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軟體設計開啟3D列印無限想像
「軟」實力才是王道

【作者: 王明德】   2016年12月14日 星期三

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3D列印專利陸續過期後,各廠商紛紛投入發展,尤其結合近年來技術飛快成長的IT與材料技術後,更讓3D列印成為新世代創業顯學,甚至進一步觸發了數位直接製造概念(Direct Digital Manufacture)概念,所謂的數位直接製造意即揚棄傳統的設計、打樣、試產、開模、生產等程序,直接生產將生產環節扁平化,跳過中間的打樣、開模等環節,讓生產不僅可以「隨時」更可「隨地」,顛覆了以往製造業必須有一定的資本密集慣例。


3D列印製造前景雖然看好,不過並不會即時發生在眼前,就有業界人士指出,目前3D列印的熱潮很大一部分原因來自於媒體的大量炒作,從實際應用面來看,3D列印仍有相當多技術瓶頸需要克服,不過他也指出,這些瓶頸的克服只是時間問題,從長期來看,3D列印的趨勢已成,只是未來會與現有大量製造模式分工,仍有待市場磨合。


3D列印與大量製造的分工

傳統製造方式會維持現有的市場,這部份3D列印無法涉入,它會開創出另一市場。

從應用面來看,3D列印雖有隨時、隨地製造的特色,不必像傳統製造,必須經過打樣、開模等程序,不過這種直接製造的優點也正為其缺點,傳統的模具生產方式,雖然從設計到生產需要長時間且大量資金的投注,但其平均成本會依量產規模的增加逐步下跌,這種透過大量製造來攤分初期與固定成本的作法,3D列印完全無法達成,3D列印不管製造數量多寡,從1個到1,000個,每產品的一單位成本均為固定,因此前幾年此技術被大量炒作時,甚至有人喊出「3D列印將取代現有製造模式」的口號,就實務面來看並不可能。


至於這兩種生產模式會如何分工?業界人士指出,傳統製造方式會維持現有的市場,這部份3D列印無法涉入,它會開創出另一市場,此一市場的單一產品量能不大,但對客製化設計需求相當深,像是現在已有航空公司利用Fused Deposition Modeling(FDM)技術製作原型、加工和部件製造。FDM 相容 ULTEM 9085 等高性能熱塑塑膠,可製造夾具、固定裝置、檢測計和最終用途飛行器部件,航空航太工業的設計師們早已將 FDM 用於概念模型製作和原型製作。



圖1 : Autodesk當年實現繪圖軟體的平價化,讓電腦繪圖技術快速精進,如今該公司也是3D列印的指標性軟體廠商。(Source: Autodesk)
圖1 : Autodesk當年實現繪圖軟體的平價化,讓電腦繪圖技術快速精進,如今該公司也是3D列印的指標性軟體廠商。(Source: Autodesk)

另外則是醫療領域,前幾年就有歐洲國家透過電腦斷層建構出口腔癌病患的顎骨形狀,以3D列印出專屬該病患的金屬器官,另外更多應用是在牙科,現已有越來越多牙科實驗室開始採用數位化牙科,採用3D列印作為其業務策略的一部分,牙科實驗室不僅可加速零件製作,還能提高品質和精度,3D 列印將數位化設計的效率帶到生產階段,通過結合使用口腔掃描、CAD/CAM 設計和 3D 列印,牙科實驗室可以準確、快速的生產牙冠、齒橋、石模型和一系列的矯治器。使用 3D 印表機,牙科實驗室可消除手工建模的瓶頸,促使業務向前發展。


除了醫療與航太外,市場上還有須多因設計成份高,無法使用大量製造的產品,如珠寶飾品、玩具公仔等,這裡就不一一列舉,也因為未來將走向量少、高設計之路,因此電腦輔助設計的軟體平台,對3D列印來說會格外重要。


設計輔助軟體的問世

歷史上的第一個電腦設計工具出現在1950年代,當時是用來進行特殊計算,60年代這類軟體開始商業化,當時一套軟體售價高達50萬美元,1982年電腦軟體廠商歐特克(Autodesk)重新定義這類繪圖軟體,希望將它定位成可在桌上型電腦中運行的低成本繪圖文字處理器「Micro CAD」,這個時間點也是3D列印機的設計起源期,當然當時雙方並不知道彼此,歐特克的Micro CAD也非為3D列印機所使用。



