Rapid Filament Prototyping and Its Application in Architecture

國立交通大學建築研究所 碩士論文

絲成型在建築上的應用 Rapid Filament Prototyping and Its Applications in Architecture

研 究 生：施孟宏 指導教授：許倍銜

中 華 民 國 一 零 五 年 11 月

絲成型在建築上的應用 Rapid Filament Prototyping and Its Applications in Architecture

研 究 生：施孟宏 指導教授 ：許倍銜

國立交通大學 建築研究所 碩士論文

A Thesis Submitted to Graduate Institute of Architecture College of Humanity and Social Sciences National Chiao Tung University In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Architecture

Nov 2016

Hsinchu, Taiwan,

摘要

目前的快速成型方式大多以三軸的移動(XYZ)方式來成型，本研究試圖提供設計者另一種 的成型方式。而成型的原理將以旋轉來產生離心力的方式，產出類似編織的絲狀效果， 是目前 3D 列印無法達到的效果。而本論文討論絲狀成型的過程，包含其原因、條件、材 料的選擇與絲狀單元組構成不同形狀的可能性及最佳化。並透過實際的實驗與組裝，使 用熱塑性材料如(ABS、PLA、TPU、PP.熱塑性水晶、保麗龍膠材料等)。並在絲噴灑的 範圍內，再另外設計特定形狀的模具，或預埋骨架及其他材料等，使噴灑的絲狀能夠依 照模具的形狀，產出該模具的形狀樣式，或讓噴灑的絲，覆蓋預放在模具中的材料，來 形成複合式的材料結構單元。並利用製造出來的單元形狀進行實際拼裝，以驗證這樣的 成型方式，可以提供使用製作大型尺度的結構體。

關鍵詞 : 3D 列印、熱塑性材料、絲、快速成型模型(Rapid Prototyping) 、構築、噴灑

Abstract

Tri-axis prototyping is so far the most prevalent technique in rapid prototyping. A research project was conducted with an aim to provide designers a faster alternative for prototyping. The proposed technique utilizes centrifugal force to create a semi-weaving effect which cannot be achieved by the conventional 3D printing technology. Based on practical experiments of thermoplastic material (ABS,PLA,TPU, PP, thermoplastic crystal, polyfoam glue of materials), this paper discusses prototyping in terms of the making process , use of materials and other factors associated with the control of filament weaving effect.

Furthermore, designing and embedding molds or frames within the range of filament spray allows composite structure units to form into designed shapes.

With this technique, a more efficient way in large-scale rapid prototyping is proposed and tested.

Keywords : 3D Print 、Thermoplastic Crystal、 Filament、Tectonic、Spray fabrication

謝誌

讀研究所兩年的時間，遠比想像中過得還要快，轉眼間我也和大家一樣走到這一步。首 先自己在大學期間並不是學習建築相關科系，以至於剛開始踏入建築所，會有一些不習 慣的用語，覺得自己的同學、學長姐們都好強好厲害。自己好像甚麼都不太懂，但在慢 慢的和同學們熟識，也就漸漸的熟悉且融入這樣的環境。 這裡首先要感謝自己大學的學長韋鉦，在一開始進入交大研究所暑假至競圖期間，帶我 熟悉交大建築所的一切，讓我在一開始就很順利的找到第一批好隊友(@建華、鼠飄、毓 蕙)。從此朋友的支脈便向外展開，開始認識了更多人(@王佳恩、王維康、Andy Wen、 陳 仡 竫 、 Lu Yong Wei 、 Bernard Yang 、 君 展 、 Kevin Wang 、 Oliver Hung 、 Ken Lee、….等)。 因為有你們讓我在交大的生活變得精采有趣，而同儕之間的學習，更讓 我受益良多。 另外要特別感謝在寫論文期間，給我意見幫助我的朋友們(@Ken Lee、chi Li Cheng、 韋鉦、陳伯諺、黃子維學長、陳俊太老師..等)。還有我的優質好同學兼好戰友(@曾子亭) 在這一年互相加油打氣，雖然後來妳比我早畢業，但現在我也努力走到這步了，持續共 勉之。 以及長期旅外學成歸國的(@盛郁庭)，你的復學為那時候的數位組上下，注入一股輕鬆幽 默的氣氛，改變了大家，也讓我度過非常有趣快樂的一年級下學期，認識你超棒的，數 位組不能沒有你啊。 再來，要謝謝推薦與教導我的大學恩師，林楚卿老師。讓我有機會開闊自己的眼界與提 升自己。以及數位組侯君昊老師、許倍銜老師，讓我看到跨領域的無極限。同時也要謝 謝所辦雅米，總是幫助我處理行政上的事物。最後要特別感謝倍銜老師的論文指導與幫 助，讓我能夠完成自己當初所提出的論文題目。且收穫滿滿。 最後，也要謝謝我自己的家人，在求學的路上，沒有給予我額外的負擔，讓我順順利利 的完成碩士學業。在這裡，要感謝人太多，沒辦法依依點名，只能總結一句，因為有你 們的幫忙，或是一句鼓勵的話，才讓我完成我的論文研究，也希望這份研究，能夠帶給 需要人的幫助或啟發，將會使這份研究便的更有意義，而也會讓自己感到，對社會或世 界有一點點的小貢獻。

