2015年12月10日 星期四

快速成型專用的物理性修補機 PATCHING PHYSICAL OBJECTS/Stefanie Mueller


Design Team:
Alexander Teibrich, Stefanie Mueller, François Guimbretière,
Robert Kovacs, Stefan Neubert, and Patrick Baudisch

為了減少材料的消耗,並降低設計過程中反覆驗證所產生的廢料,德國設計師Stefanie Mueller 與其合作團隊提出了一種修補現有物件的方案(而不是再從零開始)。以下圖為例,(a) 首先軟體會計算哪些部分進行更改,然後 (b) 一個鑽頭會磨除不必要的幾何形體,緊接著列印出更新後的幾何造形。

image©Stefanie Mueller
個人化的製造流程目前是一個單向不可逆的過程;一旦物件以 3D 印表機製作完之後,便不能再做修改。任何的改變都需要從頭列印一個新的版本。這種操作的方法忽略了設計反覆檢視的特性(意味著後繼版本的設計其實僅是小部分的修改,其本質還是大部分繼承了之前的設計),這使得「從零開始製造」夾雜了許多不必要地浪費。
在本文中,設計師提出了不同的做法;不再是重新列印整個物件,而是針對現有物件進行檢查與修改。設計師重新改良了現有的 3D 印表機,透過構建一個嶄新的系統,來實現這樣一個想法。使用者將現有物件安置在 3D 印表機上,然後將原始模型以及修改後的模型,以 3D 的格式載入到設計的軟體,逆向演算如何進行物件的修改、修補。在系統查明哪些部分要刪除/添加哪些內容後,使用內置於印表機內的 3D 掃描器進行截取,而後標定好模型的坐標,小型銑床首先會刪除多餘的幾何部分,然後印表機的列印頭會堆疊列印新的幾何部分。
相較於整個物件的重製,設計師推出的新方法有效減少材料的消耗和塑膠廢物的生成(下面的範例分別保留原始物件 82% 和 93%)。

實際操作影片



PATCHING PHYSICAL OBJECTS : LIFE-LONG DESIGN
設計是一種不斷反覆驗證的過程,下面根據「時間」的區隔,提出幾種適合這種修補方式的情境假設:
1. 立即性的發現 3D 列印失敗的作品
2. 數分鐘到數小時之間,當一種新的設計推翻了舊有的版本
3. 數天至數個月後,因為本來的物件被打破
4. 數個月至數年後,由於不斷變化的需求

能夠修補現有物件,並有效地降低了材料消耗和浪費,設計師稱之為 LIFE-LONG DESIGN。

Hardware for patching physical objects
為修補物件而研發的硬體設計
圖 2 顯示硬體的設置,設計師整合了一部現有的 3D 印表機(MakerBot Replicator 2X)、銑床鑽頭(包含碎屑吸除),具有更多自由度的 5 軸旋轉平臺,以及可以截取深度/對齊物件的 3D 掃描鏡頭。

Figure 2: Hardware for patching physical objects.
圖2:這個裝置內的各種配件(由左而右)
3D掃描器、3D噴頭、銑床、吸塵器、5 軸工作檯面

減法製造(subtractive fabrication
設計師在 MakerBot 擠出機的一側添加了具有削磨功能的鑽頭與吸塵器的電機裝置。在硬體配置上,這些元件被巧妙安置在一個完整的單元空間內(原本右側擠出頭的空間),以達到最大的加工範圍。
5 軸列印(5 axis printing
既有的 3D 印表機具備 3 軸,然而為了能夠順利從物件頂部刪除並添加新的結構,往往需要刪除更多不必要的材料。為了能從側邊進行物件的打磨,設計師添加了額外的兩個軸向(雙軸旋轉平臺)
3D 掃描(3D scanning)
這款單元的設置可以 3D 掃描並協助系統對位 3D 模型的位置,來整合新舊模型的物理資料。景深相機搭配雙軸旋轉平臺,可以讓物件進行 360 °全方位的掃描。

實際案例操作 

目標物是一個列印到一半就印壞的物件,下方的照片說明整個操作的過程:

(場景 1)將物件移除掉印壞的部分,接續把後面的進度印完

(場景 2)設計變更,必須要開一個口
透過平台的傾斜,得以從側面進行加工

(場景 3)使用一段日子之後,列印件斷裂而必須進行修復

(場景 4)由於換了手機,所以必須進行型體的局部修正

關於【五軸加工】與【加法+減法製造】
設計師製作了一系列的簡圖,來說明這些單元整合在一起時所發生的問題,包含工序步驟、模組相互干涉情況的發生,以及如何避免。值得玩味的圖組。
3軸與5軸在這種工法上的加工差異
(開發2軸旋轉平台的原因)

各種旋轉角度所需要消磨以及填補的耗材量

愈大的加工底板,實際翻轉時可加工的範圍就越小

量體的增加必須考量到噴頭模組路徑上是否干涉
(避免干涉必須先進行造型上的修正)

噴頭在左、CNC在右是無法改變的事實
必要時那就把模型轉 180 度吧 ! 

既有物件在路徑上的干涉,也可以直接在路徑上解決問題
(直接把加工平台降低)

左右模組必要的校正與干涉預防

要把模型從 V1 修正成 V2 版本
(必須進行進階的分析,加工工序要考量到封頂的問題)

模型掃描與幾何放樣對齊

大型物件的固定仰賴雙面膠
小型物件的固定必須靠夾具

TEAM MEMBERS


下面是我們特別挑出來,兩件非常喜歡的設計師作品
瞬移的實體物件(Teleporting Physical Objects)

大概就是這樣的逆操作吧(笑)


Stefanie Mueller 在 2013 年初發表的 LaserOrigami




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