設計軟體讓3D列印更有想像力

設計軟體效能的提升，讓3D列印的應用越來越廣。DIGITIMES攝

3D列印已成未來製造技術要角，透過設計輔助軟體，3D列印擺脫既有縣市世界的實體限制，賦予產品更多想像力。

3D列印專利陸續過期後，各廠商紛紛投入發展，尤其結合近年來技術飛快成長的IT與材料技術後，更讓3D列印成為新世代創業顯學，甚至進一步觸發了數位直接製造概念(Direct Digital Manufacture)概念，所謂的數位直接製造意即揚棄傳統的設計、打樣、試產、開模、生產等程序，直接生產將生產環節扁平化，跳過中間的打樣、開模等環節，讓生產不僅可以「隨時」更可「隨地」，顛覆了以往製造業必須有一定的資本密集慣例。

3D列印製造前景雖然看好，不過並不會即時發生在眼前，就有業界人士指出，目前3D列印的熱潮很大一部分原因來自於媒體的大量炒作，從實際應用面來看，3D列印仍有相當多技術瓶頸需要克服，不過他也指出，這些瓶頸的克服只是時間問題，從長期來看，3D列印的趨勢已成，只是未來會與現有大量製造模式分工，仍有待市場磨合。

3D列印與大量製造的分工

從應用面來看，3D列印雖有隨時、隨地製造的特色，不必像傳統製造，必須經過打樣、開模等程序，不過這種直接製造的優點也正為其缺點，傳統的模具生產方式，雖然從設計到生產需要長時間且大量資金的投注，但其平均成本會依量產規模的增加逐步下跌，這種透過大量製造來攤分初期與固定成本的作法，3D列印完全無法達成，3D列印不管製造數量多寡，從1個到1,000個，每產品的一單位成本均為固定，因此前幾年此技術被大量炒作時，甚至有人喊出「3D列印將取代現有製造模式」的口號，就實務面來看並不可能。

至於這兩種生產模式會如何分工？業界人士指出，傳統製造方式會維持現有的市場，這部分3D列印無法涉入，它會開創出另一市場，此一市場的單一產品量能不大，但對客製化設計需求相當深，像是現在已有航空公司利用Fused Deposition Modeling(FDM)技術製作原型、加工和部件製造。FDM 相容 ULTEM 9085 等高性能熱塑塑膠，可製造夾具、固定裝置、檢測計和最終用途飛行器部件，航空航太工業的設計師們早已將 FDM 用於概念模型製作和原型製作。

另外則是醫療領域，前幾年就有歐洲國家透過電腦斷層建構出口腔癌病患的顎骨形狀，以3D列印出專屬該病患的金屬器官，另外更多應用是在牙科，現已有越來越多牙科實驗室開始採用數位化牙科，採用3D列印作為其業務策略的一部分，牙科實驗室不僅可加速零件製作，還能提高品質和精度，3D 列印將數位化設計的效率帶到生產階段，通過結合使用口腔掃描、CAD/CAM 設計和 3D 列印，牙科實驗室可以準確、快速的生產牙冠、齒橋、石模型和一系列的矯治器。使用 3D 印表機，牙科實驗室可消除手工建模的瓶頸，促使業務向前發展。

除了醫療與航太外，市場上還有須多因設計成分高，無法使用大量製造的產品，如珠寶飾品、玩具公仔等，這裡就不一一列舉，也因為未來將走向量少、高設計之路，因此電腦輔助設計的軟體平台，對3D列印來說會格外重要。

設計輔助軟體的問世

歷史上的第一個電腦設計工具出現在1950年代，當時是用來進行特殊計算，60年代這類軟體開始商業化，當時一套軟體售價高達50萬美元，1982年電腦軟體廠商歐特克(Autodesk)重新定義這類繪圖軟體，希望將它定位成可在桌上型電腦中運行的低成本繪圖文字處理器「Micro CAD」，這個時間點也是3D列印機的設計起源期，當然當時雙方不並不知道彼此，歐特克的Micro CAD也非為3D列印機所使用。

