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 本研究創新提倡發展“3D打印組件”就是要促進3D打印能讓絕大多數一般人參與，幾乎以無障礙的方式導入，因此能夠使這個產業發展地更全面，更迅速。以tinkercad做建模工具，說明這種“3D打印組件”的設計方法與發展過程，也驗證了其可有效率地加以實踐。

關鍵詞 3D打印組件；3D打印商業模式；tinkercad；3D打印模型設計腳本

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

“3D 打印是制造業的革命”，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：為什么這個產業一直只聽樓梯響，未見人下樓，一直遲遲沒有發展起來，或者說為什么一直發展得很慢。

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，那時公民營機構都還有設立專職的中英文打字小姐。現在呢？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，已由工廠或專人代工，轉化成人人都是文件的設計者與制造者，這就是2D打印創造了印刷革命的成功案例。3D打印產業與2D打印有許多相似的地方：例如都是人人參與設計與打印，都是可以利用網絡傳遞設計作品。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）人人都是設計者也是制造者；2）學習設計不算難，打印設備不算貴；3）設計之產品可由網絡傳輸。與2D打印產業不同的是，3D打印大幅度擴大了產品應用領域，可以說各種傳統量產產品，可能部份地被這種新產業的產品取代。

但是，為什么3D打印發展得很慢？回憶起來，2D打印產業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打印有類似的進入障礙，也許3D打印完全發展開來可能會比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入成熟期。

本研究創新提倡發展”3D打印組件”就是要促進3D打印能夠發展的更全面，更迅速。何謂“3D打印組件”？就是3D打印模型設計者不僅僅是設計一個3D打印模型，而是根據產品的需求，將功能、尺寸、商標、與其他組件結合等四項設計要素，配合關鍵可調變量、組件設計腳本與組件模塊的使用，使3D打印模型設計者，從一個模型設計，變成一個組件的設計。這個組件，可輕易、精準、快速且廉價地設計出消費者需要的模型。若進一步能將物聯網的致動組件、儲能組件、控制組件、通訊組件導入，更可使3D打印組件如虎添翼。

3D打印組件化的發展，最主要的目標是將一般人，幾乎以無障礙的方式導入這個產業。這里一般人指的是絕大多數不方便去學習建模或操作打印機的人。這種人不需要學建模，也不要買3D打印機器，只要根據需求指定組件規格，買回組件，就可組立出自己想要的產品，甚至在網絡銷售自己作品。當3D產業演進到這種人人可加入設計行列的階段，應該就是將大幅起飛的時候了。

本研究將以谷歌公司免費3D組件模型設計軟件tinkercad當作建模工具，來說明3D打印組件化的實際實現。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，就是在登錄進入tinkercad后，可新增許多項目，項目里面有許多設計案，每個設計就是一個自行設計模型的實例。設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提供了設計模型的原始程序，可由用戶自行修改，并且設計完的作品也可發布到共享平臺，讓其他設計者下載免費使用。

下面分別以文獻回顧、可調參數模型設計、3D打印組件規格化與組件腳本與組件模塊做進一步的討論，最后是結論。

1 文獻回顧

這幾年來3D打印的發展非常迅速，相關的研究與論文也相當豐富，但是大多是關于3D打印材料或打印機與專業領域應用的研究，關于市場方面的相對較少。

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

1）平臺化和集成化。技術的平臺化和集成化可以很大程度縮短產品的生產周期，提高產品開發效率。

2）標準化。技術標準化是為了讓產品擁有統一的行業標準，規范產品的行業性。

3）可再利用。產品在生產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行再生產，以減少成本提高利用率。

