3D打印组件化研究

曹民和+王春源+赖勇军+杨美美+时维宁

摘 要 本研究创新提倡发展“3D打印组件”就是要促进3D打印能让绝大多数一般人参与，几乎以无障碍的方式导入，因此能够使这个产业发展地更全面，更迅速。以tinkercad做建模工具，说明这种“3D打印组件”的设计方法与发展过程，也验证了其可有效率地加以实践。

关键词 3D打印组件；3D打印商业模式；tinkercad；3D打印模型设计脚本

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）202-0148-04

“3D 打印是制造业的革命”，这句话我们听了很久了，也看到了社会上许多人，包括各种3D机器的制造者、公民营研发单位、许多买了打印机的“maker”，不断在努力使用3D打印。我们不禁要问：为什么这个产业一直只听楼梯响，未见人下楼，一直迟迟没有发展起来，或者说为什么一直发展得很慢。

要回答这个问题，就要先说说为甚么3D打印是制造业革命。我们回忆一下，在30年以前，你要写一份文稿，并且把它打印出来，那是多么的困难，那时公民营机构都还有设立专职的中英文打字小姐。现在呢？在几乎人人会计算机与家家有打印机的状况下，打字印刷，由其是小量与客制的文件，已由工厂或专人代工，转化成人人都是文件的设计者与制造者，这就是2D打印创造了印刷革命的成功案例。3D打印产业与2D打印有许多相似的地方：例如都是人人参与设计与打印，都是可以利用网络传递设计作品。所以不论2D打印还是3D打印，我们可以归纳出它们的共同特性是：1）人人都是设计者也是制造者；2）学习设计不算难，打印设备不算贵；3）设计之产品可由网络传输。与2D打印产业不同的是，3D打印大幅度扩大了产品应用领域，可以说各种传统量产产品，可能部份地被这种新产业的产品取代。

但是，为什么3D打印发展得很慢？回忆起来，2D打印产业要把每个人都教会使用计算机文书软件不也用了30年的时间。3D打印与2D打印有类似的进入障碍，也许3D打印完全发展开来可能会比30年要快一些，但肯定也需要一些时间。3D打印全面开始发展也才；三四年左右，要全面展开也许需要另外四五年左右才进入成熟期。

本研究创新提倡发展”3D打印组件”就是要促进3D打印能够发展的更全面，更迅速。何谓“3D打印组件”？就是3D打印模型设计者不仅仅是设计一个3D打印模型，而是根据产品的需求，将功能、尺寸、商标、与其他组件结合等四项设计要素，配合关键可调变量、组件设计脚本与组件模块的使用，使3D打印模型设计者，从一个模型设计，变成一个组件的设计。这个组件，可轻易、精准、快速且廉价地设计出消费者需要的模型。若进一步能将物联网的致动组件、储能组件、控制组件、通讯组件导入，更可使3D打印组件如虎添翼。

3D打印组件化的发展，最主要的目标是将一般人，几乎以无障碍的方式导入这个产业。这里一般人指的是绝大多数不方便去学习建模或操作打印机的人。这种人不需要学建模，也不要买3D打印机器，只要根据需求指定组件规格，买回组件，就可组立出自己想要的产品，甚至在网络销售自己作品。当3D产业演进到这种人人可加入设计行列的阶段，应该就是将大幅起飞的时候了。

本研究将以谷歌公司免费3D组件模型设计软件tinkercad当作建模工具，来说明3D打印组件化的实际实现。Tinkercad除了免费开源以外，本身为使用者提供了一个云端存放空间与一个使用者共享平台。所谓云端存放空间，就是在登录进入tinkercad后，可新增许多项目，项目里面有许多设计案，每个设计就是一个自行设计模型的实例。设计编辑完毕会自动存放于项目里，任何时间可再叫出来修改。尤其是tinkercad提供了设计模型的原始程序，可由用户自行修改，并且设计完的作品也可发布到共享平台，让其他设计者下载免费使用。

