3D列印技術正打開製造產業的革命性新局面。現代化的3D列印技術也稱為積層製造，是利用3D模型或其他電子數據來源，製作幾乎可說是任何形狀的三維固態物體的過程。
做為一種積層製造方法，製造商藉由在製作物件上逐層「疊加」材料，形成最終產品(圖1)。從3D列印技術以及多種不同3D列印方法的快速發展，可以得出一個結論：3D列印是一項突破性技術。
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| 圖1 3D列印製造的物體示例 |
在汽車、航空航太、衛生保健及消費領域中，3D列印技術已經用於建立3D模型和原型。支持者相信3D模型的出現，能夠幫助公司以較少的時間或較少的資源完成項目。因此，3D列印如雨後春筍般快速發展，成為快速原型徹底轉化成快速製造的動力。
對於這個領域的廠商而言，他們的夢想是讓3D印表機進入千家萬戶。這樣的成本須為2,000美元左右，而現在有些3D印表機的定價已低於1,000美元。
許多人認為，雖然3D印表機市場發展迅速，但目前尚處於起步階段。市場研究公司Canalys預測，3D列印市場的總規模(包括印表機銷售、材料和相關服務)在2014年將達到38億美元；到2018年，將躍增至162億美元，預計這段時間的複合年均增長率(CAGR)為45.75%。
做為一項突破性技術，3D列印技術具有重塑業界和改變製造過程的能力。儘管如此，仍然有許多基本障礙正阻礙市場普及，包括印表機成本。即便現有印表機價格能低於1,000美元，但對於一件消費產品而言，3D印表機仍然非常昂貴。
安全識別技術保障合法3D墨水匣
如果有過購買刮鬍刀及其可更換刀片的經驗，基本上就體驗過刮鬍刀的商業模式。這種商業行為的做法是以折扣價格銷售主產品，然後以相當高的價格銷售備用(往往是一次性的)次要產品。
不僅限於刮鬍刀刀片，這種商業模式已長期被成功應用於傳統印表機市場，而且還是非常成功的策略。
有人認為這種刮鬍刀模式是讓3D印表機成為主流、普及的最佳商業策略和最快途徑。簡單來說，就是以近乎免費的極低價格銷售3D印表機，進而提高3D列印的普及率，然後再通過銷售墨水匣或列印線材大賺一筆。圖2所示為一次性3D列印耗料的例子。
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| 圖2 Cube 3D塑膠墨水匣 |
3D印表機墨水匣或列印耗料也使得印表機能夠支援不同價位的材料、顏色及色澤的大量組合。就像傳統墨水匣中客戶能夠瞭解每種顏色的墨水量一樣，3D列印也可提供耗料的使用狀態。
從過去的經驗可以得知，只有在一次性產品中實施嚴格的矽智財(IP)保護機制，防止仿造、複製和仿冒，刮鬍刀模式才會有效。毫無疑問，仿冒者必定會竭盡全力仿冒3D墨水匣，欺騙產品合法製造商。
但要如何預防IP剽竊?答案很明確--在每台3D印表機及墨水匣中嵌入安全識別技術。
採對稱加密技術 SHA有效打擊仿冒IP
多年以來在無數產品和應用中，安全散列演算法(SHA)安全認證方案是防止IP被仿造和非法複製的有效方法。SHA-256安全系統以美國國家標準與技術研究院(NIST)制定的安全散列標準Publication FIPS PUB 180-4為基礎。
SHA-256通訊採用一種運用對稱加密的雙向質詢-應答安全認證方案，在其交握協定中，一方(主機或主控制器，即這裡討論的3D印表機)向另一方(從機，即墨水匣或線材)提出安全請求，或稱作「質詢」；從機必須提供有效答案或回應，才能夠通過安全認證。並且從機墨水匣的應答，與收到的質詢及其儲存的金鑰相關；如果墨水匣應答錯誤，印表機將拒絕墨水匣。
安全認證方案的主要組成部分包括256位隨機驗證碼、墨水匣的識別碼(ROM ID)，以及在製造階段嵌入至從機積體電路(IC)的唯一金鑰。金鑰被寫入到SHA-256安全認證器的保護記憶體中。
同樣的，相同的金鑰也寫入印表機墨水匣的安全主機認證器中。為保護金鑰不被損害，必須採用強大、可靠的金鑰管理方法。
墨水匣安裝到被保護的3D印表機之後，就會立即發生一系列的事件如下(圖3)。
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| 圖3 3D墨水匣基於SHA-2的質詢-應答安全認證方法會話序列示意圖 |
墨水匣安全認證通過後，3D印表機能從墨水匣的記憶體中讀取附加資料，例如日期、產地、批號、支援的列印材料和顏色，以及材料使用量。然而，如果兩個MAC不一致，則視墨水匣為冒牌、仿製品或偽造品。然後印表機立即禁止所有列印功能。
EM保護模式提高墨水匣使用限制
圖4所示為如何在3D印表機及配套墨水匣中嵌入SHA-256安全認證。安全認證器是墨水匣中嵌入的重要保護元件，帶有安全主機認證器的3D印表機(及主機)只接受來自於正版墨水匣(即從機)的正確應答。
所有通訊都透過1-Wire通訊介面實現，在這個例子中，該介面也為墨水匣中的SHA-256安全認證器供電。這種安全認證方法是基於3D印表機和墨水匣具有相同的SHA金鑰，並在製造時於安全的工廠環境下植入金鑰。
目前市面上有一款安全認證器--DS28E15具有另一項傑出優勢，元件內嵌唯一的64位序號或ROM ID，提供SHA-256引擎輸入，這使得每個256位MAC都是獨一無二的。
目前的安全認證器的記憶體也劃分為可公開訪問(不受保護)的區域，以及主機(印表機)必須經過從機(墨水匣)認證才可進行EEPROM寫操作的區域。
啟動安全認證器的EPROM模擬(EM)保護模式時，每個記憶體位元只能從1更改為0，但不能從0更改為1。一旦選中EM模式，則不可逆。這實際上是實現倒數計時或限制墨水匣使用的最佳方式，而且很難被破解。這種使用限制功能可以防止他人打開墨水匣後，加注其他印刷材料。
安全認證器的記憶體保護模式也提供了平台、途徑，讓3D印表機能支援其他功能，包括讓印表機能支援不同列印表面，或者能使用更多不同材料和顏色來組合創建物體。這些能力可望成為推動3D印表機市場成長的關鍵因素。
遺憾的是，號稱安全的一次性產品遭受到各種高級的晶片級方法攻擊，從而抽取安全數據或改變元件設置，這種事屢見不鮮。
這些破壞系統安全的目的，全都是為了進行複製或仿製。為了針對此類惡意攻擊提供最高級別的防護，市面上的安全認證器採用專有的晶片級物理方法、電路方法，以及密碼方法，以保護敏感性資料、控制訊號及金鑰。
透過新安全認證器中內嵌的基於SHA的質詢-應答安全認證方法，3D印表機市場可確保使用正版、有保障的墨水匣。在資產、IP及品牌品質都得到保障之後，印表機市場就能把相當大一部分的收入比例，從印表機銷售上轉移到一次性墨水匣的銷售上。
歷史經驗告訴我們，只有採用嚴格的IP保護機制，防止仿造、複製和仿冒，刮鬍刀模式才能奏效。
(本文作者為Maxim Integrated執行經理)