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3D打印开源平台 挑战无限可能

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台湾欧特克资深技术经理蔡进忠。
台湾欧特克资深技术经理蔡进忠。

随着制造科技的迅速发展,一波波的工业革命也随之而来。台湾欧特克资深技术经理蔡进忠认为,第一次工业革命,本质上是生产力的提升,关键在于用机器取代人力;第二次工业革命,则是制造效率的提升,关键在于用电脑取代人工,许多作业都已电脑化;第三次工业革命的重点,则是注重定制化,追求个性化商品的制造,相关科技如3D打印也因此应运而生。

促成第三次工业革命的因素,首先是巨量数据分析技术的出现,虽然巨量数据技术并非崭新的技术,但近年来因为相关软硬件的成熟,终于可以让企业完整的记录客户的行为,包括喜欢买什麽或是做什麽,然后做进一步的应用;其次则是物联网的出现,可以让物物相联,应用在工厂制造,可以让工厂生产的元件信息彼此互通,最后也是最重要的,就是3D打印。

3D打印会成为制造业新的潮流,追溯本源,首先是从2012年10月Shapeways在纽约成立,提供在线3D打印服务开始,然后在2013年1月,美国总统欧巴马在国情咨文提出「3D打印可以振兴工业」后,业界便开始纷纷投入3D打印的技术研发或产品制造上。

如Nike公司在2013年2月积极投入3D打印,并用于开发新款运动鞋,目前已经有部分鞋款的鞋底,确实已经在用3D打印制作,尤其是针对需要特殊设计如扁平足的鞋款,更是需要使用3D打印技术;微软在2013年7月宣布Windows 8.1支持3D打印输出功能;NASA在2013年8月试射装有3D打印制造零件的火箭引擎;Amazon及其他知名的网络商场,也都在2013年陆续开始行销3D打印设备。

3D打印会在这麽短的时间迅速崛起,与3D打印的专利解禁,有着相当密切的关系。蔡进忠指出,3D打印技术在1980年代即已出现,从第一代的快速原型,到模具及工具的发展,进而发展到数码制造及个人自造的产业趋势,促成更多厂商投入,降低3D打印成本,使用的人也就愈来愈多,更因此激发出大量生产以外的商机,3D打印的产业趋势可说已经具体成形。

3D打印的基本概念,其实跟打印机相当类似,只是打印机在印出一般文件时,打印时只能印出一层墨水,但3D打印则是使用多层打印技术,一层一层的堆叠起来,而制造出产品。

3D打印的技术可以从材料来分类,也因此在不同的时期会有不同的名称,使用固态材料的技术有LOM,使用半固态材料的技术则有FDM,使用液态材料的有SLA、DLP及SGC,半液态材料技术则称为MJM,最后则是使用粉末材料技术的SLS及PGP,但不管是使用哪一种材料,3D打印最常见到的称呼方式,主要就是积层制造(Additive Manufacturing)及快速原型(Rapid Prototyping)这两种说法。

3D打印对于工业制造最大的影响之一,就是改变产品及模具的开发流程。蔡进忠指出,有了3D打印技术,包括产品打样、可动样品等,都可在模具开模前完成,确定产品外观及机构动作的方式。

早期由于3D打印成本高,所以应用在前述产品开发流程的机会,并不是很大。近年来包括材料及制程技术的改进,投入的厂商愈来愈多后,目前的3D打印技术,从创意概念的形成,到产品建模,确认造型、机构及电子设计后,就可以上传模型,执行3D打印,进而直接生产成品,模具开发的流程可以整个省略掉。

但不是所有的产品都可以这麽做,蔡进忠指出,3D打印只适合个性化的小量生产,不能取代大量制造。以个人电脑的组成为例,其中电路板、铁件,目前的3D打印技术都做不出来,只有塑件还有一点可能。

3D打印不能取代大量制造的瓶颈,主要原因就是3D打印成品是采积层制造,无法像射出成形技术一样,做出表面很光滑、组织很密实的商品,可以说是积层制造技术的宿命。此外,带有金属镶件的产品如手机外壳,3D打印目前做不出来。还有轻薄短小的产品为了加强韧性常使用玻纤材质,也无法以3D打印生成。

此外,3D打印的成型周期时间比较长,如果使用射出成型填充一个塑胶件,可能只需要几秒钟。但如果使用3D打印,可能需要几小时打印成型。但3D打印技术虽然有很多技术瓶颈,但在个性化、小量制造(不需要开模)、不需要进行产线规划的领域,仍然有很大的商业发展空间。

3D打印技术能够顺利用于产品设计上,蔡进忠认为有两个重要的里程碑,首先就是1986年,3D System推出全球第一台RP设备SLA1,让3D打印技术走出实验室,开始商业化,成为真正的商品。

另外则是MakerBot公司推出硬件开源平台,让3D打印技术细节公开,激发更多的厂商积极参与3D打印设备开发;2014年5月,欧特克(Autodesk)宣布启动SPARK开源专案,希望能用类似Google Android的软件开源平台授权方式,让厂商可以取得3D打印关键技术,让3D打印更普及化。

欧特克3D打印开源平台可以分为平台授权、设计建模、模型后制及硬件蓝图4个部分,开源平台将会针对硬件制造厂商,免费授权使用平台架构,并提供正向或逆向建模,以实现设计美好的创意。提供打印成型前网格模型的转位、修补及建立支撑,也会提供3D打印设备的硬件技术范本及API,让厂商可以迅速应用欧特克已经测试过的技术及材料,切入3D打印设备制造领域。

欧特克3D打印开源平台,采用专利已经解禁的SLA光固化成型技术。SLA的制程是先用雷射光聚焦,被照射的地方就会凝结,透过积层制造技术,就可让凝结的材料一层一层的堆叠成所需要的产品。

但3D打印就像一部音箱,如果没有好的音乐媒体,就很难展现出好音箱的价值。因此除了要掌握3D打印设备制造技术,更重要的是如何将3D打印融入产品创作流程。市场上虽然有许多3D打印设备已经开始行销,但如果没有好的创意、好的软件以建立产品的3D模型,再好的3D打印设备,也是英雄无用武之地。

因此,欧特克针对3D打印的典型创作流程,推出Autodesk 123D应用软件。提供产品设计建立3D模型及输出成STL网格,提供CAD技术。例如Autodesk 123D Catch可以让个人利用云端运算的强大能力逆向建模,也就是将既有的成品照相,上传自动转换为立体的3D模型,也可以下载回来后再做修正。

另外Autodesk 123D Sculpt,可以让使用者在iPad上雕塑和描绘3D创意作品,就像在真实世界捏黏土一样,用作捏塑创意,然后输出至3D打印以完成创作。

针对某些创作品可能无法以3D打印生成,例如陀螺的外型无法直接以积层方式制作,因为生产过程陀螺无法保持直立。这类模型在3D打印生产前需要做调整、切片建支撑,才能如预期地被制造生成。使用Autodesk Meshmixer能重新调整、组合不同模型,建立积层制造成型时所需的切片及支撑,可用作模型后制处理。

虽然目前3D打印技术仍有很多瓶颈需要解决,欧特克公司希望可以透过3D打印软件开源平台建立社群,让各方英才集思广益,共同测试新材料、探索新制程、建立行业标准,相信只要大家一起努力,3D打印科技的明天将会更加美好。