推展开源平台技术 Autodesk翻转积层设计新思维

台湾欧特克股份有限公司资深技术经理蔡进忠。

Autodesk是全球知名工程绘图软件大厂，在3D打印领域中，不但推出SPARK计划，整合相关软硬件资源，也协助创新者实现3D打印新技术。

针对3D打印，Autodesk台湾分公司资深技术经理蔡进忠指出，目前3D打印还有品质、速度、成本、材料、环保等等待解决的技术问题。因为3D打印是一种积层制造，也就是经由材料的层层堆叠，因此并非所有材料都适用，例如玻纤或新材料，可能导致打印生产时良率不佳。

另外在品质方面，积层制造仍无法克服因表面堆叠而成的粗糙问题，无法像射出成型的塑胶制品在成型后表面光滑或是做出既定的花纹。另外速度也是关键问题之一，例如手机塑料外壳，射出成型周期大概只须10几秒，但3D打印就需花费数小时。而且积层制造是由材料堆叠而成，成品容易因应力集中导致外型较脆弱，目前仍难以克服。

玩转自造   实现个人创意

尽管目前诸多问题仍待克服，但3D打印是制造业的未来趋势。尤其近年来产业兴起「第4波工业革命」风潮，与前几次工业革命的「大量生产」、「自动化」有所不同，第4次工业革命的重点是生产「定制化」、「个人化」产品。在新的产业概念下，3D打印具备的弹性、订制生产的特性，将在这波变革中，占有绝对的优势。

3D打印对未来制造业最大的意义，是将制造权由企业下放到一般民众，只要拥有一台3D打印设备与绘图软件，人人都可以玩自造。我们以烤面包机为例，以往这类设备尚未发明时，烘烤的制程在面包店进行。当家用烤面包机发明量产后，人人都可以在家中随时烘烤，而且不需要具备相关技术。

3D打印也是如此，现在基本功能的3D打印设备价格已经平民化，操作使用也相当容易。但问题是「面包在哪里？」，对3D打印来说，3D模型就等于是烤面包机的面包。目前面包店满街都是，要烘烤面包只要到街上购买即可，但3D打印所需的3D模型图档并非随处可得，自行设计绘制需要有易用而且合法的3D-CAD软件，这些都是3D打印推广普及化必须面对的关卡。

为了满足个人使用者创绘3D模型的需求，Autodesk在几年前就推出「Autodesk 123D」创作软件。这套软件是专为个人玩转自造，实现创意而生，使用者可轻松建立自己想像的3D模型。这套软件颇受好评，全球有许多业余设计师或个人工作室使用Autodesk 123D软件设计创建产品。

然而单纯的产品设计已不敷所需，走向商品化的产品开发需要有组装、机构模拟、分析与后续的制造辅助等功能。因此Autodesk在2年前推出了Fusion 360平台，这是基于云端应用的CAD/CAM/CAE软件套件，功能横跨造形设计、工程结构、加工制造与专案协作，目前可在个人电脑、平板及手机上运行，让使用者可随时随地落实创意。

我们透过一个简单的案例介绍Fusion 360的应用，这个案例是以Fusion 360为残障人士设计建造假肢。首先在Fusion 360中建立专案并邀请其他相关人员参与。开始先将概念草绘在专案中分享讨论，接着以实体与曲面进行假肢的建模。外观设计完成后，为防止假肢无法符合承重，设计者可在Fusion 360中模拟已设计的假肢强度，以分析假肢的应力应变，避免残疾人士使用时因假肢断裂而跌倒。

设计过程中，可随时与团队人员分享，只要透过个人电脑、平板或手机连上网络，即可进行讨论评议。设计完成后除可输出至3D打印机外，也可以透过Fusion 360进行加工规划、计算刀具路径、产生NC程序，直接在CNC机台上加工。

另外Fusion 360也提供3D打印前模型处理功能，以提高3D打印的效率及良率。当您的模型要输出至3D打印时，须做些重要的前置处理。例如：模型的尺寸必须符合用于打印的设备的工作范围，而且模型最好能以最低高度的方式摆放，且较长的一端要放在材料印出方向，也就是平行于X轴，以缩减打印时间。

