、銲接、鑽孔、積層製造等,以雷射佈局公司產品線及服務,譬如2013年推出雷射3D列印設備,提出工業4.0提供包括數位化、服務和積層製造系統的全套解決方案,2017年於芝加哥展示智慧工廠內人、機器、自動化裝置與軟體的智慧協作,近年進行電動車電池電極銲接應用與半導體矽晶圓切割技術開發,Trumpf也在芝加哥建立一個科技中心,具備55公尺長的工廠,5,500平方公尺佔地面積,投資額 2,600萬歐元,透過Trumpf自行開發的軟體TruConnect可實現智慧工廠的升級轉型,該工廠可將整條「鈑材生產鏈」智慧互聯,從委託到設計和製造再到交付,在生產廠區內,互聯的鈑材加工系統和高架倉庫作為核心部分,為與其相連的工具機自動供應物料,智慧工廠中控中心的大螢幕可即時顯示生產期間,產線各機台製程參數之資訊,從Trumpf的簡略公司發展介紹,可看出該公司以切、鑽、銲的應用為發展主軸,依據時代演進,搭配不同技術,從草創期的接觸式加工技術,出現雷射就導入非接觸式加工,因應無人化便接軌數位化與工業4.0,對台灣工具機廠商或許是一家值得借鏡的典範。
IPG Photonics成立於1990年,總部位於麻薩諸塞州的牛津,是全球高功率光纖雷射和放大器的領導者,能夠對光纖雷射的核心技術,也就是光纖和半導體泵浦二極體的性能、成本及生產進行全程控制的公司,IPG生產的高效光纖雷射、光纖放大器均不斷的進行性能革新與突破,並廣泛應用於材料加工、通訊、醫療等一系列先進領域中,公司產品包含從mW到100kW的雷射源、雷射加工系統(雷射切割、銲接、清潔、鑽孔設備)、電信設備、光放大器與雷射關鍵零組件(Diode pump lasers、繞射光柵、光學晶體)等,以內部垂直整合,完全自製研發確保品質及保護商業秘密為公司特色,因專注而成為光纖雷射翹楚的模式,是值得國內雷射源公司的借鏡,然獨自在公司內部垂直整合的做法,以台灣中小企業的規模及文化,或許有待商榷。
三菱電機株式會社創建於1921年,是引領全球市場的電機產品供應商,目前擁有146,500多名雇員,2020年營收為41,045百萬美元,在世界500強企業中排名第300名,三菱雷射加工機的強大陣容包括高生產率型、通用型和多功能型,雷射加工機的品種非常豐富,2019年在中國國際工具機展覽會(CIMT)展示靈活智能的雷射加工機,二氧化碳三維雷射加工機 ML3122VZ10-20XF具5維旋轉軸,同時控制進行加工的三維雷射加工機,被暱稱為「5軸半」工具機,「半軸」則是應用在加工頭的伸縮設計,加工更加靈活,滿足立體成型品加工市場的新需求,三菱電機三維雷射加工機從編程、準備夾具到切割出合格的產品,雷射加工機只需「數小時」就能完成原來「人工數周甚至數月」的工作量,生產效率提高極大,另外,鈑金雷射機的分揀系統ASTES4由托盤/料庫、梳妝料叉、搬運手臂、手臂工具庫構成,透過4條手臂完成材料搬入、分揀、廢料搬出、清掃加工平台的全部工作,三菱電機雖是一家公司,然其事業本部為數眾多,且各有專精,如同多家企業聯盟成三菱電機,無論雷射源、掃描頭、控制器、機器手臂、系統軟體等,皆有各自專精之處,匯整而成的雷射系統便更具特色及優異,以台灣企業現況要能匯整如三菱電機的雷射系統,恐非易事,若能有產、官、學、研共同就一系統努力,或許是可行方式。
