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【3D列印】 大學如何推動3D列印技術在區域內的普及

曼徹斯特城市大學 PrintCity 案例研究

英國科學、創新和技術部 (DSIT) 最近的一份報告發現，曼徹斯特的積層製造採用率大約是倫敦以外英國其他任何地方的兩倍，並指出 PrintCity 是這項成就的關鍵驅動因素。

PrintCity 是曼徹斯特城市大學 (Manchester Met) 內的數位製造中心，已成為大學主導的工業技術應用的全國標竿。

本書透過對創新製造教授兼 PrintCity 主任 Carl Diver 和負責該機構 3D 列印部門的技術官員 Sam Hitchin 的採訪，揭示了一種將教育、研究和產業聯繫起來的模式，以降低風險、普及化和加速增材製造的採用。

| 背景：製造業傳統與新工業革命的碰撞

曼徹斯特被廣泛認為是第一次工業革命的發源地。這種深厚的工程、生產和務實創新文化遺產，塑造了這座城市迎接下一波製造業轉型浪潮的方式。

2010 年代中期，積層製造作為工業技術開始成熟，英國政府意識到技能缺口日益擴大，並尋求大學來幫助彌補這一缺口。

PrintCity於2018年成立，正是為了因應這項政策挑戰。該設施最初只有兩三台印表機，從一開始就被設計成一個開放的、面向行業的中心，而非傳統的大學實驗室，學生、研究人員和企業可以並肩探索增材製造的各種可能性。

曼徹斯特被譽為第一次工業革命的發源地。這座城市及其周邊地區擁有悠久的工程和製造業歷史，以及積極進取的精神。 PrintCity正是在此基礎上發展起來的——它為企業邁向新的高度提供了跳板。

PrintCity 主任兼曼徹斯特城市大學創新製造教授 Carl Diver 表示。

| 該設施：一個大學規模的活體實驗室
 

PrintCity隸屬於曼徹斯特城市大學工程系，是一個多學科數位製造中心。

它擁有 100 多台機器，從售價約 100 英鎊的桌上 FFF 印表機到價值高達 30 萬英鎊的工業系統，提供了一系列技術，以滿足各類用戶的需求，從一年級設計系學生到成熟的航空航天供應商。

| 技術廣度作為一種策略選擇
 

印表機設備中約有 30% 是 FFM（材料擠出）印表機，這是絕大多數學生入門的印表機。

這些主力機型——主要是 Bambu Labs 的 P1S 和 P2S 型號——速度快、可靠性高，容錯性也足夠好，可以讓學習者進行實驗而不會產生過高的成本。

除了 FFF 之外，PrintCity 還部署了 SLA、SLS、DLP、LFAM、混凝土和連續纖維技術，確保當公司或研究人員需要工業級解決方案時，可以在現場獲得該解決方案。

技術投資決策經過深思熟慮。團隊分析了英格蘭西北部乃至整個英國的行業需求，並以領先的原始設備製造商 (OEM) 的產品為基準進行評估（包括對德國主要製造商進行實地考察），優先考慮那些目前尚未通過商業服務機構廣泛提供的設備。

目標是填補真正的市場空白，而不是與私部門競爭。

| 3D列印局：快速交付高品質產品

Sam Hitchin，PrintCity技術官員兼局長

在PrintCity內部，Sam負責管理一個專門的3D列印服務中心－為學生提供高品質的零件列印服務，無需他們親自操作機器。需要注意的是，該中心僅針對教職員和學生提供內部列印服務，不承接外部商業項目。

來自建築、時裝、室內設計、產品設計、工程等專業的學生透過線上系統提交訂單，並在嚴格的學業期限內收到印刷件。

該局在營運上的獨特之處在於其以數據驅動的品質管理方法。

該團隊開發了一個完全由PrintCity工程師自主研發的客製化儀錶盤，用於匯總每台印表機的即時遙測數據：剩餘列印時間、成功率和失敗率、故障分類（噴嘴堵塞、列印床黏附問題、切片錯誤、擠出不足）以及維護歷史記錄。每週二，團隊都會回顧上週的數據，以識別系統性問題並改善維護流程。