下面分别以文献回顾、可调参数模型设计、3D打印组件规格化与组件脚本与组件模块做进一步的讨论，最后是结论。

1 文献回顾

这几年来3D打印的发展非常迅速，相关的研究与论文也相当丰富，但是大多是关于3D打印材料或打印机与专业领域应用的研究，关于市场方面的相对较少。

唐娜等人提出[ 1 ]，为了更好地适应市场，3D打印市场销售应有如下新的理念：

1）平台化和集成化。技术的平台化和集成化可以很大程度缩短产品的生产周期，提高产品开发效率。

2）标准化。技术标准化是为了让产品拥有统一的行业标准，规范产品的行业性。

3）可再利用。产品在生产过程中总会存在冗余，而这些冗余基本被浪费了，所以我们将这些冗余材料进行再生产，以减少成本提高利用率。

4）构件化。提出构件化的理念是为了提高产品质量，降低产品开发风险。

刘宇鹤提出应将传统3D打印平台打造成新的创意社区服务平台[ 2 ]，允许所有人参与进来，其系统主要由以下几个部分组成。

1）社区协作交流版块。其中包含了两个模块：第一个是协作模块，其作用在于能让参与设计者进行互动，实时互动或延时互动，参与者在设计过程中进行相互协作。第二个是设计评价模块，在概念设计阶段、详細设计阶段、技术研究阶段以及制造阶段，每一个不同的阶段都需要感兴趣的参与者对其进行评价。目的在于整个设计过程中让用户参与，可以使创造出的产品更加符合用户的需求，为继续设计以及后续的环节提高整体的成功率。

2）设计管理版块。在这一板块中，主要是用来管理和储存设计过程中的资源及文档。其中分为两个模块，第一个是文件模块。这一模块的作用是储存用户上传的创意文稿、模型文件等，方便参与设计的用户自行管理。第二个是检测模块，这一模块通过程序技术自动跟踪设计流程，促使整个创造及设计流程的自动化。

3）计算机辅助软件版块。是在网络环境下计算机辅助设计软件的应用及整合。在这一板块中，尝试在网络环境中搭建开放式的协作工具，以便让更多没接触过的用户更好上手，以便更好的改善和简化在设计过程中的相关协作。

4）运营版块。这一版块分为三个模块。第一个是验证模块，后台对于设计出的产品进行可行性评估及测试实验，其中有具体的评判规则，使具有创新性和被大家认可的设计具有可生产性。第二个是商业模块，在具有生产性的前提下对产品的销量等商业价值进行评估，并进行试验生产与销售。第三个是推广模块，经过新型设计模式的创意产品一经生产，将由创意社区的服务团队对其进行宣传推广，其中包括创意产品推送平台首页等。

霍思光对于3D打印市场的发展评估后认为[ 3 ]，3D打印机的价格已经达到了普通消费者可以接受的水平，而之所以目前不能普及的原因是3D打印机的使用是基于3D建模制图软件，而普通消费者不能够胜任3D建模制图软件的使用。所以，需要专业的设计者提供专业的3D打印模型的设计服务，有了模型的定制、设计服务，3D打印才能进入普通消费者的日常生活。比较可行的做法是打造3D打印产、学、研、用平台，其功能包括个性化产品设计与制造、3D打印机外形设计、模型制造与下载、3D打印教学、3D打印与设计论坛等等。通过产学研用来很好的将学生优势与企业优势结合起来，共同投身到3D打印这个产业中，做前瞻性的研究。将3D打印技术推广到家庭，走入平常百姓家等更大众的消费人群，增加其销量，开拓3D打印市场。

刘永辉等人在分析互联网时代制造业的基础上[ 4 ]，对面向3D打印云服务平台的体系架构进行了深入研究。对3D打印云服务平台进行了设计，并对其功能与架构、技术实现方法和商业模式进行了简要论述。其中包括：用户管理、云打印服务、创意需求发布、资源注册发布、创意服务撮合管理、云平台交易管理、业务信用评估与分析等部分，期许平台能够吸引各类资源的汇聚，带动相关创意设计、材料、电子商务、物流等诸多产业的集群式发展。

