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科學發展 2019年 10月│ 562期32

◎ 游孟潔

利用 3D列印進入創客的世界當大多數人一窩蜂地學 3D列印與購置 3D印表機時，除了從網站上下載 3D模型檔後列印外，還能夠做些什麼？如何有效地利用 3D印表機？使用者如何建立自身的設計能力，

擺脫只有下載然後列印的模式？

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缺，缺。（圖片來源：種子發）缺

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當 3D列印的技術問世，打破對於傳統製造的認知時，在製造商的觀點，因為製作方式

改變，可以用量產的價格提供客製化的選擇與

品質，原本應該在工廠製作的物件，有許多也

可以在家中使用 3D列印機製作。3D列印技術有許多的可行方式，在現

有的家用市場上最常見的是熔融沉積（fused deposition modeling, FDM）與紫外光固化（stereo- lithography apparatus, SLA）二種方式。多數紫外光固化的方式使用半導體雷射，反覆使光敏

感樹脂一層層地固化，因雷射光容易聚焦，所

以可輕易地完成高精度的工件（約 0.05 mm），適合製作精細零件。但雷射的光學結構與樹脂

材料的價格較高，有樹脂材料的選擇較少、保

存較不容易等問題。

相對地，熔融沉積方式使用熱熔性材料

加熱融化，再依據所預設的路徑把材料選擇

性地塗敷在平台上，然後冷卻形成一層截面。

當一層完成後，平台下降一個高度然後反覆

成型。其優點是操作環境乾淨、可以在辦公

室和家庭環境下進行、無雷射與光學鏡組等

貴重元件、所使用的線材便宜、可選擇的材 料多。

目前市面上熔融沉積商用機台的入門價

格在新台幣萬元左右，許多業餘使用者紛紛添

購設備。目前中小學正大力推展結合科學、技

術、工程、藝術，以及數學的跨學科教學方法，

讓學生在數學邏輯的基礎下，藉由動手建構工

程與呈現藝術美學來學習科學和技術，因此

幾乎每個中小學都有 3D列印機做為科學教育 使用。

然而當購入這些設備後，大部分的使用者

是由公開網站下載 3D模型圖檔（如公仔模型、手機架等小工具），然後加以列印，等蜜月期

的熱度過後，3D列印機便束之高閣。當有一台 3D列印機後，除了以上的方式外，還能夠做些什麼？如何有效地利用？使用者如何建立

自身的設計能力，擺脫只有下載然後列印的模

式？當有 3D建模能力時，可以結合哪些技術進一步發展 3D列印的成果？

3D模型下載取得

對於 3D列印的初學者而言，3D模型的建立是一個門檻。當 3D建模技能不成熟或時間不足時，可以由許多網站下載提供的免費 模型。

經濟部工業局與資策會為因應 3D列印應用領域的發展，執行推動 3D列印產業發展推動計畫，以 FastLab（https://fastlab.tw/）發展中心結合Maker社群與業學界能量，匯集相關工具與服務資源。每年也舉辨「3D列印夢想家─ 3D列印主題創作競賽」，其中建置 3D列印資源整合平台與圖庫，提供 3D列印創作的分享交流，目前雖然資訊量略有不足，但是提

供了中文化的平台。

3D建模繪圖軟體

若沒有能力進行 3D建模，就只能下載別人設計的模型列印，因此當印表機建置好後，

第一要務就是趕快學習建模能力。目前有許多

建模軟體，大致可分為機械製圖與模型雕塑二

類，如果是為了工業與機械設計，建議使用機

械製圖類工具；進行外觀設計、動畫或有機

形狀類的應用時，則建議使用模型雕塑類的 工具。

在使用建模軟體時，多數使用者若考慮版

權與售價上無法負擔時，建議使用免費軟體。

目前一些免費軟體的功能比起許多商用軟體不

遑多讓，也不需考慮付費的問題，使用者可以

直接下載後安裝使用。

當下載建置好建模軟體後，多數的使用

者會因學習門檻過高而放棄學習。目前的開發

源碼軟體的學習可以直接在網路上搜尋教學

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3D列印成品結合簡單的電路，可以改變原本靜態的外觀成為有光、動作、聲音的作品，

