妙用CAD軟體 使3D列印效益淋漓盡致
- 高鳴矯
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在2012年，英國「經濟學人」雜誌大膽預言，隨著3D列印技術推波助瀾，可望掀起一股「自造者(Maker)」浪潮，甚至帶動人類史上第三次工業革命，為傳統製造業的生產及營運模式，造成前所未見的巨大改變。
科技部長張善政在行政院政務會談上也提出建言，有鑑於3D立體設計已成為現代設計的主流，實有必要讓學校教育體系的年輕學子，及早有機會使用3D立體列印工具，藉此激發學生對創意設計的興趣；此一建議，讓行政院長江宜樺深表認同，旋即指示教育部確認技職經費分配狀況，俾使高中職學生普及使用立體列印機。
上述政策建言，實與「經濟學人」的第三次工業革命理論遙相呼應，堪稱具有前瞻性，畢竟放眼全球，自造者是相當火紅的趨勢，而自造者之所以崛起，與3D列印技術息息相關，由此看來，儘早讓年輕學子接觸3D立體列印機，可謂立意良善。
況且，礙於全球競爭激烈、產品毛利趨低，稱得上是台灣重要經濟支柱的資訊電子與機械產業，正處在盤旋待變的轉折點，亟需尋找新的出口，建立下一波的利基優勢；在轉型過程中，3D列印必然是十分重要的元素之一，政府有意朝此項技術紮根，怎麼看都是好事。
只不過，凡事總有一體兩面，有人叫好，當然也會有人唱衰，這個立體列印機的政策美意，也不能例外。與其說是唱衰，不如說是憂慮還更為貼切，憂慮的理由是，讓學生習著如何打造出自己的3D列印，確實是很好的修習課程，但重點應是藉由此一過程學習自造者精神，並培育創意實力，所以原始設計最為重要；一味側重於硬體，也因此而花了大把鈔票，如果學生只是從網路上搜尋下載別人的設計作品，然後透過3D列印加以輸出，恐怕會讓原本的美意應聲折損。
因此，如何讓學生培養駕馭3D CAD設計軟體的能力，恐怕比懂得操作3D立體列印機還來得重要，如同有人形容，3D CAD設計圖檔與3D列印之間的關係，就好比微軟Office之於普通印表機一般，兩者互為因果，缺一不可。
接下來的篇幅，就讓我們逐步來釐清，究竟3D列印、自造者與3D CAD軟體彼此之間，存在著何等關聯性？
3D列印加法成型 迥異傳統CNC模式
先從3D列印說起。它乃是藉由電腦數位技術，把虛擬的位元，轉換成具體的原子，算是一種累加式的流程，電腦依照已儲存的電腦輔助設計(CAD)模型，再利用「積層」(Additive)原理，將諸如如木質、塑料、玻璃、金屬或複合材料等各種不同的材質原料，一層層連續推疊固化，如同堆樂高積木般，終至製造出各式3D物件，不管是玩具、飾品、零組件、工藝品、假牙，甚至是非法的槍械武器，都曾透過此模式應運而生。
有人或許好奇，傳統以數值控制工具機(CNC)為基礎的加工技術，不也同樣可以製造3D物件，與3D列印又有何不同？最大的歧異在於，過往CNC採用的是「移除」(Subtractive)原理，通常仰賴切削或鑽孔程序，借助三軸或五軸同動的刀頭，將偌大木頭、塑膠、玻璃、金屬等材料切割出成品，以達到所需的設計。
綜上所述，傳統的製造工法，可被歸為「減法成型」，而3D列印則是「加法成型」，兩相比較，後者顯而易見的好處，即是節省材料成本。當然，除了3D印表機外，自造者亦可運用雷射切割機製作出一個個平面構件，再將它們拼裝成為3D物件，同樣也可實現加法成型的新思維。
至於自造者潮流，則與轟動一時的「長尾理論」作者Chris Anderson ，在2012年末出版的「Makers: The New Industrial Revolution」新書，有相當程度的關聯。
