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2019年8月
3D打印新紀元

自1986年第一台商業用3D打印機面世以來,3D打印技術日漸成熟及專業化,技術除見於工商業外,更採用於醫療、航天、軍事及建造等不同領域,更被形容為新世紀的工業革命。

 

何冠寰:3D打印新紀元 應用廣、規模巨

上世紀80年代發明、90年代興起的先進快速成形技術,今天的3D打印已廣泛應用於模具製造、工業設計、醫學整形等不同領域,並不斷推陳出新。據環球業界估計,單是涵蓋3D打印機、打印物料及各式軟件設計等全球直接市場的規模,至2028年將達220億美元,香港宜加強相關的人才培訓,抓緊箇中機遇。

 

香港在3D打印技術應用方面,現處於亞洲的領先地位。不過,香港三維打印協會副會長何冠寰指出,鄰近國家及地區正銳意推動相關技術的發展,近年已有急起直追之勢,若本港在培訓及推廣應用等各方面稍有鬆懈,便會被其他地區所超越,失去優勢。

 

朝精密及個人化發展

“以往工業界是3D打印技術的主要用家,多用於原型設計,特別是模具製造方面,藉以優化工廠生產項目。”何冠寰補充,由於本港工業的應用層面,由昔日集中於被動的OEM(原設備製造)批量生產,到其後的ODM(原設計生產)及消費產業,如珠寶及服務設計等項目,種類和範疇難免有所局限,令這項技術未能取得突破。 前瞻3D打印的未來發展方向,何冠寰認為技術將朝向兩大領域繼續發展:其一是精密化,其二是個人化。兩者可分開發展,也可互相結合,料可成為未來所有行業的重要推動力。“3D打印可透過電腦設計輔助CAD功能及掃瞄,進行快速原型製造,具有相當高的幾何精密度,故現已逐步應用於航天、汽車及醫療等精密產業,未來發展可期。”

 

醫療3D打印效益大

香港三維打印協會去年中曾赴台灣考察,何冠寰對參觀醫療打印的應用項目印象殊深,常見應用於手術輔助、手術修補物和輔具製作三方面。“以輔具製作為例,已有科學家嘗試採用3D打印技術,成功複製出部分人體器官。事實上,這是一個發展潛力優厚的市場,據內地業界估計,內地3D打印醫療市場的規模,至2024年將達97億元人民幣。

 

放眼香港,近年既有國際醫學院在本地成立科研基地,而科學園也通過籌建醫療科技平台,冀吸引更多研發機構落戶於此。何冠寰期望,政府若留意到3D打印醫療能帶來豐厚的經濟回報,便要大力支持,並將有關技術的發展與本港的經濟優勢結合,從而帶來可觀的經濟效益。

 

強化3D打印技術和人才

何冠寰樂見政府近年積極推動科研發展,更致力透過科技人才入境計劃,引進專才,他相信這對推展3D打印技術確實可發揮重要作用,當局亦應在吸引及鼓勵科技型生產企業進駐香港作出更大努力。隨着新科技園在蓮塘興建的計劃展開,亦可望掃除如土地限制等障礙。

 

“現時本港教育機構尚未設立3D打印的專科,就相關人才及技術的培養仍須努力。何冠寰期望,未來除了有需要加強在大學及大專院校的專業培訓,為業界帶來更多兼具知識與應用技能的人才之餘,當局也應在中小學引入3D打印及應用的課程,如同推動STEM(科學、科技、工程及數學)教育一樣,讓青少年可及早接觸有關技術,奠下一定基礎,同時啟發他們的興趣與潛能,為日後投身業界作好準備。

 

 

陳世祈:納米3D打印造福醫療

3D打印技術近年愈趨成熟及專業化,更在多個不同領域不斷取得突破。香港中文大學工程學院機械與自動化工程學系教授陳世祈及其團隊,去年底成功研發全球首部3D顯微鏡與納米3D打印機,料可進一步推動仿真生物支架等在醫學範疇上的應用,引領醫療技術發展邁向新里程。

 

3D打印技術約於上世紀80年代出現,經科研人員不斷創新,除工業項目外,3D打印技術應用範圍更廣及不同領域。陳世祈坦言,3D打印技術的發展日趨精進,而企業普遍着重研發商用層面的技術和產品,例如打印汽車及房屋等大型項目;相對而言,他指大學科研團隊礙於空間,加上並非商業機構,故毋須以賺取最大利潤為目標,因而可將研究範圍集中在惠及公眾的項目上,如專研精準度及打印速度全面提升的納米3D打印機,冀用於改善人類的醫療發展。

 

速度與質素俱提升

由陳世祈率團隊開發的納米3D打印機Nano-Builder,於去年底獲得有“創科界奧斯卡”稱譽的“R&D 100年獎”嘉許,並入選“2018年全球百大創新發明”,充分體現他們在相關研究方向上,獲得重大的技術突破和認同。

 

陳世祈闡釋:“傳統3D打印技術採用由物件底部掃瞄至頂端的方式,逐層處理。換言之,必須完成一層,才再往上打印,一旦打印物件內有中空設計,更要在空隙位置預先放置支撐物料,令打印時間延長之餘,也容易造成物料浪費。”他與其團隊遂致力對症下藥,研發出採用數碼全息雷射掃瞄及光束整形技術的“數碼全息納米3D打印機”,成功突破時間、空間、靈活度及解像度等重重限制,同步提升打印速度與質素。

 

提到Nano-Builder的獨特優勢,陳世祈表示,數碼全息雷射掃瞄及光束整形技術可透過22.7kHz高速進行多焦點掃描,即每秒22,700次頻率,較逐層掃描、逐層建構的單焦點傳統3D打印模式,提升最高達100倍的速度。此外,有別於現時多焦點掃瞄普遍存在質素及精細度不足等缺點,Nano-Builder可打印納米級別的物件,其精細度並達到頭髮絲的千分之一,需要用上電子顯微鏡才可觀察得到,絕不會因速度提升而令打印的質素下降。

 

有助開發納米醫療和科研

除了高速與質素兼備的3D打印功能外,陳世祈強調,Nano-Builder同時具有醫學掃瞄及顯微功能,只須將打印機中的CCD相機,更換為PMT光電倍增管,即可透過接收反射信號,化身為高性能的顯微鏡,並取得實時圖像,將3D隨機掃瞄技術全面延伸至醫學,乃至基礎生物的研究工具。“Nano-Builder能準確刺激生物大腦中多個神經元,而不會對神經元周遭的結構造成傷害,因此也可用於大腦神經迴路及特定功能的長期研究,達致安全可靠的效果。”

 

陳世祈相信,Nano-Builder的研發成果將有助日後開發更多不同類型的納米級科研及醫療工具,包括光子晶體、微納流體器件、仿真生物組織及支架等,影響深遠。“舉例說,未來如可採用生物降解的原料,打印出能進入血管的納米機械人,將可應用於微創手術或血液藥物運輸等範疇上,對提升本港以至全球的醫療水平肯定大有幫助。