圖2 : 設計軟體最主要的功能,是無縫捕捉類比實體世界的連續性和幾何本質,並將其縮減為離散的二進位單元。(Source: 3Printr)
圖2 : 設計軟體最主要的功能,是無縫捕捉類比實體世界的連續性和幾何本質,並將其縮減為離散的二進位單元。(Source: 3Printr)

Micro CAD的革命性不只在於其低廉的售價,更重要的是此軟體在桌上型電腦即可運作,在MicroCAD之前,市場主要使用的繪圖軟體為Computervision CAD,此一軟體僅能在大型主機上使用,當時這些大型主機售價約在7萬美元左右,相對之下,在只須1萬5千美元的桌上型電腦即能運作的Micro CAD無疑更具競爭力,雖然當時桌上型電腦仍在起步,不過隨著性價比逐漸提昇,Micro CAD的市場優勢越來越高。


MicroCAD問世初期,主要是用來處理2D圖形,並可作為建築樓層平面圖,隨著需求出現,歐特克陸續加強其功能,並更名為AutoCAD,現在的AutoCAD在3D建模領域中已是相當知名的軟體平台。


設計軟體最主要的功能,是無縫捕捉類比實體世界的連續性和幾何本質,並將其縮減為離散的二進位單元,光是對人類來說,要向別人轉述實體物件的形狀即已相當困難,要更精確、清晰的讓機器了解此事,更是艱鉅的挑戰。


實體建模與曲面建模

實體建模為使用者提供了一個由現成立方體、圓柱體、球體和其他標準物理形狀組成的形狀庫。

目前3D列印的設計軟體主流有兩類,包括「實體建模」與「曲面建模」,實體建模主要為工程施與工業設計師所使用,實體建模為使用者提供了一個由現成立方體、圓柱體、球體和其他標準物理形狀組成的形狀庫,使用者選擇所需要的形狀圖檔,將之拉伸、剪裁、組合,形成所需的形狀,調整為獨特的設計。


實體建模問世於1990年代,當時電腦的運算能力剛剛能做到讓設計軟體「記住」以前設計中的重複內容,允許使用者來回查看這些重複的設計,撤銷以做出的更改,以及回頭過來更動尺寸,這些我們現在視為理所當然的功能,在當時並非如此,也因電腦開始具備此一能力後,CAD軟體開始出現飛越性成長。


現在的CAD軟體可以輕易融入企業供應鏈,工程師若要更動某一零組件設計,可透過軟體查知公司相關產品的庫存變化,比較新零件與現有零件,若決定設計新零件,系統會自動紀錄其變動,讓管理者充分掌握所有資訊。


曲面建模最早應用於卡通動畫,功能逐漸提昇後,現在許多電玩遊戲和圖形公司設計師也開始採用,曲面建模得出主要是因應實體建模圖形庫中,無法滿足特殊形狀的需求。


曲面建模的圖像設計方式,是將形狀包在規則多邊形所構成的虛擬網裡,曲面建模也被稱為多邊形建模,組成虛擬網的每個多邊形,都對應著虛擬網格上的一個數據點,設計軟體將每個數據點儲存起來,以便於設計師使用,目前多數3D模型都採用三角形的表面網格建構,由於此類結構相當靈活,且資訊易為電腦處理,因此應用越來越廣。


曲面建模擺脫了原始塊狀和球狀限制,其主要特色是表現曲面的表層活動,而非機器零件的組裝,因此曲面建模軟體可說是平面設計師的白板,在此基礎上,設計師可為產品增加更多細節,如表面光澤、紋理等。


3D掃描把實體世界數位化

3D掃描將實體物件的掃描數據回傳給設計軟體,設計軟體透過運算將掃描出來的每個座標點轉換為表面網格,藉以形成物品形狀。

除了實體建模與曲面建模外,3D掃描也是近年來3D列印設計輔助的重要技術,3D掃描經由1組3維座標描繪實體物品的形狀,掃描資料介於實體建模軟體設計的原始形狀,和曲面建模軟體中包裝數位物件的虛擬網格之間,3D掃描將實體物件的掃描數據回傳給設計軟體,設計軟體透過運算將掃描出來的每個座標點轉換為表面網格,藉以形成物品形狀。


3D掃描開闢了設計新領域,對難有設計檔的物件如植物、人體器官、石頭礦物來說,3D掃描技術可完全彌補實體建模與曲面建模的不足,成為類比實體世界與二進位數位世界的溝通橋樑,而透過3D掃描與實體、曲面的建模技術,更多創意將被實現,3D列印的發展也將更具想像力。


**刊頭圖片(Source: SHOP 3DCHIMERA)


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