3D打印組件化研究

曹民和+王春源+賴勇軍+楊美美+時維寧

摘 要 本研究創(chuàng)新提倡發(fā)展“3D打印組件”就是要促進(jìn)3D打印能讓絕大多數(shù)一般人參與，幾乎以無障礙的方式導(dǎo)入，因此能夠使這個產(chǎn)業(yè)發(fā)展地更全面，更迅速。以tinkercad做建模工具，說明這種“3D打印組件”的設(shè)計方法與發(fā)展過程，也驗證了其可有效率地加以實踐。

關(guān)鍵詞 3D打印組件；3D打印商業(yè)模式；tinkercad；3D打印模型設(shè)計腳本

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）202-0148-04

“3D 打印是制造業(yè)的革命”，這句話我們聽了很久了，也看到了社會上許多人，包括各種3D機器的制造者、公民營研發(fā)單位、許多買了打印機的“maker”，不斷在努力使用3D打印。我們不禁要問：為什么這個產(chǎn)業(yè)一直只聽樓梯響，未見人下樓，一直遲遲沒有發(fā)展起來，或者說為什么一直發(fā)展得很慢。

要回答這個問題，就要先說說為甚么3D打印是制造業(yè)革命。我們回憶一下，在30年以前，你要寫一份文稿，并且把它打印出來，那是多么的困難，那時公民營機構(gòu)都還有設(shè)立專職的中英文打字小姐?，F(xiàn)在呢？在幾乎人人會計算機與家家有打印機的狀況下，打字印刷，由其是小量與客制的文件，已由工廠或?qū)Ｈ舜ぃD(zhuǎn)化成人人都是文件的設(shè)計者與制造者，這就是2D打印創(chuàng)造了印刷革命的成功案例。3D打印產(chǎn)業(yè)與2D打印有許多相似的地方：例如都是人人參與設(shè)計與打印，都是可以利用網(wǎng)絡(luò)傳遞設(shè)計作品。所以不論2D打印還是3D打印，我們可以歸納出它們的共同特性是：1）人人都是設(shè)計者也是制造者；2）學(xué)習(xí)設(shè)計不算難，打印設(shè)備不算貴；3）設(shè)計之產(chǎn)品可由網(wǎng)絡(luò)傳輸。與2D打印產(chǎn)業(yè)不同的是，3D打印大幅度擴(kuò)大了產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，可以說各種傳統(tǒng)量產(chǎn)產(chǎn)品，可能部份地被這種新產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品取代。

但是，為什么3D打印發(fā)展得很慢？回憶起來，2D打印產(chǎn)業(yè)要把每個人都教會使用計算機文書軟件不也用了30年的時間。3D打印與2D打印有類似的進(jìn)入障礙，也許3D打印完全發(fā)展開來可能會比30年要快一些，但肯定也需要一些時間。3D打印全面開始發(fā)展也才；三四年左右，要全面展開也許需要另外四五年左右才進(jìn)入成熟期。

本研究創(chuàng)新提倡發(fā)展”3D打印組件”就是要促進(jìn)3D打印能夠發(fā)展的更全面，更迅速。何謂“3D打印組件”？就是3D打印模型設(shè)計者不僅僅是設(shè)計一個3D打印模型，而是根據(jù)產(chǎn)品的需求，將功能、尺寸、商標(biāo)、與其他組件結(jié)合等四項設(shè)計要素，配合關(guān)鍵可調(diào)變量、組件設(shè)計腳本與組件模塊的使用，使3D打印模型設(shè)計者，從一個模型設(shè)計，變成一個組件的設(shè)計。這個組件，可輕易、精準(zhǔn)、快速且廉價地設(shè)計出消費者需要的模型。若進(jìn)一步能將物聯(lián)網(wǎng)的致動組件、儲能組件、控制組件、通訊組件導(dǎo)入，更可使3D打印組件如虎添翼。

