01
Dec
3D列印自造時代 Make Things Happen
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想像一下,未來十年,小學生在教室裡3D 列印勞作, 進駐每一位工程師和設計師的工作檯上,3D 列印機就像電腦或手機一樣不可或缺,製造工業的風景,將會徹底改變。

採訪/撰文:于文萱  資料匯整/撰文:顏子鵬  攝影:張藝霖

 

在東京渋谷的一家咖啡廳,不時傳來女生歡呼的聲音,她們的目光都集中在3D列印機上。機器輕快有節奏的聲音,彩色樹脂層層堆積,立體逐漸現形,這些都是咖啡店顧客自己設計的餅乾模型,成品可以帶回家。設計的檔案可以使用店裡的電腦做基本的3D繪圖,也有提供教學。FabCafé,正是試圖改變製造產業的風潮的一環。

消費型→交換型社會

3D列印的影響力,正在改變當前的消費型社會,傳統的「你造我買」,並不是要取代大量製造,但3D列印機使「製造者」的角色和功能開始模糊,以往不關心電子科技的人,也會因為3D列印而產生興趣。消費者的發想和需求可以根據技術的到位而更寬更廣。

全球超過20個國家,500個FabLab,根據MIT教授Neil Gershenfeld的熱門課程「How to Make Almost Anything」與著作《FAB》,掀起第三次數位革命,即個人製造的熱議。FabLab 市民工房,備有多樣的工具機械,以實驗精神進行數位製造,以消融「製造端」與「使用者端」的兩個極端為目標,和3D列印的終極目的不謀而合。

20世紀是大量生產與製造的時代,21世紀進入Personal Fabrication時代,網路普及,訊息與情報的大量流通與交換,無論是兒童或是專業人士,都應該在科技的輔助下,享有創作和製造的自由。而FabLab就是做為個人製造的基礎建設之一。3D列印機也隨著這種個人製造的風潮而百花齊放。

環保和成本

3D列印的發展潛力無限,現在還有專屬的展覽,今年在倫敦的3D PrintShow,服裝首飾之外,還可以看到3D列印房子和汽車的宏觀企圖。軍事國防、醫療器材更不在話下,卻神祕不能曝光。其他規模更大的計畫也正在進行中,沙漠、太空都不是極限。

德國設計師 Markus Kayser設計了一台太陽能3D列印機,計畫要把機器搬到非洲和中東的沙漠,以機器中的菲涅爾透鏡(凹凸鏡)設計,利用源源不絕的太陽光融化沙子(玻璃的原料),然後3D列印出玻璃製品,從玻璃器皿到太陽能面板。這項技術也被視為極具大量製造的發展潛力,無需運送原料和使用石化燃料,將有可能是製造玻璃最成本、最環保的方式。

特殊教育

3D列印最引人入勝的地方,在於它讓概念成為實體,可以看得到、摸得著。很難想像這樣的科技,對於天生有視覺障礙的人來說,簡直是一項奇蹟。日本埼玉縣的塙保己一學園,是專收視障學生的特教學校。在由日本雅虎贊助的「用手探索」 Hands on Search計畫中,小朋友對著教室裡一個大大的方盒子喊「青蛙!」、「大象!」,接著按下特製的大按鈕,沒多久,大盒子裡就神奇地出現一隻摸得到的青蛙和大象;喊一聲「天空樹!」,東京的地標天空樹居然就出現在自己手中。眼睛看不見、卻能摸到世界,童稚純真臉龐露出驚喜興奮的神情,令人動容。美國3D列印機品牌MakerBot的總裁Bre Pettis說,3D列印的創新技術幫助視障兒童以不同的方式看見和觸摸世界,就能藉此去改變對周遭世界的觀感。

軟體工程師出身的7年級生鹿為公(Alex),看好3D列印的未來潛力而投身這一行。不只是單純的買賣販售機器,他花苦心鑽研硬體技術,甚至連原廠都未曾發現的設計不良,他都能挑出問題加以改良。他又嫌原廠搭配的彩色塑料味道太臭,自己找台塑開發新的塑料,沒有刺鼻臭味,安全更無虞。Alex在業務繁忙之餘,有時還必須徹夜守護列印中的產品,甚至練就出不怕燙的鐵砂掌!目前他秘密進行中的大計劃,就是3D列印一尊真人大小的初音未來!