我們不會簡單地列印然後祈禱成功，而是利用數據來確保一切盡可能科學嚴謹。我們正在進行內部實驗，以找到最佳條件，從而盡可能提高列印成功率。

PrintCity技術官員兼局長Sam Hitchin說。

這種嚴謹的分析方法帶來了切實的回報：更快的周轉速度、更少的列印失敗率和更低的材料浪費——所有這些都對經濟和環境至關重要。該儀錶板也被用作演示工具，向來訪公司展示一個管理完善的積層製造營運模式。

| 模型：採納的四大支柱

PrintCity 對區域積層製造技術普及的影響並非源自於單一項目，而是源自於在四個相互關聯的領域同時運作的模式。

1. 擴大參與：惠及下一代

PrintCity 每年透過其擴大參與計劃，歡迎來自大曼徹斯特地區的約 200 名中學生。

許多年輕人都是在PrintCity首次接觸到工業3D列印技術。透過儘早創造這種接觸機會，該機構幫助培養了一批未來的工程師、設計師和企業家，使他們在進入高等教育或職場之前，就已經對這項技術有了概念上的了解和實踐上的實踐經驗。

2. 大學教學：跨學科技能融合

曼徹斯特城市大學 (MMU) 的四萬名學生均可使用 PrintCity 的設施。更重要的是，該設施服務所有學科，而不僅僅是工程學科。

在任何一天，該部門都會處理建築系學生建模建築概念、時裝系學生探索結構配件、室內設計師製作佈局原型以及機械工程師測試承重部件所需的零件。

這種跨學科的接觸意味著積層製造將成為各行各業都熟悉的工具，並將共同塑造英國企業在未來幾十年設計和製造產品的方式。

希望深入鑽研相關技術的學生可以報讀該大學的數位設計與製造碩士課程，該課程的教學地點位於PrintCity園區內。該課程的學生不僅學習技術知識，還能與產業夥伴和研究人員一起，每天實際操作這些技術。

3. 研究：拓展技術前沿

PrintCity 為曼徹斯特城市大學 (MMU) 和英國各地機構的研究人員提供支持，讓他們能夠獲得獨立複製成本極高的設備和專業知識。

目前的研究活動涵蓋了從探索先進超材料（即對溫度、濕度或機械載荷有響應的晶格結構和材料）到應用永續發展研究（例如回收和再利用選擇性雷射燒結（SLS）粉末和樹脂廢料）等多個領域。曼徹斯特城市大學目前在「人與地球綠色聯盟」中排名第一，是最具永續發展能力的大學，並且已連續十多年位列前十。

博士生們在產業合作夥伴的部分資助下，與該設施的技術團隊一起工作，從而創造了實踐知識產生的持續循環。

4. 產業參與：降低投資風險

第四個支柱，也是最具商業意義的支柱，是PrintCity的結構化產業合作項目，該項目由一系列多年期政府撥款資助。過去四、五年間，已有超過300家公司獲得支持，涵蓋了從初步探索到全面技術轉移的完整路徑。

整個流程始於一次開放式的拜訪或一場由專業人員指導的研討會。 PrintCity 採取一種客觀中立的態度：如果 3D 列印並非解決企業難題的最佳方案，他們會坦誠相告。這種坦率的態度是其信譽的核心。

如果積層製造合適，公司將進入一個短暫的技術可行性階段，並在發現真正的潛力後，進入為期三到九個月的結構化項目，在此期間，PrintCity 技術團隊將與公司合作，開發和驗證實際應用。

Carl Diver, PrintCity 總監

這個過程得到了大曼徹斯特地區整個生態系統的合作支持，特別是與商學院企業中心的同事們的合作，他們為早期構思和創新研討會做出了貢獻。

我們希望讓企業有機會探索這項技術，了解其局限性，以便在他們決定進行何種投資時，我們能夠支持他們的決策，並降低他們最終投資的風險。

PrintCity 總監 Carl Diver 評論道。

背後的資金模式與內容本身同樣重要。

PrintCity 爭取到三到五年的政府項目，這些項目會預先資助團隊和設備。這意味著該機構可以在幾週內回應企業的需求，而無需像傳統撥款週期那樣等待 12 到 18 個月。快速響應並非次要因素，而是其結構設計的核心要素。

PrintCity對積層製造技術普及最重要——也最不為人知——的貢獻之一，在於它培養和留住了人才。卡爾·迪弗用薩姆的故事說明了這一點，薩姆現在是該機構的技術主管，他的職業發展軌跡體現了該機構的人文關懷：

薩姆本科就讀於曼徹斯特城市大學產品設計專業，期間發現了PrintCity，並被其技術和工作環境深深吸引，以至於畢業前就已成為團隊的一份子。之後，

他繼續攻讀數位設計與製造碩士學位，期間一直兼職在PrintCity工作。後來，當一個技術職位空缺時，他便全職加入。不到一年，他就徹底改變了這家印刷廠——協助同事搭建客製化的監控儀錶盤，規範維護流程，並提高了印刷品質和效率。

