精準畫出完美曲面 輕鬆建構3D模型

嘉航科技股份有限公司3D CAD技術工程部經理張哲榮。

模型建構是3D列印相當重要的前製流程，PTC平台提供的各種功能，將可協助使用者快速繪出完美曲線，提升模型設計速度。
內文：模型建構是3D列印的核心技術，有了完整的建模技術，列印機方能精準製造出所需的產品，在「3D模型建構—曲面在逆向掃描與自由外型之應用」議題中，嘉航科技股份有限公司3D CAD技術工程部經理張哲榮，從技術面深入剖析3D模型建構的重點。

精準掌握3D列印前製重點

在演講開始前，產品設計軟體大廠PTC先介紹目前該公司在3D列印的布局，PTC指出目前許多研究報告都已指出，3D列印的成長相當快速，然而就廠商投入現況來看，此一市場仍屬藍海，而台灣的產業屬性與3D列印相當符合，因此台灣產業在此市場的發展十分可期。

3D列印的優點在於節省開模費用及時間，同時對傳統製程來說，屬於難以製造的複雜產品形狀，在3D列印也可輕易完成，不過目前多數業者都將目光聚焦在塑膠材質方面，但PTC指出，由於新技術及量產成本的考量，金屬才會是目前工業界3D列印的重點研發。

例如歐洲的空中巴士公司(Airbus Group)，在多年前就將3D列印列為其標準製程(http://www.bbc.com/news/technology-32597809)，來縮短交期及降低生產成本，其中金屬更是其一，空中巴士的金屬零件採用積層製造，利用焊接或雷射的方式，將金屬層層燒結堆疊出產品樣貌，然而金屬燒結外觀難以控制，因此必須使用後加工方式處理外觀表面。為避免影響飛機的安全性，空中巴士目前3D列印所製造的製品，均為小零件，而非大型部件。

3D列印與傳統製造方式不同，傳統的製造方式是透過車床、銑床等工具切削出成品，這屬於減法製造，3D列印則是層層堆疊製造出成品，這屬於加法製造(Additive Manufacturing；AM)，不過隨著3D技術的成熟，現在已有CNC廠商導入3D列印技術，2014年全球工具機大廠森精機就已展出將3D列印技術應用在其5軸加工機上，而大陸也開始有CNC廠商導入相關技術，然而作為全球CNC重鎮的台灣，目前仍無廠商投入，因此PTC呼籲台灣CNC廠商應儘快展開動作。

回到PTC在3D列印的布局，PTC提醒有意導入3D列印者必須瞭解AMF(Additive Manufacturing File Format)檔案格式標準(http://www.astm.org/Standards/F2915.htm)，目前3D列印檔案格式標準(STL) ，曲面的品質有待改進，導致於3D列印在使用這種檔案格式標準執行時，外觀曲面不佳，所以新的檔案格式標準AMF，來解決這個問題，大幅提升外觀表面曲面精度。

表面精細度之後，3D列印前的第2個重點是輕量化，然而輕量化必須兼顧製品的強固性，3D列印在前端建模設計時，其材料材質都設定為實體，然而實體一來會使得物件重量大增，二來3D列印的材料成本仍高，因此目前產品在3D列印前，都會先將構造網格化，藉以減輕重量及材料用量。

然而從實體變成網格化，必會影響物件的強度，因此第3個部分就是這時就必須考慮成品的應力與受力，使其兼顧強固性，PTC平台可輸入物件的受力與應力，使用者可選擇網格形狀(例如：六面蜂巢)，系統會依據前面設定的受力與應力條件，自動調整網格的形狀及厚度，直到並找出最佳化的網格型態，來滿足3D成品的輕量、強固特色。

打造完美曲面  彈性調整設計

回到主議題「3D模型建構—曲面在逆向掃描與自由外型之應用」，張哲榮從「3D列印流程」與「模型處理準備」兩方面進行探討，在列印流程方面，目前各供應商都會提供各自的3D列印流程，其中的共通點是在列印前期，系統都會要求提供模型建構，在前端準備，他指出2個部分，首先是「仿真」，這可利用掃描器掃描要列印的產品外觀，再將數據輸入3D列印機列印出來，但這種方式只能進行1次性生產，無法開模大量製造，另外1種則是「原創」，從最前端開始設計，設計完成後再做成型輸出。

仿真設計部分，掃描出來的模型往往無法完全與被掃描品相同，因此需要進行局部的表面處理，這類調整可從表面的三角網格著手，例如先產生曲線後，再實際輸出所需要的曲面，此一曲面可在延續至後端製程如開模、加工等運用。

另外在原創方面，建模前端通常會有工業設計工程師參與，工業工程師在設計產 發想階段，使用鉛筆、彩色筆等工具勾勒出產品外型，當外型繪製出來後，再利用Creo freestyle(自由成型)虛擬油土手法創建產品形體，之後再使用Creo ISDX(曲面設計)調整細部造型，完成3D產品模型，當模型成後，此檔案程式也可延伸應用到後端模具設計、NC加工等製程。

在建立模型時，有一些細節必須注意，首先是Sketch，這可透過Creo這類平台，在初期勾勒出產品線條，這些線條可結合數位板來建構產品設計發想，這些前期建立的線條，在後端也可被應用。

提供完善平台  加速台灣3D列印進展

第2是freestyle虛擬油土，張哲榮指出，許多工程師都相當喜歡此一功能，由於3D列印工程師提案時，都需有多個3D設計圖檔以供客戶或主管選擇，而在提案時，這些圖檔常被要求修改，freestyle可將圖檔分割為幾個幾何形狀，透過表面的點、線拖曳，工程師即可輕鬆改變圖形的樣貌，此一功能指令簡單，利用右鍵的轉盤介面就可操作，所建構的產品，其表面相當滑順，由於操作容易，工程師可以在短時間內，就可建構出產品模型。

張榮哲在現場以客戶的公仔設計為例展示，此一公仔的腳部形狀複雜，但在設計時只用一個曲面進行調整，即可完成複雜形狀，而設計完成後，客戶若對腳部形狀有意見，這時也可因應客戶需求，直接在介面上快速調整其外觀，而若已傳統的曲面調整方式，就要花費長時間來回調整參數，而當產品設計完成，要進入量產時，此軟體有會提供分析工具，透過參數檢查圖形的曲面滑順或曲面內部長出時，其肉厚區間是否足夠？

除了外觀調整外，張榮哲表示，使用者也可輕鬆調整製品顏色，另外3D列印時，大面積產品往往會耗費大量列印時間，這時就可利用軟體調整其表面面積，面積之外，會影響列印時間的還有產品的列印方向，這時就可利用軟體調整產品方向，以提升列印的順暢度。

張榮哲最後指出，3D列印已成為製造業的既定趨勢，台灣過去多著重在硬體設計與製造，軟體部分的投注相對較少，嘉航科技除了代理PTC軟體外，也累積相當深厚的專業經驗，可提供有意投入3D列印者追業的諮詢，由於初期建模是3D列印中相當重要的流程，這部分需要透過各種工具的混搭使用，方能快速建構出精準模型，張榮哲希望透過PTC模擬平台的功能運用與嘉航科技的專業協助，能協助台灣產業加速3D列印的導入。