以上列举4位研究者对3D打印平台与销售系统的规划，可说是考虑已相当周详，美中不足的，也许是最重要的，也是本研究想要补足的，就是3D打印模型没有组件化与构建化，一般人进入障碍仍嫌太大，若是这些规画能加入组件化，也许就可迈向大功告成，使3D产业快速起飞。

2 可调参数模型设计

3D打印组件化要提供大量模型让用户在网上下载使用，可以免费也可以酌收费用。在传统产品规格通常是先由生产者订好，若由客户指定收费就贵得多。3D打印可藉由程序协助，提供许多弹性的作法让客户指定，其中最常用的的就是尺寸的选择。tinkercad就提供了3种编辑用模型，分别是基本、小区、个人收藏模型，都附有可调参数，可以在设计模型时，随时调节尺寸。小区与个人模型往往也可进入其原始程序中，使用类似javascript语言，修改这些可调参数的产生方式。下面分别对这3种可调参数模型的使用做进一步说明。

2.1 基本可调参数模型

基本可调参数模型是tinkercad软件本身提供的模型，当安装好tinkercad时，就有了这些模型可以使用。基本可调参数模型有很多，图1显示了其中两种，左边模型可输入文字、调整高度、选择宽度等参数的调节，右边的模型则提供许多尺寸上的选择，选择时除了用鼠标移动拉条，也可用输入数字方式改变参数。基本模型随安装tinkercad软件自然产生，不附原始程序，所以不能进入后端修改。

对于3D组件来说，这些可调参数，正好可以做为规格来使用，这个参数可由顾客来指定，因为可调参数弹性很大，对3D模型而言，制作由顾客指定的可调参数几乎没有增加成本，但是对模型购买者而言，却是方便太多了。

2.2 收藏可调参数模型

Tindercad的使用者只要登录进去网上编辑环境，点击”你的收藏”，就可由其新形状生

成器（New Shape Generation）产生自己设计的新模型。在这里会附有原始javascript程序，可随自己需求来设计可变参数，并利用这些参数改变模型的生成。设计完成的模型就会留在tinkercad云端，在任何地方上网都可方便的使用。也可选择将模型发布到社群，或提供原始码给别人使用。图2是一个齿轮模型与它的原始码。

有了可调参数模型与原始程序，用户可轻易地制作出自己想要的可调参数组件化模型，也可以制作出手动调节完成不了的特殊模型。

2.3 小区可调参数模型

Tikercad软件提供的小区空间，除了可以将自己设计成果提供给伙伴共享之外，尚有制作者个人资料与留言功能。免费、开源与共享已是一个会长久流行软件系统必要的条件，这样的平台可以吸引大量使用者上来使用，随时间流过平台内容将越来越丰富。

图3是一个使用tinkercad提供的javascript设计出来的台湾立体地图，其中用了14 400个点的经纬度与海拔高度，最后再将高度相对于长宽比例放大500倍。类似的功能，若经组件化处理，可客制化地提供系列立体模型让消费者选用。

3 3D打印组件规格化

何谓3D打印组件规格化？当我们想要做出一个3D打印产品，首先設计一个模型，再找一台适合的3D打印机将它打印出来，验证功能无误。这样做出的模型可以称作一个有验证的3D打印模型，但不能称之为一系列规格化3D打印组件。所谓3D打印规格化组件，就是要把某项3D制品模型，做成一系列多种规格与尺寸的零件模型，让用户方便选用。用户可以根据这些规格化组件模型自行制造，或请人代工向生产者购买。那么设计者要如何由单一产品的单一模型，变成规格组件？可由下列几种方向着手进行规格化：