3D打印組件化的發(fā)展，最主要的目標(biāo)是將一般人，幾乎以無障礙的方式導(dǎo)入這個產(chǎn)業(yè)。這里一般人指的是絕大多數(shù)不方便去學(xué)習(xí)建?；虿僮鞔蛴C的人。這種人不需要學(xué)建模，也不要買3D打印機器，只要根據(jù)需求指定組件規(guī)格，買回組件，就可組立出自己想要的產(chǎn)品，甚至在網(wǎng)絡(luò)銷售自己作品。當(dāng)3D產(chǎn)業(yè)演進(jìn)到這種人人可加入設(shè)計行列的階段，應(yīng)該就是將大幅起飛的時候了。

本研究將以谷歌公司免費3D組件模型設(shè)計軟件tinkercad當(dāng)作建模工具，來說明3D打印組件化的實際實現(xiàn)。Tinkercad除了免費開源以外，本身為使用者提供了一個云端存放空間與一個使用者共享平臺。所謂云端存放空間，就是在登錄進(jìn)入tinkercad后，可新增許多項目，項目里面有許多設(shè)計案，每個設(shè)計就是一個自行設(shè)計模型的實例。設(shè)計編輯完畢會自動存放于項目里，任何時間可再叫出來修改。尤其是tinkercad提供了設(shè)計模型的原始程序，可由用戶自行修改，并且設(shè)計完的作品也可發(fā)布到共享平臺，讓其他設(shè)計者下載免費使用。

下面分別以文獻(xiàn)回顧、可調(diào)參數(shù)模型設(shè)計、3D打印組件規(guī)格化與組件腳本與組件模塊做進(jìn)一步的討論，最后是結(jié)論。

1 文獻(xiàn)回顧

這幾年來3D打印的發(fā)展非常迅速，相關(guān)的研究與論文也相當(dāng)豐富，但是大多是關(guān)于3D打印材料或打印機與專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究，關(guān)于市場方面的相對較少。

唐娜等人提出[ 1 ]，為了更好地適應(yīng)市場，3D打印市場銷售應(yīng)有如下新的理念：

1）平臺化和集成化。技術(shù)的平臺化和集成化可以很大程度縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

2）標(biāo)準(zhǔn)化。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化是為了讓產(chǎn)品擁有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范產(chǎn)品的行業(yè)性。

3）可再利用。產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中總會存在冗余，而這些冗余基本被浪費了，所以我們將這些冗余材料進(jìn)行再生產(chǎn)，以減少成本提高利用率。

4）構(gòu)件化。提出構(gòu)件化的理念是為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險。

劉宇鶴提出應(yīng)將傳統(tǒng)3D打印平臺打造成新的創(chuàng)意社區(qū)服務(wù)平臺[ 2 ]，允許所有人參與進(jìn)來，其系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成。

1）社區(qū)協(xié)作交流版塊。其中包含了兩個模塊：第一個是協(xié)作模塊，其作用在于能讓參與設(shè)計者進(jìn)行互動，實時互動或延時互動，參與者在設(shè)計過程中進(jìn)行相互協(xié)作。第二個是設(shè)計評價模塊，在概念設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段、技術(shù)研究階段以及制造階段，每一個不同的階段都需要感興趣的參與者對其進(jìn)行評價。目的在于整個設(shè)計過程中讓用戶參與，可以使創(chuàng)造出的產(chǎn)品更加符合用戶的需求，為繼續(xù)設(shè)計以及后續(xù)的環(huán)節(jié)提高整體的成功率。

2）設(shè)計管理版塊。在這一板塊中，主要是用來管理和儲存設(shè)計過程中的資源及文檔。其中分為兩個模塊，第一個是文件模塊。這一模塊的作用是儲存用戶上傳的創(chuàng)意文稿、模型文件等，方便參與設(shè)計的用戶自行管理。第二個是檢測模塊，這一模塊通過程序技術(shù)自動跟蹤設(shè)計流程，促使整個創(chuàng)造及設(shè)計流程的自動化。

3）計算機輔助軟件版塊。是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計算機輔助設(shè)計軟件的應(yīng)用及整合。在這一板塊中，嘗試在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中搭建開放式的協(xié)作工具，以便讓更多沒接觸過的用戶更好上手，以便更好的改善和簡化在設(shè)計過程中的相關(guān)協(xié)作。