甚至可以成為機器與互動裝置。

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資源，若是因語言上的隔閡，請不要灰心，

只要按照教學者一步步的實作，縱使是法

文、德文等不同語系的教學，還是可以經

由實際操作來學習。

可以與 3D列印配合的技術3D列印成品結合簡單的電路，可以改

變原本靜態的外觀成為有光、動作、聲音

的作品，甚至可以成為機器與互動裝置。

然而電路設計對於一般的使用者而言有一

定的門檻，但現今有部分開放原始碼的電

路可以簡單方便地入門。

實例展示

在實例展示中將展示「深碗」、「3D列印模組化吉他」、「主結構可列印的 3D印表機」等作品，說明若 3D列印機的使用者具 3D建模等能力並結合電子控制，就可很容易地進入 Maker（創客／自造者）的 範疇。

實例一─深碗　「深碗」構想來自泰國

的木製摺疊水果籃，原是水果籃的木製品進

行收納時，可利用交疊的方式把它變做一塊

薄薄的木頭，其中有著不少的巧思與技術。

依這為構想，以 PLA線材特性設計出 3D

收納容器，其收納口和底部的關係由大到小、

由淺至深，也有深淵可海量容納的感覺，名為

「深碗」。

「深碗」在印表機平台上僅僅呈現薄薄

的 1公分高的圓形碟片，但透過螺旋機構設計

可折疊，簡易地從平面圓盤變成立體容器，

再搭配三個橋柱與下盤的卡榫固定，整體相

當穩固且使用方便。在設計時就小心考慮列

印的可能性，所有零件以單一物件的形式一

次列印完成，不需膠合或拋光研磨，是目前

以塑膠射出成型無法一次完成的作品。這成

品也獲得 2018年「3D列印主題創作競賽」

優等獎，可以在 FastLab的圖庫中下載列印

「深碗」作品從平面圓盤變成立體容器

「深碗」作品的上視圖、下視圖與側試圖

上視圖 下視圖 側視圖

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缺，缺。（圖片來源：種子發）

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（https://fastlab.tw/ModelDetail.aspx?model_ id= 201806190970728&cnid=60）。

實例二─ 3D列印模組化吉他　目前市售的 3D列印機的列印範圍長：寬：高多在30 cm：30 cm：30 cm以下，若要列印大型物件，就必須利用膠合或螺絲等方式組裝。作品

「3D列印模組化吉他」的模組化設計就是製作一把標準大小的吉他，把吉他的各項部件分

開約 25件的零件，當列印完成後再使用螺絲 鎖合。

設計時把吉他分為琴頸、琴身兩部分進

行實作。琴頸的部分共有五段結合設計，包

含指板構件與琴頸、琴衍、上下琴枕列印為一

體，並結合三支鋼條做為琴頸段落的串接，以

增強琴頸的機械強度與弦距調整。琴身的部分

則分為正方八件、後方六件等方式列印。由於

琴頸部分的鋼條限制，無法在琴身中央開孔，

這項作品以在琴身正面的二側響孔設計，是特

別的設計。然後以螺絲鎖合，完成的琴頸、琴

身再以琴肩連結扣結合。

為了實現一琴多用的功能，分為古典吉

他模組、民謠吉他模組，每項類別模組所使用

的弦分別是尼龍弦、鋼弦，以及搭配不同模組

所需求的弦鈕五金，並且在指板、琴頭長度、

格數設計較為不同。如此可使用同一琴身而擁

有古典吉他模組、民謠吉他模組二種琴頸可 替換。

實例三─主結構可列印的 3D印表機　在熔融沉積機台的推動過程中，最初以自組方

式組裝製作，其中 Reprap組織（https://reprap.org/）提供了開發的討論社群空間。RepRap

最開端建構 3D列印機的構想是以能夠列印出大部分自身的組件，RepRap就是 replicating rapid prototyper的縮寫。其中羅列了許多由創客（Maker）無私的 3D列印創作機台，甚至現有的商業機台也使用其設計與韌體。

