下一波淘金熱?3D 列印第一次就上手

2014.03.18 by
有物報告
下一波淘金熱?3D 列印第一次就上手
「茶,伯爵,熱的」“Tea, Earl Gray, Hot. ” 不知各位讀者是否聽過這句在電影「星艦迷航」(Star Trek)中畢卡...

「茶,伯爵,熱的」

“Tea, Earl Gray, Hot. ” 不知各位讀者是否聽過這句在電影「星艦迷航」(Star Trek)中畢卡艦長(Picard)的經典台詞?他在電影中對著黑箱子說出吃的或喝的,這台神奇的機器都可以在片刻後滿足需求。

根據影集中的設定,這台機器是以原子為素材,依據使用者的要求來組成各種食物飲料。這概念跟現在流行的 3D 印刷非常接近,只是素材有些不同。

小型的 3D 印刷機器在 80 年代只出現在科幻小說中。在電視影集《新虎膽妙算》(Mission: Impossible)中,一只手提箱就可以印出仿真皮膚面具,這大概是 3D 列印想像的濫觴。場景是紅色的雷射光雕刻某些固態、半流體的材質,形成面部的細節。

今日的 3D 印刷雖然還沒有達到畢卡艦長的要求,但離新虎膽妙算倒也不遠。以下將介紹現在的 3D 印刷的基本流程,以及可能的未來發展。

註:「新虎膽妙算」後來電影版都改稱「不可能的任務」系列。洩漏年紀了. . . .

3dPrintCover

什麼都能印,但印不多

不知道要拿 3D 印刷印什麼?不妨參考 thingiverse 這個網站。沒錯,如果你那昂貴的單眼相機需要一個鏡頭的話,你可以自己印一個。如果你不滿意現在身上穿的衣服,也可以自己印一件獨一無二的衣服。雖然可能需要一些打版知識,但可以大大減少撞衫的機會。

可以用來 3D 列印的材質(filament)繁多,但以 PLA(Poly Lactic Acid )跟 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)為大宗。PLA 能快速冷卻,但 ABS 質地堅固,因此 LEGO 也用 ABS 作積木的材料。還有一些特殊的材質,例如金屬混合的粉狀材料、巧克力(敢吃嗎?),甚至類似骨頭的材料等。未來能在家裡印出人造骨頭,也是蠻詭異的。

消費性 3D 印刷機的產品可謂琳琅滿目。但成品大部分還停滯在 prototyping 階段,主要是因為材料昂貴:一公斤重的 ABS 要價近 40 美元,只能列印出 4 到 5 個馬克杯。同時消費性機種有許多限制,例如成品體積無法太大。

但 3D 印刷的價值在成品獨一無二。因此或許對許多小型文創產業與個人工作室是一種優勢?困難處在於靠著個人創意,讓杯子加上創意能夠價值高於 40 美金。

第一次 3D ****印刷就上手

3D 模型的流程如下(編按:老師,沒有人會看的 . . . .):

[![圖一 3D印刷的流程 圖片來源Chi-Feng](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/3d-printing-process2-1024x628.jpg)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/3d-printing-process2.jpg)圖一、 3D 印刷的流程。圖片來源:Chi-Feng

1. 檢查模型

3D 模型完成後不像寫文章,可以寫完馬上列印。3D 模型需要先檢查模型是不是符合列印的條件。常見的問題像是模型沒有厚度(thickness),或是模型原本應該「密封」的面,卻多了開口,如下圖。

[![圖二 福特老式卡車模型,圓圈處可以看出原本應該平整的鈑金卻有開口 圖片來源 Chi-Feng](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/3D-model-issues_12-1024x603.jpg)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/3D-model-issues_12.jpg)圖二 福特老式卡車模型。圓圈處可以看出原本應該平整的鈑金卻有開口。圖片來源 Chi-Feng

模型厚度的設定適合在 1 mm 到 2 mm 左右。多了浪費材料,少了可能會使成品從印刷機的噴床上裂開。

2. Vertex to vertex rule

STL 是目前廣被接受的一種 3D 列印的檔案格式。簡單的說,如果模型是三角形,那 STL 檔案將會記錄三角形的三個頂點,與垂直於該三角形面的法向量。如圖三:

[![圖三 圖片來源Chi-Feng](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/VERTEX-TO-VERTEX2-1024x740.jpg)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/VERTEX-TO-VERTEX2.jpg)圖三。圖片來源:Chi-Feng

此時有稱為 “vertex to vertex" 的法則。亦即三角形的三個頂點,不能坐落在其他三角形的邊上,必須是頂點對頂點(vertex to vertex)才行。

