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第 4 課

如何與模型工廠打交道

各位創新創業夥伴們大家好,我是丹尼斯老師,今天要跟大家談談:如何與模型工廠打交道

進入今天的主題之前,我們先來談談模型是怎麼製作出來的。模型製作在產品開發的不同的階段、不同的應用目的,有不同的製作方法。大致上可以分為:

  • 3D 列印 / 3D printing
  • CNC 加工 / CNC milling
  • 矽膠模具翻製 / Silicone mold 或者稱為 soft-tooling(在模具用語,使用沒有硬化的鋼材也叫 soft-tooling)

在硬體產品的開發過程,在兩個階段中會用到模型製作:

  1. POC, Proof of Concept 概念驗證
  2. EVT, Engineering Verification Test 工程驗證

POC, Proof of Concept 概念驗證階段所需要的模型,重點是評價這個概念的可行性。你可以用麵包板把所有電子零件焊接、或者串接起 來,或者你熟悉 Arduino 或 Raspberry pi,更容易快速產出一組電子工程板來達成你要的結果。如果你想要有一個簡易外型,可以用 3D printer 快速打印出一個塑膠外殼,用來評估一下產品未來的概略尺寸,或者模擬一下手感。也可以讓所有研發夥伴感受一下未來可能的 樣子。因為在這個階段的 POC,快速、便宜達到所要的結果是它的重點,外觀也不要求精緻。POC 模型是給 R&D 研發人員看的,功能 比外觀重要。

EVT, Engineering Verification Test 工程驗證所需要的功能模型,目的性就很不一樣。EVT 功能模型已經經過 ID 工業設計師、機構工程 師、電子工程師的團隊合作,它會有一個美美的外觀、接近可以量產的產品結構、與一片經過電子佈局、洗板、打件完成的 PCBA。一插 上電就可以按照你期待的方式運作。這組模型已經可以測試基本功能、開始評估未來量產所需要的模具投資費用、成本估算、群眾募資拍 片、找天使投資人、參加創業競賽簡報。通常這類較精緻的功能模型,是用 CNC 來加工製作,程序上大概由以下幾個步驟所組成:

  1. 工業設計師 ID, Industrial designer 會先繪製大量草圖 sketch,從中精選比較符合流行感、人機介面、量產性的造型,作為本次產品開發案的主設計,並產出一份色彩計畫書 CMF, Color 顏色 Material 材質 & Finish 表面處理,作為工廠製作的參考。
  2. ID 造型定案後就開始 3D 建模,把原來平面式的快速草繪圖進入到有精確尺寸的 3D 立體造型。一般所使用的 3D 建模軟體為 Creo, Solidworks, Rhino, Alias...等。
  3. 3D 建模完畢,就由機構設計 ME, Mechanical engineering 接手,開始建構整個產品的結構,包括:薄殼、拆件、PCBA 堆疊 stacking、長肋 rib、螺絲柱 boss、卡勾 snap、倒勾 undercut 檢查...等,並產出一份 CAD 檔(stp 或 igs 格式)。
  4. 模型工廠會根據你所提供的 CAD 檔與 CMF 開始製作模型。工廠會實施二次拆件,根據他們的經驗把零件用更有效率的加工方式,以一體式、或多次翻面、或拆件後再黏合組立。
  5. 把工件(塑膠或金屬材料)固定在指定的 CNC 加工機上,等待刀具路徑的指令送達,就可以開始在材料上切削了。
  6. 等工件切削完畢,後續就由模型師傅以電動或手工具、去毛邊、打磨、清角。這時候工件尚未噴漆,一般都稱之為白身 body-in- white, 這是由汽車產業術語轉用,代表車身尚未塗裝噴漆前的素材狀態。通常在白身狀態會實施假組立,把包括電子在內的所有 零件全部組裝起來,看看各零件之間的間隙、可動件的運作狀況是順暢、機構件與電子件之間是否有干涉狀況,在正式塗裝前都還可以修正。
  7. 接下來就是正式塗裝了,工廠會根據工業設計師所提供的 CMF 文件,針對個別的零件做表面處理。最常用到的方法當然就是噴 漆,根據需要的表面處理效果通常可以分為三種:亮面 glossy(或稱之為鏡面、噴金油、或鋼琴烤漆)、平光 flat、消光 matte。
    • 亮面 glossy-表面的亮光程度可以反射環境的倒影,像鏡子一樣。
    • 平光 flat-表面的亮光程度僅能看到些微反光,但無法反射環境倒影。
    • 消光 matte-表面完全不反光,呈現細咬花或粗糙面。

在這個階段的後處理,可能還包括網版印刷。在模型印上客戶或產品的 logo,讓它看起來更擬真、更有真實感。終於...大功告成了! 如果你需要一批較多數量的模型用來做功能測試,有一種方法是使用暫用模具 soft-tooling. 方法是先用 CNC 按照 3D 面銑出一個塑膠原 型 master,之後去翻製矽膠材質的模具。接下來就把液體 PU 膠灌注到矽膠模具內,去除氣泡、固化後拆開模具就可以取出翻製品了。 這種矽膠模具有壽命限制,大概只能產出 20 組樣品,費用比 CNC 一組一組切削要便宜很多,尺寸精準度也較差。

但講了這麼多,各位創新創業夥伴是否有能力自己面對工廠溝通呢?