目錄

中文摘要-------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ 英文摘要-------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅱ 謝誌--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅲ 目錄--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅳ 圖表目錄-------------------------------------------------------------------------------------------------------Ⅴ

第一章 緒論----------------------------------------------------------------------------------------------------9

1-1 研究動機與背景-------------------------------------------------------------------------------------------9 1-2 研究問題與目的-------------------------------------------------------------------------------------------9 1-3 研究步驟--------------------------------------------------------------------------------------------------10

第二章 研究背景探討--------------------------------------------------------------------------------------12

2.1 3D 列印的種類------------------------------------------------------------------------------------------12 2.2 絲纖維作為成型與棚架的案例----------------------------------------------------------------------13 2.2-1 案例一 2.2-2 案例二 2.2-3 案例三 2.2-4 案例四 2.2-5 案例五 2.2-6 案例六 2.2-7 案例七 2.2-7 案例八 1

2.3 絲的材料總類-------------------------------------------------------------------------------------------22 2.4 製造絲的方法-------------------------------------------------------------------------------------------23 2.4-1 傳統製造絲的方法 2.4-2 工業製造絲的方法 2.4-3 熔融、乾式、濕式與電紡絲製造

第三章 概念與設計發展-----------------------------------------------------------------------------------26

3.1 第一階段_製造絲原理與初步機構，以資料收集與實驗相互分析，並以糖為例--------28 3.1-1 資料收集與實驗相互比較分析，材料以糖為例 3.2 第二階段_熱塑性材料------------ -------------------------------------------------------------------29 3.3 以糖為例，成絲的條件分析-------------------------------------------------------------------------31 3.3-1 ABS 與保麗容膠 PVA 材料測試 3.3-2 ABS 3.3-3 保麗龍膠 PVA 3.3-4 ABS 與保麗容膠 PVA 問題與討論 3.4 熱塑性材料----------------------------------------------------------------------------------------------34 3.4-1 熱塑水晶種類實驗 3.4-2 噴灑絲範圍 3.5 熱塑水晶加熱過程與各項參數----------------------------------------------------------------------40 3.6 機構設計-------------------------------------------------------------------------------------------------41 3.6-1 可移動的模具 3.6-2 機構外部 3.6-3 模具上下移動_直流馬達與步進馬達

第四章 實作與測試------------------------------------------------------------------------------------------45

4.1 模具設計-------------------------------------------------------------------------------------------------45 2

