妙用CAD软件 使3D打印效益淋漓尽致
- 高鸣矫
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在2012年，英国「经济学人」杂志大胆预言，随着3D打印技术推波助澜，可望掀起一股「自造者(Maker)」浪潮，甚至带动人类史上第三次工业革命，为传统制造业的生产及营运模式，造成前所未见的巨大改变。
科技部长张善政在行政院政务会谈上也提出建言，有监于3D立体设计已成为现代设计的主流，实有必要让学校教育体系的年轻学子，及早有机会使用3D立体打印工具，借此激发学生对创意设计的兴趣；此一建议，让行政院长江宜桦深表认同，旋即指示教育部确认技职经费分配状况，俾使高中职学生普及使用立体打印机。
上述政策建言，实与「经济学人」的第三次工业革命理论遥相呼应，堪称具有前瞻性，毕竟放眼全球，自造者是相当火红的趋势，而自造者之所以崛起，与3D打印技术息息相关，由此看来，尽早让年轻学子接触3D立体打印机，可谓立意良善。
况且，碍于全球竞争激烈、产品毛利趋低，称得上是台湾重要经济支柱的信息电子与机械产业，正处在盘旋待变的转折点，亟需寻找新的出口，建立下一波的利基优势；在转型过程中，3D打印必然是十分重要的元素之一，政府有意朝此项技术紮根，怎麽看都是好事。
只不过，凡事总有一体两面，有人叫好，当然也会有人唱衰，这个立体打印机的政策美意，也不能例外。与其说是唱衰，不如说是忧虑还更为贴切，忧虑的理由是，让学生习着如何打造出自己的3D打印，确实是很好的修习课程，但重点应是藉由此一过程学习自造者精神，并培育创意实力，所以原始设计最为重要；一味侧重于硬件，也因此而花了大把钞票，如果学生只是从网络上查找下载别人的设计作品，然后透过3D打印加以输出，恐怕会让原本的美意应声折损。
因此，如何让学生培养驾驭3D CAD设计软件的能力，恐怕比懂得操作3D立体打印机还来得重要，如同有人形容，3D CAD设计图档与3D打印之间的关系，就好比微软Office之于普通打印机一般，两者互为因果，缺一不可。
接下来的篇幅，就让我们逐步来厘清，究竟3D打印、自造者与3D CAD软件彼此之间，存在着何等关联性？
3D打印加法成型 迥异传统CNC模式
先从3D打印说起。它乃是藉由电脑数码技术，把虚拟的位元，转换成具体的原子，算是一种累加式的流程，电脑依照已储存的电脑辅助设计(CAD)模型，再利用「积层」(Additive)原理，将诸如如木质、塑料、玻璃、金属或复合材料等各种不同的材质原料，一层层连续推叠固化，如同堆乐高积木般，终至制造出各式3D物件，不管是玩具、饰品、零组件、工艺品、假牙，甚至是非法的枪械武器，都曾透过此模式应运而生。
有人或许好奇，传统以数值控制工具机(CNC)为基础的加工技术，不也同样可以制造3D物件，与3D打印又有何不同？最大的歧异在于，过往CNC采用的是「移除」(Subtractive)原理，通常仰赖切削或钻孔程序，借助三轴或五轴同动的刀头，将偌大木头、塑胶、玻璃、金属等材料切割出成品，以达到所需的设计。
综上所述，传统的制造工法，可被归为「减法成型」，而3D打印则是「加法成型」，两相比较，后者显而易见的好处，即是节省材料成本。当然，除了3D打印机外，自造者亦可运用雷射切割机制作出一个个平面构件，再将它们拼装成为3D物件，同样也可实现加法成型的新思维。
至于自造者潮流，则与轰动一时的「长尾理论」作者Chris Anderson ，在2012年末出版的「Makers: The New Industrial Revolution」新书，有相当程度的关联。