Micro CAD的革命性不只在於其低廉的售價，更重要的是此軟體在桌上型電腦即可運作，在MicroCAD之前，市場主要使用的繪圖軟體為Computervision CAD，此一軟體僅能在大型主機上使用，當時這些大型主機售價約在7萬美元左右，相對之下，在只須1萬5千美元的桌上型電腦即能運作的Micro CAD無疑更具競爭力，雖然當時桌上型電腦仍在起步，不過隨著性價比逐漸提升，Micro CAD的市場優勢越來越高。

MicroCAD問世初期，主要是用來處理2D圖形，並可作為建築樓層平面圖，隨著需求出現，歐特克陸續加強其功能，並更名為AutoCAD，現在的AutoCAD在3D建模領域中已是相當知名的軟體平台。

設計軟體最主要的功能，是無縫捕捉類比實體世界的練序性和幾何本質，並將其縮減為離散的二進位單元，光是對人類來說，要向別人轉述實體物件的形狀即已相當困難，要更精確、清晰的讓機器了解此事，更是艱鉅的挑戰。

實體建模與曲面建模

目前3D列印的設計軟體主流有兩類，包括「實體建模」與「曲面建模」，實體建模主要為工程施與工業設計師所使用，實體建模為使用者提供了一個由現成立方體、圓柱體、球體和其他標準物理形狀組成的形狀庫，使用者選擇所需要的形狀圖檔，將之拉伸、剪裁、組合，形成所需的形狀，調整為獨特的設計。

實體建模問世於1990年代，當時電腦的運算能力剛剛能做到讓設計軟體「記住」以前設計中的重複內容，允許使用者來回查看這些重複的設計，撤銷以做出的更改，以及回頭過來更動尺寸，這些我們現在視為理所當然的功能，在當時並非如此，也因電腦開始具備此一能力後，CAD軟體開始出現飛越性成長。

現在的CAD軟體可以輕易融入企業供應鏈，工程師若要更動某一零組件設計，可透過軟體查知公司相關產品的庫存變化，比較新零件與現有零件，若決定設計新零件，系統會自動紀錄其變動，讓管理者充分掌握所有資訊。

曲面建模最早應用於卡通動畫，功能逐漸提升後，現在許多電玩遊戲和圖形公司設計師也開始採用，曲面建模得出主要是因應實體建模圖形庫中，無法滿足特殊形狀的需求。

曲面建模的圖像設計方式，是將形狀包在規則多邊形所構成的虛擬網裡，曲面建模也被稱為多邊形建模，組成虛擬網的每個多邊形，都對應著虛擬網格上的一個數據點，設計軟體將每個數據點儲存起來，以便於設計師使用，目前多數3D模型都採用三角形的表面網格建構，由於此類結構相當靈活，且資訊易為電腦處理，因此應用越來越廣。

曲面建模擺脫了原始塊狀和球狀限制，其主要特色是表現曲面的表層活動，而非機器零件的組裝，因此曲面建模軟體可說是平面設計師的白板，在此基礎上，設計師可為產品增加更多細節，如表面光澤、紋理等。

3D掃描把實體世界數位化

除了實體建模與曲面建模外，3D掃描也是近年來3D列印設計輔助的重要技術，3D掃描經由1組3維座標描繪實體物品的形狀，掃描資料介於實體建模軟體設計的原始形狀，和曲面建模軟體中包裝數位物件的虛擬網格之間，3D掃描將實體物件的掃描數據回傳給設計軟體，設計軟體透過運算將掃描出來的每個座標點轉換為表面網格，藉以形成物品形狀。

3D掃描開闢了設計新領域，對難有設計檔的物件如植物、人體器官、石頭礦物來說，3D掃描技術可完全彌補實體建模與曲面建模的不足，成為類比實體世界與二進位數位世界的溝通橋樑，而透過3D掃描與實體、曲面的建模技術，更多創意將被實現，3D列印的發展也將更具想像力。