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3D列印開源平台 挑戰無限可能

  • DIGITIMES企劃

台灣歐特克資深技術經理蔡進忠。

隨著製造科技的迅速發展,一波波的工業革命也隨之而來。台灣歐特克資深技術經理蔡進忠認為,第一次工業革命,本質上是生產力的提升,關鍵在於用機器取代人力;第二次工業革命,則是製造效率的提升,關鍵在於用電腦取代人工,許多作業都已電腦化;第三次工業革命的重點,則是注重客製化,追求個性化商品的製造,相關科技如3D列印也因此應運而生。

促成第三次工業革命的因素,首先是巨量資料分析技術的出現,雖然巨量資料技術並非嶄新的技術,但近年來因為相關軟硬體的成熟,終於可以讓企業完整的記錄客戶的行為,包括喜歡買什麼或是做什麼,然後做進一步的應用;其次則是物聯網的出現,可以讓物物相聯,應用在工廠製造,可以讓工廠生產的元件資訊彼此互通,最後也是最重要的,就是3D列印。

3D列印會成為製造業新的潮流,追溯本源,首先是從2012年10月Shapeways在紐約成立,提供線上3D列印服務開始,然後在2013年1月,美國總統歐巴馬在國情咨文提出「3D列印可以振興工業」後,業界便開始紛紛投入3D列印的技術研發或產品製造上。

如Nike公司在2013年2月積極投入3D列印,並用於開發新款運動鞋,目前已經有部分鞋款的鞋底,確實已經在用3D列印製作,尤其是針對需要特殊設計如扁平足的鞋款,更是需要使用3D列印技術;微軟在2013年7月宣布Windows 8.1支援3D列印輸出功能;NASA在2013年8月試射裝有3D列印製造零件的火箭引擎;Amazon及其他知名的網路商場,也都在2013年陸續開始行銷3D列印設備。

3D列印會在這麼短的時間迅速崛起,與3D列印的專利解禁,有著相當密切的關係。蔡進忠指出,3D列印技術在1980年代即已出現,從第一代的快速原型,到模具及工具的發展,進而發展到數位製造及個人自造的產業趨勢,促成更多廠商投入,降低3D列印成本,使用的人也就愈來愈多,更因此激發出大量生產以外的商機,3D列印的產業趨勢可說已經具體成形。

3D列印的基本概念,其實跟印表機相當類似,只是印表機在印出一般文件時,列印時只能印出一層墨水,但3D列印則是使用多層列印技術,一層一層的堆疊起來,而製造出產品。

3D列印的技術可以從材料來分類,也因此在不同的時期會有不同的名稱,使用固態材料的技術有LOM,使用半固態材料的技術則有FDM,使用液態材料的有SLA、DLP及SGC,半液態材料技術則稱為MJM,最後則是使用粉末材料技術的SLS及PGP,但不管是使用哪一種材料,3D列印最常見到的稱呼方式,主要就是積層製造(Additive Manufacturing)及快速原型(Rapid Prototyping)這兩種說法。

3D列印對於工業製造最大的影響之一,就是改變產品及模具的開發流程。蔡進忠指出,有了3D列印技術,包括產品打樣、可動樣品等,都可在模具開模前完成,確定產品外觀及機構動作的方式。

早期由於3D列印成本高,所以應用在前述產品開發流程的機會,並不是很大。近年來包括材料及製程技術的改進,投入的廠商愈來愈多後,目前的3D列印技術,從創意概念的形成,到產品建模,確認造型、機構及電子設計後,就可以上傳模型,執行3D列印,進而直接生產成品,模具開發的流程可以整個省略掉。

但不是所有的產品都可以這麼做,蔡進忠指出,3D列印只適合個性化的小量生產,不能取代大量製造。以個人電腦的組成為例,其中電路板、鐵件,目前的3D列印技術都做不出來,只有塑件還有一點可能。

3D列印不能取代大量製造的瓶頸,主要原因就是3D列印成品是採積層製造,無法像射出成形技術一樣,做出表面很光滑、組織很密實的商品,可以說是積層製造技術的宿命。此外,帶有金屬鑲件的產品如手機外殼,3D列印目前做不出來。還有輕薄短小的產品為了加強韌性常使用玻纖材質,也無法以3D列印生成。

此外,3D列印的成型週期時間比較長,如果使用射出成型填充一個塑膠件,可能只需要幾秒鐘。但如果使用3D列印,可能需要幾小時列印成型。但3D列印技術雖然有很多技術瓶頸,但在個性化、小量製造(不需要開模)、不需要進行產線規劃的領域,仍然有很大的商業發展空間。

3D列印技術能夠順利用於產品設計上,蔡進忠認為有兩個重要的里程碑,首先就是1986年,3D System推出全球第一台RP設備SLA1,讓3D列印技術走出實驗室,開始商業化,成為真正的商品。

另外則是MakerBot公司推出硬體開源平台,讓3D列印技術細節公開,激發更多的廠商積極參與3D列印設備開發;2014年5月,歐特克(Autodesk)宣布啟動SPARK開源專案,希望能用類似Google Android的軟體開源平台授權方式,讓廠商可以取得3D列印關鍵技術,讓3D列印更普及化。

歐特克3D列印開源平台可以分為平台授權、設計建模、模型後製及硬體藍圖4個部分,開源平台將會針對硬體製造廠商,免費授權使用平台架構,並提供正向或逆向建模,以實現設計美好的創意。提供列印成型前網格模型的轉位、修補及建立支撐,也會提供3D列印設備的硬體技術範本及API,讓廠商可以迅速應用歐特克已經測試過的技術及材料,切入3D列印設備製造領域。

歐特克3D列印開源平台,採用專利已經解禁的SLA光固化成型技術。SLA的製程是先用雷射光聚焦,被照射的地方就會凝結,透過積層製造技術,就可讓凝結的材料一層一層的堆疊成所需要的產品。

但3D列印就像一部音響,如果沒有好的音樂媒體,就很難展現出好音響的價值。因此除了要掌握3D列印設備製造技術,更重要的是如何將3D列印融入產品創作流程。市場上雖然有許多3D列印設備已經開始行銷,但如果沒有好的創意、好的軟體以建立產品的3D模型,再好的3D列印設備,也是英雄無用武之地。

因此,歐特克針對3D列印的典型創作流程,推出Autodesk 123D應用軟體。提供產品設計建立3D模型及輸出成STL網格,提供CAD技術。例如Autodesk 123D Catch可以讓個人利用雲端運算的強大能力逆向建模,也就是將既有的成品照相,上傳自動轉換為立體的3D模型,也可以下載回來後再做修正。

另外Autodesk 123D Sculpt,可以讓使用者在iPad上雕塑和描繪3D創意作品,就像在真實世界捏黏土一樣,用作捏塑創意,然後輸出至3D列印以完成創作。

針對某些創作品可能無法以3D列印生成,例如陀螺的外型無法直接以積層方式製作,因為生產過程陀螺無法保持直立。這類模型在3D列印生產前需要做調整、切片建支撐,才能如預期地被製造生成。使用Autodesk Meshmixer能重新調整、組合不同模型,建立積層製造成型時所需的切片及支撐,可用作模型後製處理。

雖然目前3D列印技術仍有很多瓶頸需要解決,歐特克公司希望可以透過3D列印軟體開源平台建立社群,讓各方英才集思廣益,共同測試新材料、探索新製程、建立行業標準,相信只要大家一起努力,3D列印科技的明天將會更加美好。