4.1-1 型態樣式 4.2 骨架型式單一鐵絲--------------------------------------------------------------------------------------49 4.2-1 單一鐵絲、單一噴灑 4.3 模組化單元與設計單元的相接方法-----------------------------------------------------------------52 4.3-1 單元間接法實作(一) 4.3-2 單元間接法實作(二) 4.3-3 增加絲附著之方法 4.3-4 雙鐵絲雙骨架 4.3-5 雙鐵絲骨架二次噴附 4.4 數位模擬程序-------------------------------------------------------------------------------------------63 4.5 組裝整合-------------------------------------------------------------------------------------------------70 4.5-1 單一形狀組裝_六邊形 4.5-2 大小不同單元形狀組裝_以球體為例 4.5-3 鋪面單元 4.5-4 作為柱結構 4.5-5 自由曲面測試與組裝_以三角形為例 4.5-6 自由曲面測試與組裝_以圓形為例 4.6 小節-------------------------------------------------------------------------------------------------------82

第五章 結論---------------------------------------------------------------------------------------------------83

5.1 研究貢獻--------------------------------------------------------------------------------------------------83 5.2 研究限制與未來研究-----------------------------------------------------------------------------------84

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圖表目錄

圖 1、步驟流程圖--------------------------------------------------------------------------------------------11 圖 2、3D 列印種類------------------------------------------------------------------------------------------12 圖 3 ICD ITKE Research Pavilion-1--------------------------------------------------------------------13 圖 4 ICD ITKE Research Pavilion-2--------------------------------------------------------------------13 圖 5 PolyThread-1------------------------------------------------------------------------------------------14 圖 6 PolyThread-2------------------------------------------------------------------------------------------14 圖 7 Shellstar-1--------------------------------------------------------------------------------------------- 15 圖 8 Shellstar-2----------------------------------------------------------------------------------------------15 圖 9 Electroloom-1-----------------------------------------------------------------------------------------16 圖 10 Electroloom-2----------------------------------------------------------------------------------------16 圖 11 Silk Pavilion-1---------------------------------------------------------------------------------------17 圖 12 Silk Pavilion-2---------------------------------------------------------------------------------------17 圖 13 Silk Pavilion-3----------------------------------------------------------------------------------------18 圖 14 旋轉蠶繭燈具-1--------------------------------------------------------------------------------------18 圖 15 旋轉蠶繭燈具-2--------------------------------------------------------------------------------------19 圖 16 填充單元-1--------------------------------------------------------------------------------- -----19 圖 17 填充單元-2-------------------------------------------------------------------------------------- 20 圖 18 Transient materialization Ephemeral, material-oriented digital fabrication-1--------20 圖 19 Transient materialization Ephemeral, material-oriented digital fabrication-2--------21 圖 20 纖維分類表--------------------------------------------------------------------------------------------22 圖 21 蠶絲取絲-----------------------------------------------------------------------------------------------23 圖 22 工業紡絲技術分類----------------------------------------------------------------------------------24 圖 23 熔融示意圖-------------------------------------------------------------------------------------------24 圖 24 式乾示意圖-------------------------------------------------------------------------------------------25 4

圖 25 濕式示意圖-------------------------------------------------------------------------------------------25 圖 26 電訪絲示意圖-----------------------------------------------------------------------------------------25 圖 27 初期機構-----------------------------------------------------------------------------------------------26 圖 28 出絲容器-----------------------------------------------------------------------------------------------27 圖 29 出絲過程測試-----------------------------------------------------------------------------------------27 圖 30 出絲流程示意圖--------------------------------------------------------------------------------------27 圖 31 各種出絲參數總整理--------------------------------------------------------------------------------28 圖 32 ABS 出絲--------------------------------------------------------------------------------------------31 圖 33 ABS 出絲收集---------------------------------------------------------------------------------------31 圖 34 保麗容膠測試----------------------------------------------------------------------------------------32 圖 35 保麗容交出絲收集----------------------------------------------------------------------------------32 圖 36 ABS 堵塞----------------------------------------------------------------------------------------------33 圖 37 熱塑顆粒材料-----------------------------------------------------------------------------------------34 圖 38 熱塑水晶 a -------------------------------------------------------------------------------------------34 圖 39 熱塑水晶 a-1 ----------------------------------------------------------------------------------------35 圖 40 不同廠牌熱塑水晶-----------------------------------------------------------------------------------36 圖 44 熱塑水晶 c --------------------------------------------------------------------------------------------36 圖 42 熱塑水晶 c-1 ------------------------------------------------------------------------------------------37 圖 43 絲噴灑範圍圖----------------------------------------------------------------------------------------38 圖 44 實際操作過程----------------------------------------------------------------------------------------38 圖 45 三角形噴灑狀態-------------------------------------------------------------------------------------39 圖 46 正方形噴灑狀態-------------------------------------------------------------------------------------39 圖 47 熱塑水晶材料加熱過程-----------------------------------------------------------------------------40 圖 48 熱塑水晶材料加熱過程紀錄----------------------------------------------------------------------40 圖 49 機構模具移動示意圖--------------------------------------------------------------------------------41 圖 50 實體機構----------------------------------------------------------------------------------------------41