 

鹿為公 Alex 

現任:鹿國科技有限公司 CTO 

專精系統架構規劃、軟體程式設計、結構化程式設計、網頁控制化及系統整合

曾任: 

美麗科技股份有限公司 RD / PM 

國立台灣大學數學與科學中心 /資料庫網頁設計開發

拍檔科技股份有限公司 s / RD 

 

 

3D 列印 The Big Show 

利他與利基

近兩年來3D 列印的聲勢風起雲湧,很多人誤以為這是一項全新的高端科技,其實,早在1980 年代,日本就已經將3D 列印的概念公開實作,然而,美國3D Systems 的創辦人Chuck Hull,是當今公認3D 列印技術的鼻祖,他定義了所謂的3D printer:立體光刻造型技術,也就是「增材」製造。一般實驗室都採用「減材」製造,以裁減割除的方式,直到剩下想要的部份,也就是以往的RP 快速成型系統。「但科學家就是想要無中生有啊 !」Alex 指出,減材製造的好處,其一,是不需浪費過多的材料;其二,「無中生有」的話,更能製造出一般CNC、RP 割不出來、做不出來的形狀。

探究3D 列印爆紅的原因,「其實主要還是在於兩年前廠商一個小疏忽,沒有繼續讓FDM 堆疊成型系統的專利延續下去,導致大家都可以自行DIY 生產列印機。畢竟FDM 系統是一個很簡單的結構,只是因為之前被人先申請了專利。」專利權開放後,真正讓外界開始發現: 有3D 列印機可以買了!「關鍵還是歸功於MakerBot 這家公司。在專利開放後,他們組成一個團隊研究軟硬體, 再開放出來讓大家做DIY,同時在網路上公開分享3D 列印應用的成功案例,十分利他主義。」例如幫助一些孩童做義肢,直接用3D 列印。

因為小朋友不斷發育成長,可能是手指少了一截,不可能每年去醫院訂製一個新的,於是他們想到3D 列印製作義肢,又可以自由活動,而且成本很低,可以一直重複去列印製作,手指長長、長大了,換一支新的就好。MakerBot 也很擅長製造好玩的話題,例如3D 列印食品和巧克力,得到媒體不少關注。後來RepRap 這個機構也出來,號稱完全開放的系統,任何人都可以利用其主機,軟體,加上印出來的零件去組成一台3D 列印機, 大家就從這裡開始研究3D 列印,也因為是集全世界的idea,才得以很迅速地把市場做大,同時提升精密度。

一如其他當紅的新興產業,週邊商品也跟著發展。隨著3D 列印技術的開發與提升,材質的種類也越來越多元。「目前已經開發出來的新材質, 包括一種可摺疊的彈性塑料,可以任意彎曲變形。」由於是彈性材質, 印出來之後還可以用手去加以塑型, 「因為有些特殊形狀很難印出來,非得要昂貴的機器不可。但是有了這款塑料,可以先印出雛形,再用手去調整出想要的形狀,就不需要購買昂貴機器了。」
3D 列印對3C 週邊產品的設計影響甚鉅。

 

太空製造 Made in Space

對於Made in XX很挑剔的人,也許日後會有新的下手目標:「太空製造」,恐怕會在地球引爆隕石落地的強大震撼。美國太空總署NASA的巨型計畫,考量從地球運輸到太空的成本太驚人。將3D列印機送上月球,直接採用月球的砂土為原料,3D列印太空站需要的重要硬體、零件或耗材,客製化設計,節省時間,也無須多餘人力。這台太空專用的3D列印機目前僅有一台,要經過無重力和各項硬體測試,預計2014年秋天可以將機器送上太空站。如果計畫能順利進行,未來要在月球上建築更大型的結構,甚至建立生產系統。

神乎其技

基於3D列印「無中生有」的原理,各方人馬對於各種引爆製造革命的可能性,無不躍躍欲試。「以SLS雷射燒結技術來說,美國太空總署NASA就想直接使用月球沙塵,3D列印出想要的元件。畢竟要把地球物資運到月球很困難,直接使用月球現有資源,勢必可以減少大量經費。另外在沙漠也能利用SLS技術,不用電,搭配太陽能和凹凸鏡,材料就是沙子,可以零成本一直製造。」

Alex還預估,3D列印主機板之後也會登場,因為電路圖可以用金屬印得出來的,美國已有人做出一層,目標是多層板。如此一來,可以真正減少大量的開發成本和污染,測試完成再請工廠大量製造,成本能從數萬降到數千!此外,食物列印也是許多人感興趣的主題,目前也依然有開發者鑽研客製化食物3D列印的技術,如西班牙巴塞隆納的Natural Machines 集資計畫,以後想吃包餡的義大利餛飩,用印的也行!