另外模型在打印过程中如果无法自行站立(例如陀螺)或是部分形状印制时会暂时腾空，则必须在输出打印前建立支撑。Autodesk提供柱状节省材料、时间的方式自动建立支撑。除了Fusion 360外，Autodesk在2016新版的Inventor中，也提供3D打印前处理功能，让使用者能以最佳的方式进行3D打印制作。

突破传统困境  积层设计发光

相对于3D打印，传统制造方式对产品设计会有较多的限制，例如塑件以射出成型方式生产，设计时必须迁就开模方向、脱模等问题，还有以机械加工切削方式制造，必须考虑刀具切削的可行性。这些传统制造方式面对的问题，若以积层制造则可跳脱限制。消费者都希望购买的产品质轻、坚固且易于携带，因此高强度、轻量化的产品设计是潮流的趋势。

大自然的神奇为我们带来惊奇，我们可以师法自然界的动植物骨架，设计出最佳的质轻高强度产品，例如飞禽的骨架具有中空、强韧且形状精简的特色。但参考飞禽骨架的设计，若以传统方式制造会非常困难，若以积层制造则可简单实现。

让我们回到实际产业面，传统制造导向的设计思维常会受到生产可行性的限制，例如：大多数的产品会被设计成简单的几何形状以利于制造。但以3D打印积层制造的思维，则可跳脱传统制造的困境，单纯考虑将产品设计成最佳的轻量、高强度形状。欧洲的航太大厂空中巴士(Airbus)即以此为发想，设计出不同于以往的未来飞机机体雏型，让飞机的减重、增强设计更加的完美。

目前制造业实际应用积层制造的设计方案也越来多，例如传统的模具冷却设计，只以简单的直线贯联整体的回路，以利于使用钻孔方式加工，不便设计成更贴近产品形状的水路，让降温更有效率。目前已有多家厂商实现以3D打印方式制造模仁，突破限制让冷却水路可以贴近产品形状，加速冷却，缩短成型周期，这种新的冷却设计技术叫做随型冷却。

Spark计划软硬兼施  激发创新

为整合3D打印的资源与技术并赞助具潜力的创新团队，Autodesk在2014年5月成立了Spark计划，提供资金与相关技术给予合作夥伴。这项计划包含三部分，第一部分是提供开源硬件，让参与计划的成员可合法使用。第二部分是开源软件，除了提供3D打印设备的驱动、机电整合外，也提供3D模型前处理技术，以及创建3D模型的软件。第三部分则是新材料测试，Autodesk协助计划成员测试新打印材料的各项特性，促进3D打印在材料方面的突破。

为加速推动3D打印的发展，Autodesk自行设计了一款名为「Ember」的3D打印机。Autodesk开发这项设备并非为了商业销售，而是展现3D打印的软硬件技术并将蓝图分享给合作夥伴。目前Ember的打印精度可达0.01毫米，在3D打印中算是高精度等级，因此Ember可用于贵重金属的3D打印实作。目前Autodesk已经将自己设计的3D打印机Ember的完整立体模型图档，公诸于世。

因为Spark计划的成效相当亮眼，微软与Autodesk将携手合作共同推动3D打印业界标准，并且于即将推出的Windows 10操作系统中整合Spark平台技术，让使用者可以自行输出模型进行3D打印制作。参与Spark计划的合作夥伴，包含许多全球知名企业，例如打印机市占最高的HP公司，还有全球第一家推出在线3D打印服务的Shapeways网站，以及3D打印整车零件的Local Motor公司，使用4D打印连身洋装的Nervous System公司，还有全球第一家使用3D打印包覆电路板的Voxel8公司等等。

为了资助具有潜力的创新团队，Autodesk公司提拨一亿美元作为奖助基金。近期内持续赞助许多单位，例如提供美元一千万元赞助Carbon3D公司持续研发翻转3D打印的CLIP连续液面生产方案，让这项能提高3D打印百倍速度的革命性技术加速育成。

同时也资助德国Stuttgart大学进行以多组机械手臂交互进行3D打印的创新方案。还有资助荷兰Joris Laarman博士的实验室进行MX3D金属空焊成型技术，以创新的方式打印构建巧妙的产品。

成立于1982年的Autodesk公司，企业目标是致力于协助人们想像、设计及创造一个更美好的世界。相信经由推展Spark计划，我们将能更快与您共同解决3D打印的技术问题，让积层设计的新思维带来更多令人惊叹的产品，并且协助制造业加速创新，晋身工业4.0新境界。