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圖 51 外部機構模具移動示意圖-------------------------------------------------------------------------42 圖 52 外部機構模具移動示意圖-1-----------------------------------------------------------------------42 圖 53Arduino 升降設備------------------------------------------------------------------------------------43 圖 54 絲噴灑過程--------------------------------------------------------------------------------------------43 圖 55 移動模具後的絲比較--------------------------------------------------------------------------------44 圖 56 高 15 公分絲-------------------------------------------------------------------------------------------44 圖 57 模具範圍示意圖--------------------------------------------------------------------------------------45 圖 58 機構模具拆解示意圖--------------------------------------------------------------------------------46 圖 59 六角形模具--------------------------------------------------------------------------------------------46 圖 60 五角型與六角形單元--------------------------------------------------------------------------------47 圖 61 六角形敷面單元--------------------------------------------------------------------------------------47 圖 62 敷面成型過程示意圖--------------------------------------------------------------------------------48 圖 63 鋪面成型過程----------------------------------------------------------------------------------------48 圖 64 六角形骨架定位-------------------------------------------------------------------------------------49 圖 65 五角型單元--------------------------------------------------------------------------------------------49 圖 66 單一鐵絲-----------------------------------------------------------------------------------------------50 圖 67 單一鐵絲，單一噴灑--------------------------------------------------------------------------------50 圖 68 單一鐵絲，單一噴灑外部-------------------------------------------------------------------------51 圖 69 單一鐵絲，單一噴灑內部-------------------------------------------------------------------------51 圖 70 3D 列印接頭組裝示意圖---------------------------------------------------------------------------52 圖 71 單元組裝示意圖--------------------------------------------------------------------------------------52 圖 72 實體 3D 列印模組單元------------------------------------------------------------------------------53 圖 73 以木頭卡榫之 3D 接頭示意圖---------------------------------------------------------------------54 圖 74 圓洞 3D 接頭示意圖---------------------------------------------------------------------------------54 圖 75 單一鐵絲、鐵絲網-----------------------------------------------------------------------------------55 圖 76 單一鐵絲、鐵絲網細部-----------------------------------------------------------------------------55