至於對專業產業其他重大影響,Alex直指光成形系統DLP,可能會在兩年後專利過期,造成新一波轟動。所謂的DLP,在日本又稱「光造型」,不像其他技術以點和線為基準,「DLP下面投影燈打上來,一個面就燒完了,速度超快。」DLP使用的光敏樹脂接近塑膠,也有較硬的質感,甚至能做成彈簧,印出來的外觀幾近無垢的透明,精細度直逼成品,「像手機製造時需要精細的卡榫設計,就適合用這種技術。」不過,目前DLP的機器價位動輒上千萬,光敏樹脂一公斤也要上萬元,業界都在引領期盼DLP專利快過期!

但是否意味3D列印的平價機時代也指日可待?「我認為不會。3D列印是講究技術的,並不會像印表機一樣,到最後買機器送墨水,因為它不是印表機,是從CNC、RP衍生而來的,是一項有技術的工業設計,不是家用印表機等級,它只會越來越貴,越來越好,價格不會盪到破盤的幾千塊。潛力開發空間非常大。」Alex認為,當兩年後直接3D列印出成品時,勢必又是一場真正的革命了。「誰存誰活,要看當時技術的情況。」目前當紅的FDM機器,想要維持身價和聲勢,除非提升列印速度和品質,開發更好的系統,例如變成一支機器手臂式列印機,不必固定在一個地方,讓人走到哪兒,印到哪兒。甚至變成一支筆,憑空畫出就成形,連列印都不必!

 

關於 3D 列印技術

3D列印是由不同類型的快速成型技術所組成,其製作原理透過材料層層累積堆疊,將數位三維模型圖檔製作成立體物品。該技術亦被稱為積層製造(Additive Manufacturing)。相較於傳統減法式加工技術,具備客製化、效率、省時以及低成本等優勢。作品精細度依照成型技術與採用的耗材而不同,從目前市面上主流的 FDM 3D 印表機至最新的 DLP 機型,可分類為以下4種:

 

使用材料 成型技術 類 型
擠出(Extrusion)

FDM 熔融沉積成型 

(Fused Deposition Modeling)

熱塑性塑料(Thermoplastics)
顆料(Granular)

SLS 選擇性雷射燒結

(Selective laser sintering)

熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末。(Thermoplastics, metal powders, ceramic powders)

粉末層噴頭 3D 列印

(Powder bed and inkjet head 3D printing)

PP 石膏3D列印 

(Plaster-based 3D Printing)

石膏(Plaster)
光固化成形法(Stereolithography)

光固化樹脂式

(Light polymerised)

DLP 數位光處理(Digital Light Processing)

光敏樹脂(Photopolymer)

 

FDM 熔融沉積成型 (Fused Deposition Modeling)

採用 FDM 技術的 3D 印表機主要利用材料擠出的原理,將熱塑化材料(如ABS樹脂、PLA聚乳酸)加熱軟化至半熔融狀態,接著圖檔根據電腦計算,將 3D 模型切層為 2D 幾何圖形,依照移動路徑分層列印。如同擠沙拉一樣從底層開始平面移動列印,完成後移動至上一層製作。反覆重複動作,一層一層堆疊出3D立體物品。

PP 石膏3D列印成型(Plaster-based 3D Printing)

PP 為3D彩色列印技術,最早是由美國麻省理工學院開始研發,同樣應用分層堆疊的列印技巧,內建類似噴墨印表機的多色噴嘴頭,在石膏粉末床上移動,選擇性地噴出固化膠水使其硬化成型。接著鋪上新的一層石膏粉末,重覆相同的處理步驟。當完成作品自動移除週邊多餘的石膏粉未。

SLS 選擇性雷射燒結成型(Selective Laser Sintering)

SLS 技術應用雷射粉末燒結原理,透過光學聚焦投射,使粉末材料燒結或融化成型。在電腦指定的路徑上選擇性地掃描,雷射光束熔融塑膠、金屬或陶瓷粉末,使其均勻地燒結成塊。完成一層掃描後,再向上或向下移動燒結新的一層。去除周邊未經雷射掃描的粉末材料、經過打磨與烘乾等處理步驟,即可得到最終成品。

DLP 數位光處理成型(Digital Light Processing)

DLP 3D 印表機原理以「面」為基準單位,利用 DLP 投影機準確地控制光源,直接投射高解析度影像於光固化液態樹脂,在暴露於光線環境下使其快速變硬成型。接著加入新一層光敏樹脂,重複步驟分層投射固化,最後排除液體留下實體模型。其作品精細度非常高,幾乎接近於成品,是未來 3D 列印技術的明日之星。

從無到有 Ideas Come True

專業 V. 素人?