1）功能规格化：以一个3D打印夹子的模型来说，若能做出夹纸用、夹衣服用等等，再将它出力的大小分成几格等级来设计，就是一种根据功能规格化的例子。

2）尺寸规格化：依组件产品使用上需求分成不同尺寸的模型。因为用到可调参数，模型尺寸以相当程度的以几乎无段的方式变化，来满足订购者的需要。

3）组合规格化：一个组件往往不会单独使用，于是有一个组合用的规格，可以适用不同的组合需要订下不同的规格。

4）特殊商标或图案规格化放置商标或图案的位置与大小之可随客户需求变化。假如设计者只做一次的生产给自己使用，当然不必把它开发成3D打印组件。组件化的主要目的，就是累积设计经验，准备多次生产，尤其是准备销售该组件。不论是只卖模型、代工生产或销售组件产品，组件规格化后，可以鼓励代工，鼓励经验交换，鼓励使产品多样化。

另一个3D打印组件规格化之效益，就是促进加工者与组件设计者投资之回收。组件规格化后，因为组件模型的可选择性增强，可以预期模型或组件销售量大增，因此可使模型设计者，或机器购买者，更能有效率地将投资回收。此外，当规格化组件愈来愈多时，一个新的族群形成，就是组件组立者。组件组例者可以既不会设计模型，也没有3D打印机，只要愿意，他可以买回组件自行组立3D打印产品，只要有创意，也可以参与产品开发与销售。注意这种族群没有原先3D打印的进入障碍，因此可以涵盖至各行各业，可以扩大到各个年龄层。

4 组件脚本与组件模块

前一节谈到设计一个3D打印组件，需要就功能、尺寸、组合与商标使其规格化，来满足用户订购的需求，这种的设计实作，除了可利用可变参数模型，更可配合”组件脚本”的使用，使组件设计工作进一步延伸。所谓组件脚本，就是把设计一个3D打印模型的过程，包含所用的模型种类、模型的参数、使用顺序、置放位置等用文字详细纪录下来，就形成组件脚本。这与选用的设计软件有关，并且必须要保证只要根据这个脚本，就可完全制出完整的3D组件模型。脚本的使用，使模型设计进一步弹性化与复杂化，图3是一个3D打印组件脚本设计的程序。

组件脚本的使用，其产出可以不是只用一个3D组件模型了，往往是多个组件的组合，这些组件又彼此关联。这种在脚本叙述下设计出的3D组件的组合，我们称之为3D打印”组件模块”。使用组件可调参数与脚本作出模块模型可以完全使用人工完成，当然也可以使用软件程序自动完成，尤其是许多参数是有关连的，使用软件自动完成可避免出错。图4的公螺纹柱与母螺纹盖就是一个形成组件模块的例子，其中比如两个可变参数必须一致者，在脚本中必须述说清楚其关联性，才可搭配使用。

5 结论

3D打印是新时代的产物，科技面集合了新材料、自动化、3D模型设计等新科技突破。商业层面集合了金流、物流、信息流等新商业型态，还有最重要的是创意与协作，本研究以3D组件化提出了在技术层面的协作新架构思维，消除了一般人进入3D打印领域的障碍，极可能成为引爆3D打印下一波蓬勃发展的火花，使人人都可参与发挥创意，并享受3D打印带来的经济效益。

参考文献

[1]唐娜，郭龙，张刚.3D打印前景分析及商业市场化发展趋势的研究与探索[J].物联网技术，2017，7（1）：88-89.

[2]劉宇鹤.3D打印背景下对设计及商业模式的影响研究[D].沈阳：沈阳建筑大学设计艺术学院，2015.

[3]霍思光.基于“互联网+”柔性制造打造3D打印产、学、研、用平台[J].佳木斯职业学院学报，2016（11）：398-399.

[4]刘永辉，尹作重，黄双喜，等，刘华.面向3D打印云服务平台的体系架构研究[J].制造业自动化，2017，39（6）：145-149.