丹尼斯老師過去 20 年的職場生涯,擔任過工業設計師,也在模型廠服務過。所以對”如何跟模型工廠溝通”,可以說是略懂、略懂。

”如何跟模型工廠溝通”的重點,其實是如何說他們聽得懂的語言,與畫他們看的懂的圖。與模型廠溝通要注意以下事項:

  • 提供完整總組立 3D 圖面(stp 或 igs 格式)。
  • 提供 CMF, Color 配色 / Material 材質 / Finish 表面處理。把每個零件的加工方法都標示在 CMF 材質說明文件上,避免用一頁式 的標註方式(上述圖示就是一種錯誤示範)。正確敘述方式如下:
    項次 檔名 圖示 CMF
    1 uppercase

    配色 Color: Pantone 427C

    材質 Material: ABS

    表面處理 Finish: 平光

    後處理: 網版印刷*1 色 / Pantone 877C

    2 Lowercase

    配色 Color: 陽極處理 / 鋁合金本色

    材質 Material: 鋁合金 A6061

    表面處理 Finish: 消光

  • 所有 3D 零件的檔名,務必與 CMF 上的檔名一致。根據丹尼斯老師的經驗,檔名不一致會造成工廠的困擾,這是全世界的設計師 都燴飯的共同錯誤。
  • 如果你想要表現在零件上的表面處理方式,無法用國際通用的標準色來描述(例如: 潘通 Pantone 色票),可以用實體樣品來替代, 例如: iphone 玫瑰金。
  • 描述塑膠顏色用 Pantone, DIC, RAL / 描述光的顏色用 RGB / 描述印刷色用 CMYK,這些基本規則不可混淆。
  • 表面處理方式,可以分為三種:高亮面 glossy(可以反射環境的倒影)、平光 flat(僅能看到些微反光)、消光 matte(完全不反光)。
  • 避免在同一個零件上出現不同顏色的區域,這在量產開模時可以用雙料射出 double injection 或包射 over-mold 來解決。但是在 模型製作階段,就得拆成兩個零件分別製作好後再組立起來成為一件。用遮噴 mask-painting 並不是好方法,丹尼斯強烈建議不 要這樣做。
  • 軟性材質有不同加工方法可以選擇,包括開一副暫用模具再灌軟膠,或者用噴橡膠漆的方式,費用較低效果也不錯。
  • 透明件通常都用壓克力 PMMA 材質,可以染成各式各樣的透明色,工廠有標準染色劑色卡可以提供選擇。也有一種乳化壓克力材 質(英文稱為 milky 或者 cloudy),可以提供均勻的擴散導光效果又不會看到發光源。
  • 鋁合金材質,為了保留它原始的金屬感,通常會採用陽極處理 anodizing。如果為了考慮耐刮,可以考慮使用粉體塗裝 Power coating 膜厚較厚,耐刮性、耐候性較好。

綜合以上的課程重點,我們幫各位創新創業夥伴做個總整理:

  • 模型製作的方法、精緻度與用途,各有不同,可以依照自己的需求、預算來製作。
  • 工廠在執行模型製作前,需要客戶提供給他們機構設計的 3D 圖,格式為 stp 或 igs 檔。
  • 研發單位內部研究用的,就用 3D 印表機自己打印就可以了。有功能性的 working prototype,可以用 CNC 加工,產出非常擬真 的品質,看起來就像量產開模做出來的。如果模型數量需要更多用來測試驗證,可以考慮用矽膠模具,每組模具可以產出 20 個翻 製品。
  • 模型表面處理方式,大致上可以分為三種:高亮面 glossy(可以反射環境的倒影)、平光 flat(僅能看到些微反光)、消光 matte(完全 不反光)。
  • 3D 圖面的零件名稱,務必與 CMF 的描述一致,這是經常會犯的錯誤。
  • CMF 是非常重要的文件,務必把每個零件的 Color 配色 / Material 材質 / Finish 表面處理描述清楚,缺一不可。
  • 描述塑膠顏色用 Pantone, DIC, RAL / 描述光的顏色用 RGB / 描述印刷色用 CMYK,這些基本規則不可混淆。
  • 模型表面處理方式,大致上可以分為三種:高亮面 glossy(可以反射環境的倒影)、平光 flat(僅能看到些微反光)、消光 matte(完全 不反光)。

作者:游明熏 Dennis You

成立美鈦國際,提供全球新創公司/群眾募資達標團隊 軟硬體整合:設計製造一體化服務 SW/HW Integration Solution