3D 列印機的目標,不外乎讓每一個人都成為maker,當每一個人都有idea,去研究、開發、設計、創造,就會比少數人去想的東西要來得豐富,來得完善,再加上網路的助力,訊息交換快速,素人高手或許不輸專業設計師!例如MakerBot 提供的網頁平台Thingiverse.,集結來自全世界上傳的想法,提供免費下載檔案,可以直接拿去列印,任何機器、材質都能用。現在Thingiverse 還推出iOS 版的App,有瀏覽作品、收藏清單、按讚、上傳圖片分享等功能。

不過,目前要能做3D 列印的條件,還是要會畫3D 圖,「這取決於3D 掃瞄機能否平價化,讓大家可以直接掃描、列印檔案;如果不能平價化,或是品質不理想,就還是得回到CAD 電腦繪圖。」接下來等到3D 列印機更平價化、大眾化,觸及更廣泛的族群。「第三波就是軟體實力,可以減少很多要學CAD 的麻煩,有了軟體,點擊幾下,要什麼都能印出來。到時連一般家庭主婦都會用,因為廠商可能會改變做法:以後我販賣結構就好了,我在網路上放3D 圖,大家把圖印出來就好,或者可以再自行改造。」從此打破傳統中小企業製造—消費的模式。

改變中的消費型社會,商機也重新洗牌,例如當紅的集資網站,就計畫要開發出比目前市面上更好的機器。「早期要開發的集資金額較大。3D 列印開始盛行後,大家可以直接利用3D 列印機去開發3D 列印機,集資金額也就不用那麼多了。」

3D 軟體蓄勢待發 Freedom of Design

隨著 3D 印表機逐漸平價與普及,開啟個人製造的風潮,如何將腦中的想法轉換為三維立體圖型,3D 繪圖工具將是設計者的得力助手。但並非每個人都需要如此強大軟體與複雜的功能。因此操作簡單易用、資源分享或客製化服務將可能是未來 3D 軟體發展趨勢。

 


3D列印技術 我的現在與未來

訪問鳴周科技董事長 鄭凱文 Kevin 

採訪:余文萱 攝影/文字整理:吳仲承

3D 列印技術的角色及功能,是對於開發上很棒的一個輔助工具,像我們主要是在開發傢俱中的「控制類」產品,如觸控開關、紅外線開關、手勢開關等,所有的產品都是需要開模製造,這時候3D 列印技術就能發揮它最大的功效。

在這個產業競爭是非常講求速度的,而我利用3D 列印技術來提升在市場上的競爭力,它能加速我在產品設計開發的過程,並即時將我的想法列印出來,直接提拱給客戶參考,並在第一時間得到最初步的市場反應,這樣我就會立刻知道是否該開發這個產品,不用多花成本而且能減少非常多時間。

我對於工業革命的定義,是在於產業如何做到「大量生產」,但換個角度想,如果我將這個定義想像成是一個無形的產品,或是一個人的點子,這時候3D 列印技術就可以把全世界大大小小的點子即時做出來,其實這樣也變成算是某種形式的「大量」, 雖然這樣對單一產品的產量並不大,但是它的種類會變得非常多,只要你夠有想像力!所以我同意3D 列印技術可以加速工業的發展,因為它可以在第一時間把自己的想像力付諸於實現。

 

設計「軟」實力

持平而論,當前3D 列印技術最為人詬病之處,在於速度不快,也不能大量生產(郭董以生產角度考量,才會不看好3D 列印)。若以設計角度來看,優勢在於「one of a kind」的獨特性,可以減少開模的時間成本(開模以萬元起跳),幾個小時不經他人之手就能完成樣品, 不斷去測試到nal 的階段,再拿去工廠大量製作。

Alex 的客戶不乏中小企業主與設計師,根據他的觀察, 台灣走了太久代工的路,尚未思考到3D 列印對產業帶來的影響,可以減少大量時間成本,加快開發速度,甚至可以大膽研究一些想法:「一個十人團隊研究出一個構想或概念,再委外做出實體模型,花了一週時間和三、四萬,甚至十萬元的成本,一旦發現有問題,只能小改一下就出廠,因為不能再負擔額外的時間和成本,只好將就不盡理想的成果。如果有3D 列印機,這種情況就能徹底改變,一人一機,邊列印邊討論修改,結果就會非常不同。」

台灣要等到3D 列印很普及的時候,才會有軟實力出來。開發軟體讓大家上網點擊就完成設計,也不用畫CAD。或是在網路上直接購買,像App 一樣,下載檔案去3D 列印。Alex 認為台灣在軟體上值得期待,工程師們爆肝造就的軟實力很強,也許有機會在全球潮流中,從被動變主動。