1946 年由天田勇創立了天田(AMADA)製作所,最初主要從事鈑金機械以及切削産品的經營,1955 年開發製造了名爲 Contour 的帶鋸盤,並於1956 年開始銷售,1965 年買斷美國的 Torc-Pac 品牌以及法國的 Promecam 品牌,並以天田品牌銷售,由此“天田"進入快速發展期,並在鈑金事業中成爲世界一流品牌,近幾年透過合併雷射加工設備廠商,積極投入雷射加工設備的發展,2013年3月AMADA以100億日圓收購MIYACHI公司,MIYACHI 是電阻銲、雷射銲接、雷射打標、雷射切割、熱壓回流銲及接合設備與系統的全球領先生產商,天田推行鈑金智慧化工廠(VPSS)多年,結合軟硬體,成為鈑金工業4.0的標竿,相關研發已導入彈性設計方案,結合智慧製造達到最佳化的生產自動化,天田的發展較接近台灣工具機可借鏡的軌跡,然其國際併購模式,檢視國內工具機業者近幾年的國際併購成效,再作精進後,或有機會如同天田的模式轉型及茁壯。
EO TECHNICS為韓國雷射設備與雷射源製造商,成立於1989年,該公司初期生產雷射精刻機軸卡,經過不斷的外部合併與新產品研發,2018年營收已經超過5,000億韓圜(約新台幣131.6億元),目前產品線包括雷射加工設備與雷射源,主要營收來自半導體、顯示器、印刷電路板客戶,約占營收70%,其發展策略是透過掌握外購雷射源的核心元件與技術,進行自製雷射源達到與國際規格匹配,並透過延伸產品應用領域開拓海外市場,包括2009年合併英國Powerlase公司雷射源部門,並成立新公司Powerlase Photonics Ltd,獲得雷射源的能力,2010年合併Lux Engineering,強化系統整合能力,2011合併德國Innovavent GmbH 強化光學設計能力,該公司因專注電子產業雷射應用由國內走向海外市場的模式,是值得國內電子設備業參考的對象,且國內也有多家設備業者的技術能力與之軒輊難分,若能結合國內關鍵組件廠,或許不用併購,藉台灣電子產業豐沛的應用場域機會,便能開創優異的設備,鞏固台灣電子業在世界的地位,並開拓海外市場成為另類Applied Material、ASML。
有鑑於雷射逐漸成為光電半導體與電子產業微細加工應用的不可或缺地位,無論是PCB、矽基半導體前後段製程、化合物半導體前後段製程、Mini/Micro LED製程,所需雷射設備愈趨精密,也愈趨昂貴,對先進製程而言,其技術或設備的變異性頗大,台灣設備業者普遍以中小企業規模為主,為維持台灣電子產業在國際地位,勢需研發先進製程技術及設備,以提供應用端生產次世代產品,工研院雷射中心目前透過經濟部技術處協助,將成立「半導體與電子產業先進雷射應用服務中心」,希望能降低業者風險及成本負擔,並加速研發進度,也期望先進們可以共同參與,詳細內容可參閱本輯之「雷射產業概況與應用服務中心」說明。
透過台灣雷射及積層製造的亮眼展覽成果,工研院產業科技國際策略發展所的「台灣雷射產業技術藍圖擘劃」部分資料演繹,加上「雷射與積層製造技術專輯」的介紹,希望藉觀察國際產業態勢與研發分享共同為台灣雷射及積層製造產業的發展邁進,本期共有九篇文章,包含雷射產業概況與應用服務中心、超快雷射玻璃與金屬微焊接技術、先進載板雷射超微鑽孔技術應用發展、應用於兆赫波激發之超快雷射源技術發展、雷射擺動光斑銲接技術發展與應用趨勢、碳纖複材鋪放與雷射加熱貼合成型、高純度不鏽鋼316L粉末的製備及其3D列印、金屬粉床式融熔虛擬製造技術、靜電紡絲輔助生物列印技術等,分別針對雷射及積層製造技術的研發結果作分享,期望與讀者交流共研。

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