4）運營版塊。這一版塊分為三個模塊。第一個是驗證模塊，后臺對于設(shè)計出的產(chǎn)品進(jìn)行可行性評估及測試實驗，其中有具體的評判規(guī)則，使具有創(chuàng)新性和被大家認(rèn)可的設(shè)計具有可生產(chǎn)性。第二個是商業(yè)模塊，在具有生產(chǎn)性的前提下對產(chǎn)品的銷量等商業(yè)價值進(jìn)行評估，并進(jìn)行試驗生產(chǎn)與銷售。第三個是推廣模塊，經(jīng)過新型設(shè)計模式的創(chuàng)意產(chǎn)品一經(jīng)生產(chǎn)，將由創(chuàng)意社區(qū)的服務(wù)團(tuán)隊對其進(jìn)行宣傳推廣，其中包括創(chuàng)意產(chǎn)品推送平臺首頁等。

霍思光對于3D打印市場的發(fā)展評估后認(rèn)為[ 3 ]，3D打印機的價格已經(jīng)達(dá)到了普通消費者可以接受的水平，而之所以目前不能普及的原因是3D打印機的使用是基于3D建模制圖軟件，而普通消費者不能夠勝任3D建模制圖軟件的使用。所以，需要專業(yè)的設(shè)計者提供專業(yè)的3D打印模型的設(shè)計服務(wù)，有了模型的定制、設(shè)計服務(wù)，3D打印才能進(jìn)入普通消費者的日常生活。比較可行的做法是打造3D打印產(chǎn)、學(xué)、研、用平臺，其功能包括個性化產(chǎn)品設(shè)計與制造、3D打印機外形設(shè)計、模型制造與下載、3D打印教學(xué)、3D打印與設(shè)計論壇等等。通過產(chǎn)學(xué)研用來很好的將學(xué)生優(yōu)勢與企業(yè)優(yōu)勢結(jié)合起來，共同投身到3D打印這個產(chǎn)業(yè)中，做前瞻性的研究。將3D打印技術(shù)推廣到家庭，走入平常百姓家等更大眾的消費人群，增加其銷量，開拓3D打印市場。

劉永輝等人在分析互聯(lián)網(wǎng)時代制造業(yè)的基礎(chǔ)上[ 4 ]，對面向3D打印云服務(wù)平臺的體系架構(gòu)進(jìn)行了深入研究。對3D打印云服務(wù)平臺進(jìn)行了設(shè)計，并對其功能與架構(gòu)、技術(shù)實現(xiàn)方法和商業(yè)模式進(jìn)行了簡要論述。其中包括：用戶管理、云打印服務(wù)、創(chuàng)意需求發(fā)布、資源注冊發(fā)布、創(chuàng)意服務(wù)撮合管理、云平臺交易管理、業(yè)務(wù)信用評估與分析等部分，期許平臺能夠吸引各類資源的匯聚，帶動相關(guān)創(chuàng)意設(shè)計、材料、電子商務(wù)、物流等諸多產(chǎn)業(yè)的集群式發(fā)展。

以上列舉4位研究者對3D打印平臺與銷售系統(tǒng)的規(guī)劃，可說是考慮已相當(dāng)周詳，美中不足的，也許是最重要的，也是本研究想要補足的，就是3D打印模型沒有組件化與構(gòu)建化，一般人進(jìn)入障礙仍嫌太大，若是這些規(guī)畫能加入組件化，也許就可邁向大功告成，使3D產(chǎn)業(yè)快速起飛。

2 可調(diào)參數(shù)模型設(shè)計

3D打印組件化要提供大量模型讓用戶在網(wǎng)上下載使用，可以免費也可以酌收費用。在傳統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)格通常是先由生產(chǎn)者訂好，若由客戶指定收費就貴得多。3D打印可藉由程序協(xié)助，提供許多彈性的作法讓客戶指定，其中最常用的的就是尺寸的選擇。tinkercad就提供了3種編輯用模型，分別是基本、小區(qū)、個人收藏模型，都附有可調(diào)參數(shù)，可以在設(shè)計模型時，隨時調(diào)節(jié)尺寸。小區(qū)與個人模型往往也可進(jìn)入其原始程序中，使用類似javascript語言，修改這些可調(diào)參數(shù)的產(chǎn)生方式。下面分別對這3種可調(diào)參數(shù)模型的使用做進(jìn)一步說明。