如圖四便違反了此法則。三角形的頂點座落在另一個三角形的邊上。解決方法如圖五,再分割出一個三角形。

[![圖四 圖片來源http://vr.me.ncku.edu.tw/](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/problem-vertex_12.jpg)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/problem-vertex_12.jpg)圖四。圖片:[ncku](http://vr.me.ncku.edu.tw/)
[![圖五 圖片來源http://vr.me.ncku.edu.tw/](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/problem-vertex_22.jpg)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/problem-vertex_22.jpg)圖五。圖片:[ncku](http://vr.me.ncku.edu.tw/)

3. 減少細節

模型不能有太多細節,否則會受限於 3D 列印機器的解析度,甚至在成品上看不到這些細節。但細節太多會造成 STL 檔案非常龐大,造成不必要的資源浪費。

[![圖六 現階段3D列印的解析度有其極限 圖片來源http://3dprinting.com/ ](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/RES_EXAPLES2-1024x639.jpg)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/RES_EXAPLES2.jpg)圖六 現階段3D列印的解析度有其極限 圖片來源http://3dprinting.com/ **4. 模型切片(sliced)**

模型在印刷之前都要把模型一片一片切割(圖七)。也可以說一層一層,從最底層的開始,一層一層的往上列印。

[![圖七 模型在列印之前通常要經過切片的動作 圖片來源http://api.ning.com/](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/Slice3d2.png)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/Slice3d2.png)圖七、模型在列印之前通常要切片。圖片來源:[ning](http://api.ning.com/)

不像紙張的印表機都是由上往下列印,3D 印刷機可能有不同的印刷方向。因此切片同時也會指示 3D 印刷機該依循的印刷方向(tool path)。

如圖八是模型的一層,箭頭代表的是印刷時噴頭行進的方向。切片與方向這兩道手續通常可以利用機器所附的軟體完成。

[![圖八 圖片來源Practical 3D Printers: The Science and Art of 3D Printing page 37](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/TOOLPATH2.jpg)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/TOOLPATH2.jpg)圖八。圖片:Practical 3D Printers: The Science and Art of 3D Printing page 37

5. 開始列印

完成上述準備工作之後,就可以列印了。3D 印刷機跟紙張印表機一樣,會提供軟體調整參數,例如著名的 Maker Ware。

[![圖九 調整列印參數 圖片來源www.inventables.com](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/Screen-Shot2.png)](http://yowureport.com/wp-content/uploads/2014/03/Screen-Shot2.png)圖九、調整列印參數。圖片:www.inventables.com

印刷也可能出錯。就像紙張印表機一樣,3D 印刷機的噴頭有可能會塞住,或是噴頭過熱。最好自備一些清潔工具或者使用軟體的校準(calibrate)功能,自行排除故障。

 

3D ****印刷的未來發展 

上述是 3D 印刷的基本過程。如果放大、替換材料、或是提高精準度,就會衍生出各式各樣的應用。包括:

大型建築

近期的工程研究已經嘗試在 20 小時內用 3D 印刷出一整棟房子。未來可能房子的造價將大大降低,裝潢費用也大大下降(只要建商與土地開發商不要從中作梗 . . . .)

皮革

或許未來不僅皮製品將不再高貴,也可以整改變製皮業的生態,讓那些被拿來製成皮革的小動物們也歡呼鼓掌。

個人防衛

3D 印刷的槍已經不是新聞。在 Cody Wilson 列印出 AR15 的同時,美國與加拿大的法律都已經出台,對抗所謂的 3D 列印非法武器。但未來隨著列印材質的多元化,可能會有一些合法的有限傷害性的武器出現。再加上成本低廉,一般社區巡守隊也可能配備這種武器來維持社區安全。

人體器官組織

3D 列印器官移植已經有了一些初步的成果。在本文一開始也提到類似人骨的印刷材質。未來繼續進展,對需要器官移植的病患可說是一大福音,

3D 淘金熱

3D 印刷可能是下一波淘金熱(gold rush)。筆者也確實感受到這波熱潮的崛起,在我任職的學校便陸續開了相關的新課程。筆者期待這波熱潮激起許多商業的創新(如上述的服裝產業),或者改善個人生活(自己印一個削果皮刀取代不順手的大賣場產品)。這一股比拚創意的熱潮只是開始。

編按:有物長期作者 Chi-Feng 在紐約教授動畫、3D 電腦設計,並定時在有物分享心得。

出自:有物報告

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