精准画出完美曲面 轻松建构3D模型

嘉航科技股份有限公司3D CAD技术工程部经理张哲荣。

模型建构是3D打印相当重要的前制流程，PTC平台提供的各种功能，将可协助使用者快速绘出完美曲线，提升模型设计速度。
内文：模型建构是3D打印的核心技术，有了完整的建模技术，打印机方能精准制造出所需的产品，在「3D模型建构—曲面在逆向扫描与自由外型之应用」议题中，嘉航科技股份有限公司3D CAD技术工程部经理张哲荣，从技术面深入剖析3D模型建构的重点。

精准掌握3D打印前制重点

在演讲开始前，产品设计软件大厂PTC先介绍目前该公司在3D打印的布局，PTC指出目前许多研究报告都已指出，3D打印的成长相当快速，然而就厂商投入现况来看，此一市场仍属蓝海，而台湾的产业属性与3D打印相当符合，因此台湾产业在此市场的发展十分可期。

3D打印的优点在于节省开模费用及时间，同时对传统制程来说，属于难以制造的复杂产品形状，在3D打印也可轻易完成，不过目前多数业者都将目光聚焦在塑胶材质方面，但PTC指出，由于新技术及量产成本的考量，金属才会是目前工业界3D打印的重点研发。

例如欧洲的空中巴士公司(Airbus Group)，在多年前就将3D打印列为其标准制程(http://www.bbc.com/news/technology-32597809)，来缩短交期及降低生产成本，其中金属更是其一，空中巴士的金属零件采用积层制造，利用焊接或雷射的方式，将金属层层烧结堆叠出产品样貌，然而金属烧结外观难以控制，因此必须使用后加工方式处理外观表面。为避免影响飞机的安全性，空中巴士目前3D打印所制造的制品，均为小零件，而非大型部件。

3D打印与传统制造方式不同，传统的制造方式是透过车床、铣床等工具切削出成品，这属于减法制造，3D打印则是层层堆叠制造出成品，这属于加法制造(Additive Manufacturing；AM)，不过随着3D技术的成熟，现在已有CNC厂商导入3D打印技术，2014年全球工具机大厂森精机就已展出将3D打印技术应用在其5轴加工机上，而大陆也开始有CNC厂商导入相关技术，然而作为全球CNC重镇的台湾，目前仍无厂商投入，因此PTC呼吁台湾CNC厂商应尽快展开动作。

回到PTC在3D打印的布局，PTC提醒有意导入3D打印者必须了解AMF(Additive Manufacturing File Format)档案格式标准(http://www.astm.org/Standards/F2915.htm)，目前3D打印档案格式标准(STL) ，曲面的品质有待改进，导致于3D打印在使用这种档案格式标准执行时，外观曲面不佳，所以新的档案格式标准AMF，来解决这个问题，大幅提升外观表面曲面精度。

表面精细度之后，3D打印前的第2个重点是轻量化，然而轻量化必须兼顾制品的强固性，3D打印在前端建模设计时，其材料材质都设定为实体，然而实体一来会使得物件重量大增，二来3D打印的材料成本仍高，因此目前产品在3D打印前，都会先将构造网格化，藉以减轻重量及材料用量。

然而从实体变成网格化，必会影响物件的强度，因此第3个部分就是这时就必须考虑成品的应力与受力，使其兼顾强固性，PTC平台可输入物件的受力与应力，使用者可选择网格形状(例如：六面蜂巢)，系统会依据前面设定的受力与应力条件，自动调整网格的形状及厚度，直到并找出最佳化的网格型态，来满足3D成品的轻量、强固特色。

打造完美曲面  弹性调整设计

回到主议题「3D模型建构—曲面在逆向扫描与自由外型之应用」，张哲荣从「3D打印流程」与「模型处理准备」两方面进行探讨，在打印流程方面，目前各供应商都会提供各自的3D打印流程，其中的共通点是在打印前期，系统都会要求提供模型建构，在前端准备，他指出2个部分，首先是「仿真」，这可利用扫描仪扫描要打印的产品外观，再将数据输入3D打印机打印出来，但这种方式只能进行1次性生产，无法开模大量制造，另外1种则是「原创」，从最前端开始设计，设计完成后再做成型输出。

仿真设计部分，扫描出来的模型往往无法完全与被扫描品相同，因此需要进行局部的表面处理，这类调整可从表面的三角网格着手，例如先产生曲线后，再实际输出所需要的曲面，此一曲面可在延续至后端制程如开模、加工等运用。

另外在原创方面，建模前端通常会有工业设计工程师参与，工业工程师在设计产 发想阶段，使用铅笔、彩色笔等工具勾勒出产品外型，当外型绘制出来后，再利用Creo freestyle(自由成型)虚拟油土手法创建产品形体，之后再使用Creo ISDX(曲面设计)调整细部造型，完成3D产品模型，当模型成后，此档案程序也可延伸应用到后端模具设计、NC加工等制程。

在建立模型时，有一些细节必须注意，首先是Sketch，这可透过Creo这类平台，在初期勾勒出产品线条，这些线条可结合数码板来建构产品设计发想，这些前期建立的线条，在后端也可被应用。

提供完善平台  加速台湾3D打印进展

第2是freestyle虚拟油土，张哲荣指出，许多工程师都相当喜欢此一功能，由于3D打印工程师提案时，都需有多个3D设计图档以供客户或主管选择，而在提案时，这些图档常被要求修改，freestyle可将图档分割为几个几何形状，透过表面的点、线拖曳，工程师即可轻松改变图形的样貌，此一功能指令简单，利用右键的转盘界面就可操作，所建构的产品，其表面相当滑顺，由于操作容易，工程师可以在短时间内，就可建构出产品模型。

张荣哲在现场以客户的公仔设计为例展示，此一公仔的脚部形状复杂，但在设计时只用一个曲面进行调整，即可完成复杂形状，而设计完成后，客户若对脚部形状有意见，这时也可因应客户需求，直接在界面上快速调整其外观，而若已传统的曲面调整方式，就要花费长时间来回调整参数，而当产品设计完成，要进入量产时，此软件有会提供分析工具，透过参数检查图形的曲面滑顺或曲面内部长出时，其肉厚区间是否足够？

除了外观调整外，张荣哲表示，使用者也可轻松调整制品颜色，另外3D打印时，大面积产品往往会耗费大量打印时间，这时就可利用软件调整其表面面积，面积之外，会影响打印时间的还有产品的打印方向，这时就可利用软件调整产品方向，以提升打印的顺畅度。

张荣哲最后指出，3D打印已成为制造业的既定趋势，台湾过去多着重在硬件设计与制造，软件部分的投注相对较少，嘉航科技除了代理PTC软件外，也累积相当深厚的专业经验，可提供有意投入3D打印者追业的谘询，由于初期建模是3D打印中相当重要的流程，这部分需要透过各种工具的混搭使用，方能快速建构出精准模型，张荣哲希望透过PTC模拟平台的功能运用与嘉航科技的专业协助，能协助台湾产业加速3D打印的导入。