2.1 基本可調(diào)參數(shù)模型

基本可調(diào)參數(shù)模型是tinkercad軟件本身提供的模型，當(dāng)安裝好tinkercad時，就有了這些模型可以使用?；究烧{(diào)參數(shù)模型有很多，圖1顯示了其中兩種，左邊模型可輸入文字、調(diào)整高度、選擇寬度等參數(shù)的調(diào)節(jié)，右邊的模型則提供許多尺寸上的選擇，選擇時除了用鼠標(biāo)移動拉條，也可用輸入數(shù)字方式改變參數(shù)?；灸Ｐ碗S安裝tinkercad軟件自然產(chǎn)生，不附原始程序，所以不能進(jìn)入后端修改。

對于3D組件來說，這些可調(diào)參數(shù)，正好可以做為規(guī)格來使用，這個參數(shù)可由顧客來指定，因為可調(diào)參數(shù)彈性很大，對3D模型而言，制作由顧客指定的可調(diào)參數(shù)幾乎沒有增加成本，但是對模型購買者而言，卻是方便太多了。

2.2 收藏可調(diào)參數(shù)模型

Tindercad的使用者只要登錄進(jìn)去網(wǎng)上編輯環(huán)境，點擊”你的收藏”，就可由其新形狀生

成器（New Shape Generation）產(chǎn)生自己設(shè)計的新模型。在這里會附有原始javascript程序，可隨自己需求來設(shè)計可變參數(shù)，并利用這些參數(shù)改變模型的生成。設(shè)計完成的模型就會留在tinkercad云端，在任何地方上網(wǎng)都可方便的使用。也可選擇將模型發(fā)布到社群，或提供原始碼給別人使用。圖2是一個齒輪模型與它的原始碼。

有了可調(diào)參數(shù)模型與原始程序，用戶可輕易地制作出自己想要的可調(diào)參數(shù)組件化模型，也可以制作出手動調(diào)節(jié)完成不了的特殊模型。

2.3 小區(qū)可調(diào)參數(shù)模型

Tikercad軟件提供的小區(qū)空間，除了可以將自己設(shè)計成果提供給伙伴共享之外，尚有制作者個人資料與留言功能。免費、開源與共享已是一個會長久流行軟件系統(tǒng)必要的條件，這樣的平臺可以吸引大量使用者上來使用，隨時間流過平臺內(nèi)容將越來越豐富。

圖3是一個使用tinkercad提供的javascript設(shè)計出來的臺灣立體地圖，其中用了14 400個點的經(jīng)緯度與海拔高度，最后再將高度相對于長寬比例放大500倍。類似的功能，若經(jīng)組件化處理，可客制化地提供系列立體模型讓消費者選用。

3 3D打印組件規(guī)格化

何謂3D打印組件規(guī)格化？當(dāng)我們想要做出一個3D打印產(chǎn)品，首先設(shè)計一個模型，再找一臺適合的3D打印機將它打印出來，驗證功能無誤。這樣做出的模型可以稱作一個有驗證的3D打印模型，但不能稱之為一系列規(guī)格化3D打印組件。所謂3D打印規(guī)格化組件，就是要把某項3D制品模型，做成一系列多種規(guī)格與尺寸的零件模型，讓用戶方便選用。用戶可以根據(jù)這些規(guī)格化組件模型自行制造，或請人代工向生產(chǎn)者購買。那么設(shè)計者要如何由單一產(chǎn)品的單一模型，變成規(guī)格組件？可由下列幾種方向著手進(jìn)行規(guī)格化：

1）功能規(guī)格化：以一個3D打印夾子的模型來說，若能做出夾紙用、夾衣服用等等，再將它出力的大小分成幾格等級來設(shè)計，就是一種根據(jù)功能規(guī)格化的例子。