Chris原本擔任Wired 雜誌主編，多年前購買一套3D 印表機，儘管是屬於早期的 MakerBot Cupcakes機型，功能略顯陽春，但已足他大開眼界，也促使其決定告別媒體業職涯，轉而投入製造業，因為他堅信，有了3D 印表機後，從事製造生產業務，未必得倚靠專業工廠來執行。
影響所及，Chris在其家中建立小型的工作室，除了3D 印表機外，還一舉配置了桌上型三軸CNC鑽床、3D掃描器、CAD軟體及桌上型手壓式注射製模機，這些器具每項花費都不超過2,000美元，而且操作方式極為簡便，就如同一般噴墨印表機容易上手。
他先利用CAD軟體設計出原型，再藉由CNC鑽床與及鋁塊產製模型，繼而透過注射製模機創造出成品；他並透露，運用這般模式，一小時產出300餘件作品絕非難事，因此短短數日即可製造數以千計產品，且生產成本僅需數百美元。
綜上所述，一旦透過Chris所揭櫫的自造者生產模式，製造出成品的時程，可以從過去的數個月急縮為幾天，生產成本可從原本的數萬、甚至數十萬美元，驟降為數百美元，一來一往之間差距甚大，無怪乎其「Makers: The New Industrial Revolution」大作一出，立即讓舉世為之震撼，只因為沿襲已久的製造業運作模式，有可能在一久之間被大舉顛覆！
如同書中描述，一個名為Local Motors的社群，一批同好靠著自造者精神的實踐，利用現有的零件，用很短的時間即拼裝出讓人驚艷的Rally Fighter跑車。此外，近年來備受矚目的電動車廠商Tesla，也算是自造者精神的實踐者，其所生產的每一項零件，都可隨時被重新設定，無論車門內的飾板的色澤，乃至電池模組內的電池配置數量，都可說變就變，變了之後還能透過室內試車過程立即檢驗，倘若發生問題，即能隨即解決。
更令人津津樂道的例子，當非Peddle Watch莫屬；這家原本名不見經傳的小公司，依循自造者模式快速實現創意，產製出一支支與iPhone或Android搭配的手錶，後續市場反應之熱烈程度，遠比大廠Sony所生產Smartwatch，還要高出一大截。
善用CAD軟體 堪稱3D列印基本功
看完前述內容，讀者們理應不難領略，所謂的3D列印、自造者等趨勢浪潮，在在足以突破傳統，發揮「小蝦米戰勝大鯨魚」奇效，無怪乎能在短時間掀起陣陣旋風。
若暫且拋開個人、小型工作坊格局，這股趨勢，對於台灣為數龐大的中小型製造商，又將帶來何等啟發？
事實上，許多中小型製造商，並不缺創意巧思，但往往難以將之付諸實踐，轉化為憾動市場的優質產品，主要的癥結，便在於傳統模式下的建模成本過於高昂，如同Chris在書中所言，當製造商完成設計圖檔後，必須送交專家製成模型，接著再交由注射製模工廠製作成品，此一過程起碼得耗時至少兩個月，成本高於1萬美元，不管在於時間或金 錢，對於中小型製造商不啻是巨大負荷。
然而借助3D列印技術，再搭配利用設計模擬軟體的擬真功能，即可巧妙繞過層層路徑，憑藉低廉的成本、迅捷的速度，讓創新獲得具體實踐，從而使營運績效，獲致突破性發展。
但不要忘了，3D印表機讀取的設計圖檔，不論是藉由CAD軟體直接繪製，抑或利用3D掃描器將物件掃描成數位檔案，然後再利用CAD軟體編輯修圖，都脫離不開CAD應用；也就是說，自造者或中小型製造商，必須透過3D CAD軟體進行產品建模，產生具有參數的3D CAD圖檔，接著轉換為STL格式，才能輸入至3D印表機進行列印。
可以想見，輸入3D印表機的3D CAD圖檔，擁有的參數愈準確，成品的精度才會愈高，顯見CAD軟體確實重要性。因此，不管是自造者或製造商，意欲成為第三次工業革命浪潮下的贏家，在為3D印表機硬體怦然心動之餘，亦需紮穩馬步，先學會如何善用CAD軟體，強化3D設計的基本功。
