工业设计之实务设计方法论

工业设计之实务设计方法论

萧全智

灿坤实业股份有限公司

摘要

二十一世纪，藉由电子技术的发达，直接的影响了设计形式，正确的使用各种设计方法，是身为产品设计师所必须去深入了解的重要课题。本文并不以理论方法学为探讨重点，而是以实务的设计方法来说明逆向工程的应用，并以产品设计师的角度来探讨如何利用逆向工程的设计方法来达到造形质量的控制。

设计方法的使用错误往往会造成产品设计上的失败，而造成成本的提高、人力的损耗及交期的延误等等。故本文除了讨论工业设计师如何利用逆向工程技术做好造型质量的控制外，也针对了机构工程师对逆向工程技术于产品设计方法上的认知与应用的探讨。

一、绪论

设计方法是设计师执行设计案的工具，所仰赖的是设计师本身的素养（discipline），而「素养」就是设计师对于实务上设计方法的了解与认知。

在早期的产品设计，都是以功能（function）的需求为第一优先，然后再追求人体工学（ergonomics）的操作舒适，最后才讲求美观，这是在十九世纪时代，人类只求产品的功能目地达到即可。随着时代的进步，人类（消费者）对所使用的产品或者其他器物的使用，已不只是功能而已；其在美感上的追求，已经是超过设计师的想象了。工业设计师不只是要专注在工学方面的技术领域，另更须在美学的素养上有所心得，知道如何将机器穿上一件美丽的外衣，因此，工学与美学已是不可分开的了。以工业设计师的观点来考虑，设计不只是完全注重于设计物本身而已，另外对于设计物本身的造形质量也是相当重要的，因此工业设计师应该加强本身对各项设计方法的了解，运作各种不同的设计方法来创造更好的设计质量。

近年来由于CAD（Computer Aided Design）与CAM（Computer Aided Manufacture）的使用方便，而使得工业设计师与机构工程师之间的沟通渐渐的也都在计算机上进行，甚至对产品初期的概念发展也都在计算机辅助设计系统上面进行，越来越多的工业设计师几乎将全部的时间花在CAD的软件上，然而从包浩斯（Bauhaus）时期到现代的各学校在工业设计教育的课程上却仍然要求学生必须学习模型的制作，而不是直接以图面来取代模型的制作。

其实在工业设计师的教育课程中，用手制作模型是仍有其必要性的，设计师若能自己用手制作草模，就较能养成对各种产品型态的表达与感觉，以往工业设计师的思考常会因3D绘图程序而有所限制，例如在造型设计上原本的设计是要曲线为R50却常因为软件上运算的失败而必须迁就软件可接受的曲线，更何况是在处理自由曲面时，就更难从3D绘图程序中真正知觉所画的型态是什么，对一个刚从学校毕业或较无经验的设计师而

言常有可能会出现缺乏美感或根本不是心中所想的型态而不知，况且在产品设计上往往常会有考虑到人体工学上的设计，而人的触觉感受是必须真正去接触物体而非透过计算机来感觉的，因此亲自动手制作模型是有其必要性的。因此工业设计师对于造型的设计应当有「实做」的观念，只有当工业设计师动手去做模型才会真正知道哪里是正确的方向。其实「思考」与「实做」二者之间应是相辅相成的。

但是工业设计师在动手做模型的同时却也延伸出了另一个问题，就是如何将模型转成3D图文件以供机构工程师做机构设计，以目前的情况来说许多的工业设计师在做完模型时便透过CAD 的正向软件来建构3D曲面，但由于正向的CAD 无法有效的建构出和模型一模一样的曲率，因此在3D图面建构完成后再经由CNC或RP来制作模型往往可发现与草模的外型相差甚远，因此造成许多开发时程上与成本上的浪费，而工业设计师往往也因为时间的紧迫而必须放弃原始的造型来迁就已建构完成的3D图面，因此设计师往往会产生疑问到底计算机是设计师还人才是设计师呢？

