推展開源平台技術 Autodesk翻轉積層設計新思維

台灣歐特克股份有限公司資深技術經理蔡進忠。

Autodesk是全球知名工程繪圖軟體大廠，在3D列印領域中，不但推出SPARK計畫，整合相關軟硬體資源，也協助創新者實現3D列印新技術。

針對3D列印，Autodesk台灣分公司資深技術經理蔡進忠指出，目前3D列印還有品質、速度、成本、材料、環保等等待解決的技術問題。因為3D列印是一種積層製造，也就是經由材料的層層堆疊，因此並非所有材料都適用，例如玻纖或新材料，可能導致列印生產時良率不佳。

另外在品質方面，積層製造仍無法克服因表面堆疊而成的粗糙問題，無法像射出成型的塑膠製品在成型後表面光滑或是做出既定的花紋。另外速度也是關鍵問題之一，例如手機塑料外殼，射出成型週期大概只須10幾秒，但3D列印就需花費數小時。而且積層製造是由材料堆疊而成，成品容易因應力集中導致外型較脆弱，目前仍難以克服。

玩轉自造   實現個人創意

儘管目前諸多問題仍待克服，但3D列印是製造業的未來趨勢。尤其近年來產業興起「第4波工業革命」風潮，與前幾次工業革命的「大量生產」、「自動化」有所不同，第4次工業革命的重點是生產「客製化」、「個人化」產品。在新的產業概念下，3D列印具備的彈性、訂製生產的特性，將在這波變革中，佔有絕對的優勢。

3D列印對未來製造業最大的意義，是將製造權由企業下放到一般民眾，只要擁有一台3D列印設備與繪圖軟體，人人都可以玩自造。我們以烤麵包機為例，以往這類設備尚未發明時，烘烤的製程在麵包店進行。當家用烤麵包機發明量產後，人人都可以在家中隨時烘烤，而且不需要具備相關技術。

3D列印也是如此，現在基本功能的3D列印設備價格已經平民化，操作使用也相當容易。但問題是「麵包在哪裡？」，對3D列印來說，3D模型就等於是烤麵包機的麵包。目前麵包店滿街都是，要烘烤麵包只要到街上購買即可，但3D列印所需的3D模型圖檔並非隨處可得，自行設計繪製需要有易用而且合法的3D-CAD軟體，這些都是3D列印推廣普及化必須面對的關卡。

為了滿足個人使用者創繪3D模型的需求，Autodesk在幾年前就推出「Autodesk 123D」創作軟體。這套軟體是專為個人玩轉自造，實現創意而生，使用者可輕鬆建立自己想像的3D模型。這套軟體頗受好評，全球有許多業餘設計師或個人工作室使用Autodesk 123D軟體設計創建產品。

然而單純的產品設計已不敷所需，走向商品化的產品開發需要有組裝、機構模擬、分析與後續的製造輔助等功能。因此Autodesk在2年前推出了Fusion 360平台，這是基於雲端應用的CAD/CAM/CAE軟體套件，功能橫跨造形設計、工程結構、加工製造與專案協作，目前可在個人電腦、平板及手機上運行，讓使用者可隨時隨地落實創意。

我們透過一個簡單的案例介紹Fusion 360的應用，這個案例是以Fusion 360為殘障人士設計建造義肢。首先在Fusion 360中建立專案並邀請其他相關人員參與。開始先將概念草繪在專案中分享討論，接著以實體與曲面進行義肢的建模。外觀設計完成後，為防止義肢無法符合承重，設計者可在Fusion 360中模擬已設計的義肢強度，以分析義肢的應力應變，避免殘疾人士使用時因義肢斷裂而跌倒。

設計過程中，可隨時與團隊人員分享，只要透過個人電腦、平板或手機連上網路，即可進行討論評議。設計完成後除可輸出至3D列印機外，也可以透過Fusion 360進行加工規劃、計算刀具路徑、產生NC程式，直接在CNC機台上加工。

另外Fusion 360也提供3D列印前模型處理功能，以提高3D列印的效率及良率。當您的模型要輸出至3D列印時，須做些重要的前置處理。例如：模型的尺寸必須符合用於列印的設備的工作範圍，而且模型最好能以最低高度的方式擺放，且較長的一端要放在材料印出方向，也就是平行於X軸，以縮減列印時間。