2）尺寸規(guī)格化：依組件產(chǎn)品使用上需求分成不同尺寸的模型。因為用到可調(diào)參數(shù)，模型尺寸以相當(dāng)程度的以幾乎無段的方式變化，來滿足訂購者的需要。

3）組合規(guī)格化：一個組件往往不會單獨使用，于是有一個組合用的規(guī)格，可以適用不同的組合需要訂下不同的規(guī)格。

4）特殊商標(biāo)或圖案規(guī)格化放置商標(biāo)或圖案的位置與大小之可隨客戶需求變化。假如設(shè)計者只做一次的生產(chǎn)給自己使用，當(dāng)然不必把它開發(fā)成3D打印組件。組件化的主要目的，就是累積設(shè)計經(jīng)驗，準(zhǔn)備多次生產(chǎn)，尤其是準(zhǔn)備銷售該組件。不論是只賣模型、代工生產(chǎn)或銷售組件產(chǎn)品，組件規(guī)格化后，可以鼓勵代工，鼓勵經(jīng)驗交換，鼓勵使產(chǎn)品多樣化。

另一個3D打印組件規(guī)格化之效益，就是促進(jìn)加工者與組件設(shè)計者投資之回收。組件規(guī)格化后，因為組件模型的可選擇性增強，可以預(yù)期模型或組件銷售量大增，因此可使模型設(shè)計者，或機器購買者，更能有效率地將投資回收。此外，當(dāng)規(guī)格化組件愈來愈多時，一個新的族群形成，就是組件組立者。組件組例者可以既不會設(shè)計模型，也沒有3D打印機，只要愿意，他可以買回組件自行組立3D打印產(chǎn)品，只要有創(chuàng)意，也可以參與產(chǎn)品開發(fā)與銷售。注意這種族群沒有原先3D打印的進(jìn)入障礙，因此可以涵蓋至各行各業(yè)，可以擴(kuò)大到各個年齡層。

4 組件腳本與組件模塊

前一節(jié)談到設(shè)計一個3D打印組件，需要就功能、尺寸、組合與商標(biāo)使其規(guī)格化，來滿足用戶訂購的需求，這種的設(shè)計實作，除了可利用可變參數(shù)模型，更可配合”組件腳本”的使用，使組件設(shè)計工作進(jìn)一步延伸。所謂組件腳本，就是把設(shè)計一個3D打印模型的過程，包含所用的模型種類、模型的參數(shù)、使用順序、置放位置等用文字詳細(xì)紀(jì)錄下來，就形成組件腳本。這與選用的設(shè)計軟件有關(guān)，并且必須要保證只要根據(jù)這個腳本，就可完全制出完整的3D組件模型。腳本的使用，使模型設(shè)計進(jìn)一步彈性化與復(fù)雜化，圖3是一個3D打印組件腳本設(shè)計的程序。

組件腳本的使用，其產(chǎn)出可以不是只用一個3D組件模型了，往往是多個組件的組合，這些組件又彼此關(guān)聯(lián)。這種在腳本敘述下設(shè)計出的3D組件的組合，我們稱之為3D打印”組件模塊”。使用組件可調(diào)參數(shù)與腳本作出模塊模型可以完全使用人工完成，當(dāng)然也可以使用軟件程序自動完成，尤其是許多參數(shù)是有關(guān)連的，使用軟件自動完成可避免出錯。圖4的公螺紋柱與母螺紋蓋就是一個形成組件模塊的例子，其中比如兩個可變參數(shù)必須一致者，在腳本中必須述說清楚其關(guān)聯(lián)性，才可搭配使用。

5 結(jié)論

3D打印是新時代的產(chǎn)物，科技面集合了新材料、自動化、3D模型設(shè)計等新科技突破。商業(yè)層面集合了金流、物流、信息流等新商業(yè)型態(tài)，還有最重要的是創(chuàng)意與協(xié)作，本研究以3D組件化提出了在技術(shù)層面的協(xié)作新架構(gòu)思維，消除了一般人進(jìn)入3D打印領(lǐng)域的障礙，極可能成為引爆3D打印下一波蓬勃發(fā)展的火花，使人人都可參與發(fā)揮創(chuàng)意，并享受3D打印帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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