4）構件化。提出構件化的理念是為了提高產品質量，降低產品開發風險。

劉宇鶴提出應將傳統3D打印平臺打造成新的創意社區服務平臺[ 2 ]，允許所有人參與進來，其系統主要由以下幾個部分組成。

1）社區協作交流版塊。其中包含了兩個模塊：第一個是協作模塊，其作用在于能讓參與設計者進行互動，實時互動或延時互動，參與者在設計過程中進行相互協作。第二個是設計評價模塊，在概念設計階段、詳細設計階段、技術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行評價。目的在于整個設計過程中讓用戶參與，可以使創造出的產品更加符合用戶的需求，為繼續設計以及后續的環節提高整體的成功率。

2）設計管理版塊。在這一板塊中，主要是用來管理和儲存設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意文稿、模型文件等，方便參與設計的用戶自行管理。第二個是檢測模塊，這一模塊通過程序技術自動跟蹤設計流程，促使整個創造及設計流程的自動化。

3）計算機輔助軟件版塊。是在網絡環境下計算機輔助設計軟件的應用及整合。在這一板塊中，嘗試在網絡環境中搭建開放式的協作工具，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計過程中的相關協作。

4）運營版塊。這一版塊分為三個模塊。第一個是驗證模塊，后臺對于設計出的產品進行可行性評估及測試實驗，其中有具體的評判規則，使具有創新性和被大家認可的設計具有可生產性。第二個是商業模塊，在具有生產性的前提下對產品的銷量等商業價值進行評估，并進行試驗生產與銷售。第三個是推廣模塊，經過新型設計模式的創意產品一經生產，將由創意社區的服務團隊對其進行宣傳推廣，其中包括創意產品推送平臺首頁等。

霍思光對于3D打印市場的發展評估后認為[ 3 ]，3D打印機的價格已經達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，需要專業的設計者提供專業的3D打印模型的設計服務，有了模型的定制、設計服務，3D打印才能進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、學、研、用平臺，其功能包括個性化產品設計與制造、3D打印機外形設計、模型制造與下載、3D打印教學、3D打印與設計論壇等等。通過產學研用來很好的將學生優勢與企業優勢結合起來，共同投身到3D打印這個產業中，做前瞻性的研究。將3D打印技術推廣到家庭，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網時代制造業的基礎上[ 4 ]，對面向3D打印云服務平臺的體系架構進行了深入研究。對3D打印云服務平臺進行了設計，并對其功能與架構、技術實現方法和商業模式進行了簡要論述。其中包括：用戶管理、云打印服務、創意需求發布、資源注冊發布、創意服務撮合管理、云平臺交易管理、業務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，帶動相關創意設計、材料、電子商務、物流等諸多產業的集群式發展。

以上列舉4位研究者對3D打印平臺與銷售系統的規劃，可說是考慮已相當周詳，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建化，一般人進入障礙仍嫌太大，若是這些規畫能加入組件化，也許就可邁向大功告成，使3D產業快速起飛。

2 可調參數模型設計

3D打印組件化要提供大量模型讓用戶在網上下載使用，可以免費也可以酌收費用。在傳統產品規格通常是先由生產者訂好，若由客戶指定收費就貴得多。3D打印可藉由程序協助，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、個人收藏模型，都附有可調參數，可以在設計模型時，隨時調節尺寸。小區與個人模型往往也可進入其原始程序中，使用類似javascript語言，修改這些可調參數的產生方式。下面分別對這3種可調參數模型的使用做進一步說明。

2.1 基本可調參數模型

基本可調參數模型是tinkercad軟件本身提供的模型，當安裝好tinkercad時，就有了這些模型可以使用。基本可調參數模型有很多，圖1顯示了其中兩種，左邊模型可輸入文字、調整高度、選擇寬度等參數的調節，右邊的模型則提供許多尺寸上的選擇，選擇時除了用鼠標移動拉條，也可用輸入數字方式改變參數。基本模型隨安裝tinkercad軟件自然產生，不附原始程序，所以不能進入后端修改。

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

2.2 收藏可調參數模型

Tindercad的使用者只要登錄進去網上編輯環境，點擊”你的收藏”，就可由其新形狀生

成器（New Shape Generation）產生自己設計的新模型。在這里會附有原始javascript程序，可隨自己需求來設計可變參數，并利用這些參數改變模型的生成。設計完成的模型就會留在tinkercad云端，在任何地方上網都可方便的使用。也可選擇將模型發布到社群，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。