「主結構可列印的 3D印表機」作品就是以 Reprap的精神開發，除步進馬達、光軸、螺桿、軸承、皮帶等機械零件外，其餘多數的

零件連接件都是以 3D列印件來製作。未來當部分的

組件損壞時，可使

用其他的 3D印表機進行零件

的製作。

機台的設

計 以 3D 列 印製作的外殼構件

琴頭、琴頸、指板、琴衍與弦枕正面與背面設計結構。琴身設計結構以正方八件、後方六件組成，並在琴身

正面的側響孔設計。

左圖是可分離琴頸與琴身的吉他設計，右圖中白色吉

他是古典吉他，黑色吉他是民謠吉他，其琴頸的寬度

與長度不同，但琴身的部分除顏色外，大小尺寸完全

相同，二者可以互換。

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Z軸以帶動玻璃平台為主，在平台的後方加裝軸承、光軸運用螺桿與步進馬達帶動 Z軸玻璃平台的上下移動。

XY二個馬達置於機台的下方，使用延伸軸帶動上方的皮帶，H-bot結構中僅使用一條皮帶驅動 3D列印噴頭，可以有效地使列印噴頭輕量化。

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為主，另外光軸、螺桿等金屬件除了可以

做為機械帶動使用外，因其較好的機械強

度，也可做為機台的結構件使用。控制板

部分安置在 3D列印機的外殼底部內側，中間空心的部分是 PLA線材的置放區，如此可有效利用內部空間。

運動軸 Z軸以帶動玻璃平台為主，在平台的後方加裝軸承、光軸運用螺桿與

步進馬達帶動 Z軸玻璃平台的上下移動。XY軸移動的方式使用 H-Bot的特殊結構，H-Bot的二個步進馬達僅利用一條皮帶帶動，繞著固

定好的滑輸後呈現 H的圖形，其列印加熱擠出噴頭固定在皮帶上，以馬達運轉帶動皮帶移動

間接控制列印噴頭的位移，以完成 XY軸方位的移動。H-Bot結構空間利用率高，也呈現不錯的穩定性。

馬達運轉時齒輪

跟著轉動帶動皮帶

列印頭隨著皮帶移動

平台與直線

軸承結合

馬達透過螺桿帶動平台移動

紅色的圈是皮帶

3D列印件

線材擺放位置

玻璃平台

軸承

光軸

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在教學時，同學努力組合所有的零件進行測

試，最終完成自組式的 3D列印機。

印表機機台的外觀架構與完成組裝的成品

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游孟潔明志科技大學機械工程系

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另外，為了機身的穩定，XYZ軸的三個步進馬達與擠出機馬達都放置在機台的

下方。其中 XY二個馬達使用延伸軸帶動，使整個列印機在使用時不會因為震動而降

低列印品質。

控制系統以 Arduino Mega為控制板，並配合 Ramp1.4的 Arduino Shield，以 A4988步進馬達驅動器驅動，並配合 12V外接電源使用。韌體使用Marlin版本改寫。以如此的3D列印架構，配合 Arduino等電路控制組件，就可快速完成系統的開發。

這作品所開發的 3D印表機主要用於教學使用，學生在學習開發與組裝的過程中，

可以對熔融沉積 3D印表機的所有元件有所了解。未來機器故障時也因組裝工作的實

作，可以駕輕就熟地排除。

在創客的社群中，主張以跨領域的精

神來學習與製作。因此在建立好 3D印表機時，若能以很便宜的價格與方便的學習管

道建置 3D建模的能力，加上其他可利用的電子電路基本資源，就可以在 3D列印機的使用上加入每個人的巧思，創造出不同於

其他人的各項創作。

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