Chris原本担任Wired 杂志主编，多年前购买一套3D 打印机，尽管是属于早期的 MakerBot Cupcakes机型，功能略显阳春，但已足他大开眼界，也促使其决定告别媒体业职涯，转而投入制造业，因为他坚信，有了3D 打印机后，从事制造生产业务，未必得倚靠专业工厂来执行。
影响所及，Chris在其家中建立小型的工作室，除了3D 打印机外，还一举配置了桌上型三轴CNC钻床、3D扫描仪、CAD软件及桌上型手压式注射制模机，这些器具每项花费都不超过2,000美元，而且操作方式极为简便，就如同一般喷墨打印机容易上手。
他先利用CAD软件设计出原型，再藉由CNC钻床与及铝块产制模型，继而透过注射制模机创造出成品；他并透露，运用这般模式，一小时产出300余件作品绝非难事，因此短短数日即可制造数以千计产品，且生产成本仅需数百美元。
综上所述，一旦透过Chris所揭櫫的自造者生产模式，制造出成品的时程，可以从过去的数个月急缩为几天，生产成本可从原本的数万、甚至数十万美元，骤降为数百美元，一来一往之间差距甚大，无怪乎其「Makers: The New Industrial Revolution」大作一出，立即让举世为之震撼，只因为沿袭已久的制造业运作模式，有可能在一久之间被大举颠覆！
如同书中描述，一个名为Local Motors的社群，一批同好靠着自造者精神的实践，利用现有的零件，用很短的时间即拼装出让人惊艳的Rally Fighter跑车。此外，近年来备受瞩目的电动车厂商Tesla，也算是自造者精神的实践者，其所生产的每一项零件，都可随时被重新设定，无论车门内的饰板的色泽，乃至电池模块内的电池配置数量，都可说变就变，变了之后还能透过室内试车过程立即检验，倘若发生问题，即能随即解决。
更令人津津乐道的例子，当非Peddle Watch莫属；这家原本名不见经传的小公司，依循自造者模式快速实现创意，产制出一支支与iPhone或Android搭配的手表，后续市场反应之热烈程度，远比大厂Sony所生产Smartwatch，还要高出一大截。
善用CAD软件 堪称3D打印基本功
看完前述内容，读者们理应不难领略，所谓的3D打印、自造者等趋势浪潮，在在足以突破传统，发挥「小虾米战胜大鲸鱼」奇效，无怪乎能在短时间掀起阵阵旋风。
若暂且抛开个人、小型工作坊格局，这股趋势，对于台湾为数庞大的中小型制造商，又将带来何等启发？
事实上，许多中小型制造商，并不缺创意巧思，但往往难以将之付诸实践，转化为憾动市场的优质产品，主要的症结，便在于传统模式下的建模成本过于高昂，如同Chris在书中所言，当制造商完成设计图档后，必须送交专家制成模型，接着再交由注射制模工厂制作成品，此一过程起码得耗时至少两个月，成本高于1万美元，不管在于时间或金 钱，对于中小型制造商不啻是巨大负荷。
然而借助3D打印技术，再搭配利用设计模拟软件的拟真功能，即可巧妙绕过层层路径，凭藉低廉的成本、迅捷的速度，让创新获得具体实践，从而使营运绩效，获致突破性发展。
但不要忘了，3D打印机读取的设计图档，不论是藉由CAD软件直接绘制，抑或利用3D扫描仪将物件扫描成数码档案，然后再利用CAD软件编辑修图，都脱离不开CAD应用；也就是说，自造者或中小型制造商，必须透过3D CAD软件进行产品建模，产生具有参数的3D CAD图档，接着转换为STL格式，才能输入至3D打印机进行打印。
可以想见，输入3D打印机的3D CAD图档，拥有的参数愈准确，成品的精度才会愈高，显见CAD软件确实重要性。因此，不管是自造者或制造商，意欲成为第三次工业革命浪潮下的赢家，在为3D打印机硬件怦然心动之余，亦需紮稳马步，先学会如何善用CAD软件，强化3D设计的基本功。