另外模型在列印過程中如果無法自行站立(例如陀螺)或是部分形狀印製時會暫時騰空，則必須在輸出列印前建立支撐。Autodesk提供柱狀節省材料、時間的方式自動建立支撐。除了Fusion 360外，Autodesk在2016新版的Inventor中，也提供3D列印前處理功能，讓使用者能以最佳的方式進行3D列印製作。

突破傳統困境  積層設計發光

相對於3D列印，傳統製造方式對產品設計會有較多的限制，例如塑件以射出成型方式生產，設計時必須遷就開模方向、脫模等問題，還有以機械加工切削方式製造，必須考慮刀具切削的可行性。這些傳統製造方式面對的問題，若以積層製造則可跳脫限制。消費者都希望購買的產品質輕、堅固且易於攜帶，因此高強度、輕量化的產品設計是潮流的趨勢。

大自然的神奇為我們帶來驚奇，我們可以師法自然界的動植物骨架，設計出最佳的質輕高強度產品，例如飛禽的骨架具有中空、強韌且形狀精簡的特色。但參考飛禽骨架的設計，若以傳統方式製造會非常困難，若以積層製造則可簡單實現。

讓我們回到實際產業面，傳統製造導向的設計思維常會受到生產可行性的限制，例如：大多數的產品會被設計成簡單的幾何形狀以利於製造。但以3D列印積層製造的思維，則可跳脫傳統製造的困境，單純考慮將產品設計成最佳的輕量、高強度形狀。歐洲的航太大廠空中巴士(Airbus)即以此為發想，設計出不同於以往的未來飛機機體雛型，讓飛機的減重、增強設計更加的完美。

目前製造業實際應用積層製造的設計方案也越來多，例如傳統的模具冷卻設計，只以簡單的直線貫聯整體的迴路，以利於使用鑽孔方式加工，不便設計成更貼近產品形狀的水路，讓降溫更有效率。目前已有多家廠商實現以3D列印方式製造模仁，突破限制讓冷卻水路可以貼近產品形狀，加速冷卻，縮短成型週期，這種新的冷卻設計技術叫做隨型冷卻。

Spark計畫軟硬兼施  激發創新

為整合3D列印的資源與技術並贊助具潛力的創新團隊，Autodesk在2014年5月成立了Spark計畫，提供資金與相關技術給予合作夥伴。這項計畫包含三部分，第一部分是提供開源硬體，讓參與計畫的成員可合法使用。第二部分是開源軟體，除了提供3D列印設備的驅動、機電整合外，也提供3D模型前處理技術，以及創建3D模型的軟體。第三部分則是新材料測試，Autodesk協助計畫成員測試新列印材料的各項特性，促進3D列印在材料方面的突破。

為加速推動3D列印的發展，Autodesk自行設計了一款名為「Ember」的3D列印機。Autodesk開發這項設備並非為了商業銷售，而是展現3D列印的軟硬體技術並將藍圖分享給合作夥伴。目前Ember的列印精度可達0.01毫米，在3D列印中算是高精度等級，因此Ember可用於貴重金屬的3D列印實作。目前Autodesk已經將自己設計的3D列印機Ember的完整立體模型圖檔，公諸於世。

因為Spark計畫的成效相當亮眼，微軟與Autodesk將攜手合作共同推動3D列印業界標準，並且於即將推出的Windows 10作業系統中整合Spark平台技術，讓使用者可以自行輸出模型進行3D列印製作。參與Spark計畫的合作夥伴，包含許多全球知名企業，例如印表機市佔最高的HP公司，還有全球第一家推出線上3D列印服務的Shapeways網站，以及3D列印整車零件的Local Motor公司，使用4D列印連身洋裝的Nervous System公司，還有全球第一家使用3D列印包覆電路板的Voxel8公司等等。

為了資助具有潛力的創新團隊，Autodesk公司提撥一億美元作為獎助基金。近期內持續贊助許多單位，例如提供美元一千萬元贊助Carbon3D公司持續研發翻轉3D列印的CLIP連續液面生產方案，讓這項能提高3D列印百倍速度的革命性技術加速育成。

同時也資助德國Stuttgart大學進行以多組機械手臂交互進行3D列印的創新方案。還有資助荷蘭Joris Laarman博士的實驗室進行MX3D金屬空焊成型技術，以創新的方式列印構建巧妙的產品。

成立於1982年的Autodesk公司，企業目標是致力於協助人們想像、設計及創造一個更美好的世界。相信經由推展Spark計畫，我們將能更快與您共同解決3D列印的技術問題，讓積層設計的新思維帶來更多令人驚嘆的產品，並且協助製造業加速創新，晉身工業4.0新境界。