Fast Lab 3D列印平台打造3D 模型的雲端圖書館

3D 列印平台 Fast Lab

2015年8月,資策會承接了經濟部工業局委辦的 3D 列印推廣的重責大任「 3D 列印產業發展推動計畫專案」。時任美國總統的 Obama 大力推動美國的產業升級,以促進「美國製造」以及美商的「鮭魚回流」。其中一個大力投入、令人矚目的明日之星就是 「3D 列印」技術。

在傳統的工業製程當中,一個產品從設計發想階段到量產是有相當漫長過程的。研發過程中需要多次製作出粗略的樣品,用以修正最終產品。這個步驟叫做「打樣」。多次打樣、修正完成之後,還要利用樣品拿去製作模具,這個步驟叫做「翻模」。在翻模之後,再利用模具以發泡、澆灌等不同工藝製作出矽膠、塑膠、金屬、陶瓷等各種材料的製品,再將其組裝起 來,就是我們今日常看到的手機、電腦、無人機、汽機車等等產品。舉例說明之,現在的手機有很多都是前後玻璃,而中間的骨架就會採用柔韌有彈性,可以吸收瞬間衝擊的塑膠製品。常見的機車,它的外殼,也都是大片面積的塑膠製品。每一片,都需要反覆我們剛剛談到的從打樣、翻模以及組裝的過程。聽起來,就是個不容易,而且成本高昂的流程,是吧?順利的話,可能打樣 2 次就可以量產。若是不順利,多次打樣,甚至成品翻模還有失誤,就還要花費大量成本和時間來修正模具。

資策會服創所的 Fast Lab 3D列印圖庫平台網站截圖
▲FastLab 是國內首驅一指的 3D 列印圖庫平台,除了圖庫之外,還舉辦比賽、Workshop等各種推廣活動

然而,在 3D 列印機出現之後,就徹底的改變了量產前的打樣過程。而且這個新流程速度快、成本低而且品質好,甚至有些情況下可以作到打樣即產品的程度。這是怎麼作到的呢?我們來稍微探索一下好了。

常見的 3D 列印技術

目前比較常見的三種 3D 列印技術是 FDM(熱熔融層積)、以及SLA(光固化)、SLS(雷射粉末燒結)。

第一種 3D 列印方法 FDM (熱熔融層積),聽起來有點複雜,但是其實是很簡單的。這個方法有點像使用熱融膠槍來製作 3D 模型。市面上甚至賣跟熱融膠槍長得很像的 3D 列印筆。FDM 的原理利用加熱噴頭持續的加熱 PLA 或者其他材料,然後就像是擠蕃茄醬一樣,慢慢的擠在列印平台上面,PLA一旦冷卻之後就固定成為堅固的塑膠。由於這個方法是以加熱的方式來製作模型,材料本身就不太耐熱。但是好處是可以輕鬆的使用不同顏色來上色,製作模型。有些模型愛好者,甚至就用 FDM 方法來製作汽車、機車、飛機模型。這種方法可以說是最為常見的 3D 列印方法了。設備也相對便宜。甚至還有 DIY 套件可以自行組裝。

第二種作法,叫做光固化。這個方法有那麼一點點像是牙醫生補牙時候所用的技術,先把平台泡在光敏樹脂內,然後利用 UV 雷射或是 DLP 投影機照射光束在平台上來「列印」成品,然後再把平台漸漸的向上提起,最終完成的成品會「吊掛」在平台上面。光固化可以做出非常精密的成品,表面的呈現也是最為光滑。而且最終成品可以較為耐熱、強固。雖然較為昂貴,但是一般中小企業也還是買得起這樣的產品。

第三種作法,叫做雷射粉末燒結,這個方法有點像是雷射印表機的操作,先把一層薄薄的粉末平鋪在平台之上然後用雷射融化粉末,然後一層一層的堆疊上去。這個方法成本最高,但是可以做出精細而且機械強度很高的成品,例如假牙。

2013年,時任美國總統的歐巴馬支持的全國製造創新網路 ( NNMI: National Network for Manufacturing Innovation) 的主要計畫成功吸引 79 個合作夥伴,成立後僅一年內已經資助 7 件合作計畫。就像之前曾提到的,在計畫中,歐巴馬就特別提到了 3D 列印將是美國製造業的未來。

資策會服創所就是在 2015 年這樣的時空背景之下,一肩扛起在台灣推動 3D 列印的重要任務。

草創的知識推廣時期

一開始的時候,完全從零開始,資策會服創所計畫先從圖庫平台開始。先參考了國外著名的 3D 列印圖庫平台 Thingiverse ,打造了一套類似的平台「 Fast Lab

Thingive 3D列印平台
▲Thingiverse是著名的 3D 列印圖庫平台(截圖自 Thingiverse 官網 )

在草創初期的 2015 年至 2016 年,為了推廣 3D 列印,一開始的計畫是先建立圖庫平台。然而計畫執行團隊發現,當時的 3D 建模軟體昂貴,而且並不是一般人可以輕易上手使用的,雖然有開放原始碼的建模軟體,但是相對也比較不成熟。3D 列印機也是較為昂貴,或是玩家自己建造的 DIY 產品,需要掌握很高的知識水準才有辦法建造出能用的 3D 列印機。