 

Thingiverse 

免費 3D 模型資源庫

 

Thingiverse.com 是由 MakerBot 3D 印 表機廠商所創立的分享平台。在這裡集結由網友分享的 3D 模型資源,只要加入社群就可探索各式不同的設計作品、發佈自製的模型圖、給予評價、放入收藏櫃中。若找到喜愛的物品可免費下載,直接列印出來就能使用了。同時若你會使用3D 設計軟體,可依照所需自行修改。除了網站外, Thingiverse 也推出 iOS 版的行動 App,讓你隨時隨地與世界各地的使用者進行互動、瀏覽最新的作品、尋找設計靈感或追蹤分享者的近況。

 

Let's Pottery HD 

讓我們來創造!陶器

 

著名的跨平台 Let's create! Pottery HD App,藉由螢幕多點觸控技術玩陶藝,讓使用者輕鬆捏陶、燒窯、彩繪與上色,打造各式各樣不同的陶器,並可透過社群網站與好友分享自製的創意作品。Innite Dreams 遊戲開發商與法國 Sculpteo 3D 列印服務商於2013 年3 月結盟,提供客製化陶器列印服務,將數位3D 立體圖檔變為真正的陶瓷。採用 SLA(Stereolithography 光固化成形法) 技術的全彩色3D 印表機製作。用戶可上傳喜愛的作品, 費用依照陶器高度計算,分別為小型 2 吋高度(5.08 公分)14 美元、中型4 吋(10.16 公分)30 美元,以及大型 6 吋(15.24 公分)100 美元。

 

ZBrush 

3D 模型雕塑

 

ZBrush 為著名的 3D 建模與繪畫軟體,應用於電影、電玩遊戲、插畫、動畫特效等不同領域。內建 Zsphere 建模工具、多模型筆刷、DynaMesh 減面等功能,以及直覺的工作流程。給予設計者便捷與高度的操控自由,不需耗費時間即可為模型拓譜創作豐富的細節呈現,成為3D 動畫製作的主要工具之一。例如魔戒三部曲、阿凡達、復仇者聯盟等電影;或戰爭機器、暗黑破壞神III 等遊戲,都是以 zBrush 為製作工具。

 

3D列印 An Idea Engine 

 

3D 列印不僅只是單純的列印物品,工業型機構列印或商業設計導向需求不同,如何將模型印出是一門技巧與學問。因此在選購印表機時,良好的售後服務是個重要的考量因素。了解成型方式、材料的掌控、各項操作調整,藉此熟悉設備性能與累積經驗。若具備3D繪圖設計相關操作技能,可根據耗材軟硬、黏濁度、拉力等物理特性,評估是否分解列印。多方面條件考量決定如何拆解模型、從那一面開始塑模以及如何組裝模型,以降低失敗機率。3D繪圖軟實力將為3D列印帶來更方便的操控彈性、更多不同的創新與應用。

MarkerBot Replicator 2 是目前市面上最好的桌上型 3D 列印機種之一,採用 FDM 熔融沉積成型技術,提供一個快速且簡單的立體塑模解決方案。

1. 3D模型設計

首先使用3ds Max、Maya或SolidWorks等3D繪圖軟體設計模型,在完成作品後,將檔案輸出為 .STL、.OBJ 等格式。

2. 檢視模型圖檔

打開MarkerBot 3D 印表機提供的瀏覽軟體,開啟3D 繪圖軟體輸出之圖檔或從Thingiverse下載資源於列印前檢視模型。

3. 模型微調

接著在列印前確認各項細節,依照需求為3D模型進行微調,MarkerBot 軟體可執行放大、縮小、變形或變更 X/Y/Z 軸尺寸或指定噴頭等操控功能。

4. 參數設定

按下 Make 開啟列印對話視窗,確認數值與設定參數後,點選 Export 開始列印。依照複雜度不同,可斟酌於原始圖檔中拆解模型分解列印、組裝,但如何列印將考驗設計者的智慧。

5. 準備列印

可由電腦傳送檔案至印表機,或儲存於SD卡直接讀取列印。機器啟動開始加溫到預設的環境條件。依照塑料材質不同,控制面版可自定調整環境溫度、列印速度、精緻度等參數。

6. 列印模型

設備熱機後,根據模型大小決定塑模時間,需數小時成型。平台為Z軸向上移動,噴嘴延著X/Y軸開始擠料分層堆疊列印。

7. 作品完成

經過一段時間等待完成列印後,可為模型後製加工,例如使用噴漆著色。若為拆解列印,組裝模型後即大功告成。