有了可調參數模型與原始程序，用戶可輕易地制作出自己想要的可調參數組件化模型，也可以制作出手動調節完成不了的特殊模型。

2.3 小區可調參數模型

Tikercad軟件提供的小區空間，除了可以將自己設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，隨時間流過平臺內容將越來越豐富。

圖3是一個使用tinkercad提供的javascript設計出來的臺灣立體地圖，其中用了14 400個點的經緯度與海拔高度，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打印組件規格化

何謂3D打印組件規格化？當我們想要做出一個3D打印產品，首先設計一個模型，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格化3D打印組件。所謂3D打印規格化組件，就是要把某項3D制品模型，做成一系列多種規格與尺寸的零件模型，讓用戶方便選用。用戶可以根據這些規格化組件模型自行制造，或請人代工向生產者購買。那么設計者要如何由單一產品的單一模型，變成規格組件？可由下列幾種方向著手進行規格化：

1）功能規格化：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計，就是一種根據功能規格化的例子。

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

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

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

另一個3D打印組件規格化之效益，就是促進加工者與組件設計者投資之回收。組件規格化后，因為組件模型的可選擇性增強，可以預期模型或組件銷售量大增，因此可使模型設計者，或機器購買者，更能有效率地將投資回收。此外，當規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打印產品，只要有創意，也可以參與產品開發與銷售。注意這種族群沒有原先3D打印的進入障礙，因此可以涵蓋至各行各業，可以擴大到各個年齡層。

4 組件腳本與組件模塊

前一節談到設計一個3D打印組件，需要就功能、尺寸、組合與商標使其規格化，來滿足用戶訂購的需求，這種的設計實作，除了可利用可變參數模型，更可配合”組件腳本”的使用，使組件設計工作進一步延伸。所謂組件腳本，就是把設計一個3D打印模型的過程，包含所用的模型種類、模型的參數、使用順序、置放位置等用文字詳細紀錄下來，就形成組件腳本。這與選用的設計軟件有關，并且必須要保證只要根據這個腳本，就可完全制出完整的3D組件模型。腳本的使用，使模型設計進一步彈性化與復雜化，圖3是一個3D打印組件腳本設計的程序。

組件腳本的使用，其產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，這些組件又彼此關聯。這種在腳本敘述下設計出的3D組件的組合，我們稱之為3D打印”組件模塊”。使用組件可調參數與腳本作出模塊模型可以完全使用人工完成，當然也可以使用軟件程序自動完成，尤其是許多參數是有關連的，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必須一致者，在腳本中必須述說清楚其關聯性，才可搭配使用。

5 結論

3D打印是新時代的產物，科技面集合了新材料、自動化、3D模型設計等新科技突破。商業層面集合了金流、物流、信息流等新商業型態，還有最重要的是創意與協作，本研究以3D組件化提出了在技術層面的協作新架構思維，消除了一般人進入3D打印領域的障礙，極可能成為引爆3D打印下一波蓬勃發展的火花，使人人都可參與發揮創意，并享受3D打印帶來的經濟效益。

參考文獻

[1]唐娜，郭龍，張剛.3D打印前景分析及商業市場化發展趨勢的研究與探索[J].物聯網技術，2017，7（1）：88-89.

[2]劉宇鶴.3D打印背景下對設計及商業模式的影響研究[D].沈陽：沈陽建筑大學設計藝術學院，2015.

[3]霍思光.基于“互聯網+”柔性制造打造3D打印產、學、研、用平臺[J].佳木斯職業學院學報，2016（11）：398-399.

[4]劉永輝，尹作重，黃雙喜，等，劉華.面向3D打印云服務平臺的體系架構研究[J].制造業自動化，2017，39（6）：145-149.