光是要學會使用 3D 建模軟體,就是一個很高的門檻了。更何況,3D 列印機的選擇或是如何自己 DIY 做出高品質的 3D 列印機,也是一般人難以跨越的障礙。於是,FastLab先從拍攝教學影片開始。從「什麼是 3D 列印」開始、「3D 列印資源及軟體」、「3D 列印應用與材料」等等,以及建模相關的完整教學。服創所的執行團隊用影片帶著大家,從完全不懂 3D 列印的新手,可以沿路成長到自己建模、自己列印的熟手。

開始轉型工具型平台網站

時間來到 2016 – 2017 ,時間很快的經過了一年,因為 Fast Lab 的教學影片和 3D 圖庫平台開始做出名聲,一些自造者空間(Maker Space)開始與 Fast Lab接觸合作。自造者空間、駭客松這些活動,只要是跟 3D 列印相關,就可以免費利用 Fast Lab 平台來放置 3D 模型,好像是 3D 模型的雲端圖書館一樣。

在沒有 Fast Lab 之前,自造者基地因為開放給不特定的人使用。專用於 3D 列印的電腦裡面一團亂。這裡一個資料夾、那裡桌面又放了一份,同一個 3D 模型一直重複浪費空間不打緊,更麻煩的是版本的控制。印出來模型之後,才發現版本錯誤是很容易發生的事情。除此之外,某個模型找不到,也是大家很困擾的事情。

3D 列印跟家裡常見的噴墨式印表機可不一樣,家裡印表機的列印速度是每分鐘好幾張紙,而一般比較中低階機種的 3D 列印的速度往往是好幾個小時才列印一個小零件。而且列印平台這個零件並不便宜,一般不會準備好幾個列印平台。一旦被一個錯誤的零件給佔用了,造成的麻煩可想而知。

看到越來越多人使用3D庫圖平台進行創作及列印作品分享,執行團隊規劃了一場成果展,邀請這些好的創意及作品一起來推廣,讓更多人了解3D列印,喜歡3D列印,結果受到極大的迴響。經濟部工業局的長官們看了展覽,也都很驚訝於 3D 列印可能引發的產業革命。然而,受限於 FDM 使用的材料機械強度不高,3D 印製物的機械強度難以製作可動零件,所以絕大部分列印出來的零件都是較為靜態的模型、生活器具之類的。這時,經濟部工業局的長官就提出了他們的疑問:是否能夠印製一些比較「可動」的產品?

3D 列印競賽再創國內技術與應用的高峰

時間來到了 2018 年,由於之前經濟部工業局長官的勉勵,執行團隊認為經過了這三年,由於 3D 印表機價格降低、材料成本降低並且品質持續提高、軟體的品質也在提昇,還有自由軟體可以選擇。 3D 列印可以算是比較成熟的階段了。

於是 FastLab 開始舉辦 3D 列印主題創作競賽,第一年主要設定為比較動態的 IoT、機器人、以及工業 4.0 的主題,大會規定至少機殼要採用 3D 列印製作,再加上電子電機組合起來一些較為可動的成品。

也因為這樣的競賽,FastLab 也開始擔任中介媒介者的角色。其中一個著名的案例,就是同為服創所的智慧廁間」。智慧廁間內,一個相當重要的 IoT 裝置就是廁紙監控感知器。它的外殼就是 FastLab 協助設計以及製作的。

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Fast Lab 平台舉辦 3D列印主題創作競賽
▲ FastLab 3D 列印主題創作競賽

2018-2019 協助業者組成聯盟成功輸出海外市場

時間來到 2018-2019 年,Fast Lab 開始輔導業者走出國外。其中,與「馬來西亞華校董事聯合會總會」、以及「台灣嵌入式暨單晶片系統發展協會」(TEMI 協會)合作的「3D列印智造基地」-就是以一個品牌的概念整合國內業者及3D 列印圖庫平台 Fast Lab 成功輸出到符合南向政策的馬來西亞。

這個過程當中,國內的廠商也相當支持,透過初期捐贈 3D 列印機協助培訓當地老師,再結合每年馬來西亞全國華文獨中跨領域科技營,培訓學生建立3D模型及使用3D列印機製作參賽作品外型,讓生們因為已經熟悉了該廠商的 3D 印表機,未來出社會工作也會比較傾向台灣品牌的 3D 列印機及來自台灣的材料。

蔡組長與我們分享幾個有趣的案例,如機車的改裝零件,可以由社群共創 3D 模型,然後再由業者輸出 3D 列印的成品或是集資開模。再或者,也有專門代工 3D 列印的全自動化 3D 列印工廠,一開始是從模型槍開始,後來結合了設計師與圖庫平台,也開始接受列印馬克杯、音響、機器人零件等等產品。

2020 未來展望

經濟部工業局五年計畫到了 2019 年來到尾聲。服創所的蔡組長對於未來,是相當的有信心:「我們過去的幾年在推廣 3D 列印上成果斐然,而且也帶領著國內業者到國外開疆闢土獲得不錯的成績,雖然計畫即將結束,國內3D列印產業已經具備跟各產業應用接軌的基礎。相信未來的發展是無限的!

Fast Lab 3D 列印平台連結

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