3D绘图软件虽然带给了设计师在产品设计上的方便却也带给了设计师在造型设计思考上的限制，因此如何让设计师所制作的模型能够完整的在3D绘图软件中呈现出来就必须整合更多的设计方法。

在坊间有许多有关逆向工程的书籍及论文发表，其内容大部分都只在探讨曲面建构过程，大部分的产品都为汽车、模具、叶轮等等，对于在电子产品上的应用则较少提到，其实随着人们生活质量的提高，消费者对于电子产品的造型要求也越来越高，因此工业设计师必须要不断的创造更流线的外观造型来符合消费者的需求，而如何将工业设计师所创作的产品完整的呈现出来则须整合各项数字化设计的技术，及正确的设计方法。

二、参考文献

随着3D模型的使用快速成长与模具制作对时间、造型质量与精度要求的日益严格，过去传统利用正向CAD系统来进行产品设计，已经不是唯一的处理方式。近年来逆向工程(Reverse Engineering)处理技术逐渐成熟，透过逆向工程之运用可使得产品开发时程缩短并且增加产品造型曲面的质量，因此各类产业皆积极导入逆向工程之技术。

近年来各厂商面对越来越竞争的产业变动，「速度」成为竞争力的重要条件之一，快速将产品推出上市似乎是提高产品存活率的不二法门，尤其目前各产业间的产品周期缩短，每隔一段时间就有新产品问世。因此，如何缩短研发时间、加速制程，创造出更有质感的产品，便成为各家公司的首要课题。逆向工程（Reverse Engineering）便是因应这种情况而产生的制程，经由快速扫描仪器取得产品外型数据，便可直接在逆向软件中建构3D模型，大大降低了研发时间，提高产品的竞争力。

然而逆向工程技术到底如何运作，以取得适当的产品外型？简单的说，逆向工程就是根据现有的实体，量测其外形坐标点资料，再根据量测所得的点数据建构物体的曲面几何模型。一旦有了三维的几何模型后，就能方便应用于CNC加工或快速成型等制造。

透过逆向工程所建构而得的CAD Model，经由CAM产生刀具路径，其切削精度及效率更胜于传统的仿削加工，此外逆向工程技术，除了仿型和增进后续的加工质量及可得到高质量的曲面造型外，更能赋予产品重新设计的好处，目前在工业

界的运用已经大量的取代原有的仿型加工(Copy Machining)。

1980年始，欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程这块领域，逆向工程属于萌芽时期。1990年初期，逆向工程研究如雨后春笋，包括台湾在内，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。尔后逆向工程应用范围越来越广泛，汽机车工业、航天工业、制鞋工业、消费性电子产品，甚至在休闲娱乐方面也可发现它的踪迹，比如运用到动画，娱乐界等。另外在医学科技，如人工关节等模型建立，也有其应用价值。

三、逆向工程之应用设计方法实例

1、造型质量控制

就目前逆向工程的制作上，一般都是先透过扫瞄设备将模型扫瞄后，取得模型的点数据后再经由点数据来产生模型的外观断面线，一般的产业在逆向工程的外观曲面建构上都是透过一般的CAD软件来制作，但就以一般的CAD软件来说要做到与模型完全相吻合又能达到高质量的造型曲面几乎是相当困难的，以下就以电熨斗把手的其中一部分，经由一般的CAD建构所产生的问题来作举例说明（如下图1 ~4）：

图1. 由四条曲线建构来形成一个曲面，从图面上可以清楚的看到曲面的断面线

与模型的断面线有明显的差距。

图2. 在曲面的中间再加上一条曲线，从图面上可清楚的看到曲面已越来越逼近

模型的断面线，但在红色标示内仍有

些许误差。

图3. 在曲面上另外平均的加上三条曲线，同样的从图面上来看几乎已经完全与

模型的断面线相吻合。