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善用CAD平台强大功能 3D列印建模非难事
 

【作者: 王明德】2019年04月25日 星期四

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图1 : 3D列印热潮虽退,不过在工业领域仍是重要技术,透过CAD的强大功能,设计师将可快速建构模型,加速产品上市时间。(source:Digital School)
图1 : 3D列印热潮虽退,不过在工业领域仍是重要技术,透过CAD的强大功能,设计师将可快速建构模型,加速产品上市时间。(source:Digital School)

3D列印技术在30年前左右就已经开始,後期开始受到关注的原因来自技术的日渐成熟及新材料的开发,其概念是指一种雷射积层制造制程技术,透过采用分层加工、叠加成形的方式将3D图档削切成一层一层的2D平面,再将2D平面堆叠起来的加工方式,逐层增加材料来生成3D实体,把立体物件「列印」出来的技术。由於无需打模或机具加工,便可从电脑绘图软体分析後列印出实体,比起过去必须开模再加工的技术,雷射积层制造大幅缩短了产品的制造周期,因此适合小量生产、客制化的产品。


3D列印的基本技术其实就是快速成型,此技术早在1980年代就已经出现,许多主要的专利像是热溶解积压成形(Fused Deposition Modeling,FDM)等,早已掌握在大厂手中,直到近几年一些专利技术陆续到期,才让更多人投入研发,加上新材料的逐步开发来引起热潮。不过,以厂商观点来看,未来仅需下载设计图档便可「列印」产品,侵害着作权的问题不但会一直存在,可能因此更行扩张,而取缔成本也将更加复杂。



图2 : 3D列印的基本技术其实就是快速成型,此技术早在1980年代就已经出现。(source:Digital School)
图2 : 3D列印的基本技术其实就是快速成型,此技术早在1980年代就已经出现。(source:Digital School)

3D列印主要以雷射技术为基础,包括列印机的制造、设备、列印所需的材料、3D列印软体CAD/CAM都是重要环节;而在软体部分,建模是3D列印流程中的首要环节,透过精准建模,设备才能生产出合??预期的产品,作为3D列印的必要软体平台,近年来CAD厂商已不断强化各种设计功能,协助设计者快速建模,缩短产品上市时间。


相较於传统制程,3D列印的优点在於省去开模费用,对传统制程来说,属於难已制造的复杂产品形状,在3D列印也可轻易完成,虽然市场一度将目光聚焦在塑胶材质方面,但金属才会是现在工业界3D列印的重点,例如欧洲的空中巴士公司,就将3D列印列为其标准制程,其中金属更是其一,空中巴士的金属模型采用积层制造,利用焊接与烧结方式,将金属层层堆叠出产品样貌,然而金属烧结容易融化,因此往往难以控制,因此必须使用後加工方式处理,为避免影响飞机制造的精准性,空中巴士3D列印所制造的制品,均为小零件,而非大型部件。


表面精细与轻量化是重点

3D列印与传统制造方式不同,传统的制造方式是透过车床、铣床等工具切削出成品,这属於减法制造,3D列印则是层层堆叠制造出成品,则是属於加法制造,不过随着3D技术的成熟,现在已有CNC厂商导入3D列印技术,2014年全球工具机大厂德马吉森精机就已展出将3D列印技术应用在其5轴加工机上,而中国也开始有CNC厂商导入相关技术,然而作为全球CNC重镇的台湾目前仍无厂商投入,因此PTC呼吁台湾CNC厂商应尽快展开动作。


在进行3D列印前,必须先注意其数据格式AMF,以提升表面精细度,再着手轻量化设计,轻量化必须兼顾制品的强固性,3D列印在前端建模设计时,其材料材质都设定为实体,然而实体一来会使得物件重量大增,二来3D列印的材料成本仍高,因此目前产品在3D列印前,都会先将构造网格化,藉以减轻重量,并回收网格化後的材料。


然而从实体变成网格化,必会影响物件的强度,因此第3个部份就是这时必须考虑成品的应力与受力,使其兼顾强固性,可从平台输入物件的受力与应力,系统会分析出何种材质可承受应力,使用者可选择网格形状,系统会依据前面设定的受力与应力条件,自动调整网格的形状,直到并找出最隹的网格型态,满足3D成品的轻量、强固特色。



图3 : CAD/CAM设计是3D列印的重要环节,而建模是3D列印流程中的首要环节。(source: Airwolf 3D printers)
图3 : CAD/CAM设计是3D列印的重要环节,而建模是3D列印流程中的首要环节。(source: Airwolf 3D printers)

至於3D模型的曲面建构,可从3D列印流程与模型处理准备两方面进行探讨,在列印流程方面,目前各供应商都会提供各自的3D列印流程,其中的共通点是在列印前期,系统都会要求提供模型建构,在前端准备首先是模拟,这可利用扫描器扫描要列印的产品外观,再将数据输入3D列印机列印出来,但这种方式只能进行一次性生产,无法重复制造,另外一种则是原创,从最前端开始设计,设计完成後再做成型输出。


模拟设计部份,扫描出来的模型往往无法完全与被扫描品相同,因此需要进行局部的表面处理,这类调整可从表面的三角网格着手,例如先产生曲线後,再实际输出所需要的曲面,此一曲面可在延续至後端制程,如开模、加工等运用。


另外在原创方面,建模前端通常会有工业设计工程师叁与,工业工程师在设计产品外型时,多会先以铅笔、彩色笔等工具勾勒出产品外型,当外型绘制出来後,会利用虚拟油土软体先将产品转换为黏土材质的立体形状,之後再使用软体调整细部,成为完整模型,当模型完成後,此档案程式也可延伸应用到後端其他的模具加工等制程。


在建立模型时,有一些细节必须注意,首先是Scratch,这可透过CAD平台在初期勾勒出产品线条,这些线条可结合数位板建构产品模型,这些前期建立的线条,在後端也可被应用。


化繁为简 增加市场多样化

第2功能是自由形状虚拟油土功能,由於3D列印工程师提案时,都会备有多个3D设计图档以供客户或主管选择,而在提案时,这些图档常被要求修改,自由形状虚拟油土功能可将图档分割为几个几何形状,透过表面的点、线拖曳,工程师即可轻松改变图形的样貌,此一功能指令简单,利用上面的转盘介面就可操作,所建构的产品,其表面相当滑顺,由於操作容易,工程师在短时间以内,就可建构出产品模型。


就市场发展来看,3D列印技术目前能发挥效益之处,仍是藉设计、研发与制程沟通,进而改善产品制造,3D列印与自动化产业的关联,仍在於经济学上称的「互补品」而非「替代品」,并不会冲击制造业,而是透过CAD等软体的协助,使其成为制造业的最隹帮手,藉此提升厂商竞争力与产业的多样化。


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