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善用CAD平台強大功能 3D列印建模非難事
 

【作者: 王明德】   2019年04月25日 星期四

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圖1 : 3D列印熱潮雖退,不過在工業領域仍是重要技術,透過CAD的強大功能,設計師將可快速建構模型,加速產品上市時間。(source:Digital School)
圖1 : 3D列印熱潮雖退,不過在工業領域仍是重要技術,透過CAD的強大功能,設計師將可快速建構模型,加速產品上市時間。(source:Digital School)

3D列印技術在30年前左右就已經開始,後期開始受到關注的原因來自技術的日漸成熟及新材料的開發,其概念是指一種雷射積層製造製程技術,透過採用分層加工、疊加成形的方式將3D圖檔削切成一層一層的2D平面,再將2D平面堆疊起來的加工方式,逐層增加材料來生成3D實體,把立體物件「列印」出來的技術。由於無需打模或機具加工,便可從電腦繪圖軟體分析後列印出實體,比起過去必須開模再加工的技術,雷射積層製造大幅縮短了產品的製造週期,因此適合小量生產、客製化的產品。


3D列印的基本技術其實就是快速成型,此技術早在1980年代就已經出現,許多主要的專利像是熱溶解積壓成形(Fused Deposition Modeling,FDM)等,早已掌握在大廠手中,直到近幾年一些專利技術陸續到期,才讓更多人投入研發,加上新材料的逐步開發來引起熱潮。不過,以廠商觀點來看,未來僅需下載設計圖檔便可「列印」產品,侵害著作權的問題不但會一直存在,可能因此更行擴張,而取締成本也將更加複雜。



圖2 : 3D列印的基本技術其實就是快速成型,此技術早在1980年代就已經出現。(source:Digital School)
圖2 : 3D列印的基本技術其實就是快速成型,此技術早在1980年代就已經出現。(source:Digital School)

3D列印主要以雷射技術為基礎,包括列印機的製造、設備、列印所需的材料、3D列印軟體CAD/CAM都是重要環節;而在軟體部分,建模是3D列印流程中的首要環節,透過精準建模,設備才能生產出合乎預期的產品,作為3D列印的必要軟體平台,近年來CAD廠商已不斷強化各種設計功能,協助設計者快速建模,縮短產品上市時間。


相較於傳統製程,3D列印的優點在於省去開模費用,對傳統製程來說,屬於難已製造的複雜產品形狀,在3D列印也可輕易完成,雖然市場一度將目光聚焦在塑膠材質方面,但金屬才會是現在工業界3D列印的重點,例如歐洲的空中巴士公司,就將3D列印列為其標準製程,其中金屬更是其一,空中巴士的金屬模型採用積層製造,利用焊接與燒結方式,將金屬層層堆疊出產品樣貌,然而金屬燒結容易融化,因此往往難以控制,因此必須使用後加工方式處理,為避免影響飛機製造的精準性,空中巴士3D列印所製造的製品,均為小零件,而非大型部件。


表面精細與輕量化是重點

3D列印與傳統製造方式不同,傳統的製造方式是透過車床、銑床等工具切削出成品,這屬於減法製造,3D列印則是層層堆疊製造出成品,則是屬於加法製造,不過隨著3D技術的成熟,現在已有CNC廠商導入3D列印技術,2014年全球工具機大廠德馬吉森精機就已展出將3D列印技術應用在其5軸加工機上,而中國也開始有CNC廠商導入相關技術,然而作為全球CNC重鎮的台灣目前仍無廠商投入,因此PTC呼籲台灣CNC廠商應盡快展開動作。


在進行3D列印前,必須先注意其數據格式AMF,以提升表面精細度,再著手輕量化設計,輕量化必須兼顧製品的強固性,3D列印在前端建模設計時,其材料材質都設定為實體,然而實體一來會使得物件重量大增,二來3D列印的材料成本仍高,因此目前產品在3D列印前,都會先將構造網格化,藉以減輕重量,並回收網格化後的材料。


然而從實體變成網格化,必會影響物件的強度,因此第3個部份就是這時必須考慮成品的應力與受力,使其兼顧強固性,可從平台輸入物件的受力與應力,系統會分析出何種材質可承受應力,使用者可選擇網格形狀,系統會依據前面設定的受力與應力條件,自動調整網格的形狀,直到並找出最佳的網格型態,滿足3D成品的輕量、強固特色。



圖3 : CAD/CAM設計是3D列印的重要環節,而建模是3D列印流程中的首要環節。(source: Airwolf 3D printers)
圖3 : CAD/CAM設計是3D列印的重要環節,而建模是3D列印流程中的首要環節。(source: Airwolf 3D printers)

至於3D模型的曲面建構,可從3D列印流程與模型處理準備兩方面進行探討,在列印流程方面,目前各供應商都會提供各自的3D列印流程,其中的共通點是在列印前期,系統都會要求提供模型建構,在前端準備首先是模擬,這可利用掃描器掃描要列印的產品外觀,再將數據輸入3D列印機列印出來,但這種方式只能進行一次性生產,無法重複製造,另外一種則是原創,從最前端開始設計,設計完成後再做成型輸出。


模擬設計部份,掃描出來的模型往往無法完全與被掃描品相同,因此需要進行局部的表面處理,這類調整可從表面的三角網格著手,例如先產生曲線後,再實際輸出所需要的曲面,此一曲面可在延續至後端製程,如開模、加工等運用。


另外在原創方面,建模前端通常會有工業設計工程師參與,工業工程師在設計產品外型時,多會先以鉛筆、彩色筆等工具勾勒出產品外型,當外型繪製出來後,會利用虛擬油土軟體先將產品轉換為黏土材質的立體形狀,之後再使用軟體調整細部,成為完整模型,當模型完成後,此檔案程式也可延伸應用到後端其他的模具加工等製程。


在建立模型時,有一些細節必須注意,首先是Scratch,這可透過CAD平台在初期勾勒出產品線條,這些線條可結合數位板建構產品模型,這些前期建立的線條,在後端也可被應用。


化繁為簡 增加市場多樣化

第2功能是自由形狀虛擬油土功能,由於3D列印工程師提案時,都會備有多個3D設計圖檔以供客戶或主管選擇,而在提案時,這些圖檔常被要求修改,自由形狀虛擬油土功能可將圖檔分割為幾個幾何形狀,透過表面的點、線拖曳,工程師即可輕鬆改變圖形的樣貌,此一功能指令簡單,利用上面的轉盤介面就可操作,所建構的產品,其表面相當滑順,由於操作容易,工程師在短時間以內,就可建構出產品模型。


就市場發展來看,3D列印技術目前能發揮效益之處,仍是藉設計、研發與製程溝通,進而改善產品製造,3D列印與自動化產業的關聯,仍在於經濟學上稱的「互補品」而非「替代品」,並不會衝擊製造業,而是透過CAD等軟體的協助,使其成為製造業的最佳幫手,藉此提升廠商競爭力與產業的多樣化。


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