這並非個案。 PrintCity的畢業生目前在F1賽車的增材製造團隊工作，已有四到五名畢業生在該團隊任職，還有兩名博士生獲得該團隊的部分資助。

該機構還創造了間接的就業途徑：在 PrintCity 的一次人脈交流活動中，一名潛在學生與一名在當地公司工作的往屆學生相遇，結果該學生直接被增材製造行業聘用，完全繞過了攻讀碩士學位的途徑。

這些人將深厚的積層製造實務知識帶入他們加入的公司和產業。事實上，他們是科技應用的推動者──而他們正是PrintCity模式的直接產物。

| 實際影響：是全國平均的兩倍

這種多層次方法的區域影響已被獨立驗證。 DSIT 的一份報告發現，曼徹斯特中小企業採用積層製造技術的比例約為倫敦以外其他地區的兩倍。

PrintCity 被明確列為導致此結果的影響因素之一。

最近的政府報告指出，曼徹斯特的增材製造技術普及率約為倫敦以外英國其他地區的兩倍。而PrintCity被認為是為企業創造這項機會的關鍵因素之一。

PrintCity 總監 Carl Diver 表示。

這是一個驚人的發現。

積層製造技術的普及推廣歷來十分困難：技術格局複雜，資本成本高昂，所需技能稀缺。

一個地區的普及率達到了全國平均水平的兩倍——而且大學設施被認為是造成這一現象的原因——這表明 PrintCity 的模式以純粹的市場機制無法做到的方式解決了實際的普及障礙。

| 成功之道：關鍵成功因素

從山姆的角度來看：
重點和機構承諾

薩姆給其他大學的建議非常明確：成功的關鍵在於擁有專注的專業人士。 PrintCity 不會讓機械車間的技師在其他工作之餘兼顧 3D 列印。它聘用的是專門從事積層製造的人員。正是這種專注，加上機構的大力投入，才使得該機構能夠累積深厚的專業技術，並實現規模化、持續穩定的高品質生產。

· 專注於積層製造的專業技術人員
· 大學支持的設備和人員配備投資
· PrintCity 提供一系列技術和材料，確保每位使用者都能獲得合適的技術、材料和專業支援。
· 產業資金投入不會重複商業服務的新技術中
· 開放的文化：PrintCity歡迎其他大學的來訪，並分享其營運經驗。


從卡爾的角度來看：
結構、速度和學術誠信

· 這種預先部署資源的資金模式，使得回應時間能夠以週而不是月來計算。
· 坦誠且不偏袒任何特定技術的建議，告訴企業何時3D列印並非最佳解決方案。
· 全方位支援模式，在專案結束後繼續為公司提供支持，確保技能得以融入。
· 開放包容、無障礙的文化，使該設施在物理和文化上都易於訪問。

| 展望未來

卡爾和山姆都對 PrintCity 的下一個發展階段充滿熱情。

在技​​術方面，卡爾認為，新興的功能性和響應性材料（能夠對溫度、濕度或機械負荷做出反應的材料）是 PrintCity 研究社區已經取得重大成果的前沿領域。

他也關注工業可靠性和可重複性的發展，這些仍然是生產環境中更廣泛採用這些技術的障礙。

山姆專注於永續發展。

SLS粉末和樹脂廢料的回收利用是PrintCity與博士生以及材料製造商積極合作的領域，這種合作也日益增多。 PrintCity也正在探索使用新型添加劑進行內部線材生產，力求將自身定位為材料創新領域的合作夥伴，而不僅僅是材料的消費者。

他們都明確表示，未來五年重點在於深化而非拓展。需要招收更多學生，吸引更多產業夥伴，加強社區參與——用薩姆的話來說，就是確保積層製造獲得應有的聲譽。

| 對其他機構的啟示

· 專業化而非泛化：擁有專職人員和明確職責範圍的工廠比以增材製造為副業的綜合性車間表現更佳。
· 同時服務多個群體：學生、研究人員、中小學生和產業界人士在同一物理空間中的匯聚，創造了任何一個群體單獨都無法創造的價值。
· 敏捷基金：多年期專案資金預先安排資源，比逐一專案撥款週期更能有效促進產業參與。
· 要誠實地評估技術適用性：在積層製造不合適時，能否說「不」才能贏得業界的信任。
· 衡量與分享：PrintCity 願意向來訪大學敞開大門，並對其自身的營運數據進行基準測試，這為透明度樹立了標準，從而在整個行業中建立了信任。

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