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圖 77 單一鐵絲、鐵絲網之出絲單元--------------------------------------------------------------------56 圖 78 單一鐵絲、鐵絲網之出絲單元細部--------------------------------------------------------------56 圖 79 雙鐵絲、雙骨架示意圖-----------------------------------------------------------------------------57 圖 80 雙鐵絲、雙骨架細部--------------------------------------------------------------------------------58 圖 81 雙鐵絲、雙骨架二次噴附--------------------------------------------------------------------------59 圖 82 雙鐵絲、雙骨架二次噴附操作--------------------------------------------------------------------59 圖 83 雙鐵絲、雙骨架二次噴附內部--------------------------------------------------------------------60 圖 84 雙鐵絲、雙骨架二次噴附細部--------------------------------------------------------------------60 圖 85 布雞眼扣-----------------------------------------------------------------------------------------------61 圖 86 螺帽螺絲-----------------------------------------------------------------------------------------------61 圖 87 角度固定方式-----------------------------------------------------------------------------------------62 圖 88 單元示意-----------------------------------------------------------------------------------------------63 圖 89 Polyhedra 範例--------------------------------------------------------------------------------------63 圖 90 操作方法-----------------------------------------------------------------------------------------------64 圖 91 單元形式-----------------------------------------------------------------------------------------------65 圖 92 角度計算過程_Grasshopper Scripting----------------------------------------------------------66 圖 93 Rhino 與 Grasshopper 六角形單元與接頭-----------------------------------------------------67 圖 94 接頭生成_Grasshopper Scripting----------------------------------------------------------------67 圖 95 Rhino、Grasshopper Scripting------------------------------------------------------------------68 圖 96 Rhino、Grasshopper Scripting------------------------------------------------------------------68 圖 97 3D 列印接頭-------------------------------------------------------------------------------------------69 圖 98 組裝示意圖-------------------------------------------------------------------------------------------69 圖 99 絲噴灑示意圖 ---------------------------------------------------------------------------------------70 圖 100 實際組裝類型分類--------------------------------------------------------------------------------70 圖 101 單元組裝過程---------------------------------------------------------------------------------------71 圖 102 單元組裝示意圖------------------------------------------------------------------------------------71

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圖 103 絲噴灑範圍_六角形與五角形--------------------------------------------------------------------72 圖 104 絲單元組裝過程-------------------------------------------------------------------------------------72 圖 105 絲單元組裝完成-------------------------------------------------------------------------------------73 圖 106 鋪面示意圖-------------------------------------------------------------------------------------------74 圖 107 柱示意圖_以小單元堆疊進行模擬--------------------------------------------------------------75 圖 108 正三角形單元----------------------------------------------------------------------------------------76 圖 109 分割與攤平-------------------------------------------------------------------------------------------77 圖 110 以正三角形模擬自由曲面_曲面角度大--------------------------------------------------------77 圖 111 局部組裝----------------------------------------------------------------------------------------------78 圖 112 單元採解再拼裝-------------------------------------------------------------------------------------79 圖 113 局部示意----------------------------------------------------------------------------------------------79 圖 114 自由形體模擬示意圖-------------------------------------------------------------------------------80 圖 115 circle packing 以 4.5-5 範例為例---------------------------------------------------------------80 圖 116 圓形單元----------------------------------------------------------------------------------------------81 圖 117 以大骨架作為支撐示意圖以 4.5-5 範例為----------------------------------------------------81 圖 118 加入螢光粉一起成形-------------------------------------------------------------------------------85 表 1 MI 測試的材料，溫度及荷重條件財團法人塑膠工業技術發展中心-------------------30

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第一章 緒論 1.1 研究動機與背景

隨著電腦科技進步與廣泛的使用，使用數位科技技術做為媒材已成為趨勢，加上近年快速 成型專利的過期，使的過去昂貴的快速成型機 RP(3D 印表機)，逐漸成為大眾可以購買的機 具。而現今快速成型 3D 列印的原理，包含了 FDM 層積式、SLA 光固化，SLS 雷射燒結， DLP 面投影，LOM 層壓式，SLM 雷射融化等，但基本上都是以三軸 XYZ 的方向的控制， 近期雖有液體成型的技術出現，但還尚未普及。以目前大眾所熟悉的 3D 列印加工方式， 經由細小的噴頭進行加熱融化材料並擠出，層層堆疊起來，物件通常可以有相當的精緻度。 但相對也花費更多的時間在傳統工藝的成型方法中，如陶藝的拉坏成型，能靠著簡單的底 盤旋轉，以雙手施力於陶土，型態的改變是即時顯現的。以及如製造食用的棉花糖機，則 透過對材料加熱與快速旋轉來產生離心力，使材料能夠被快速噴灑出來，並能夠被快速的 被堆疊，因此能夠在短時間內形成大體積量體，兩者成型方式都能夠在短時間內成型，但 僅使用簡單的旋轉原理來達到型體產生的效果。 以及目前的成型機具，往往在材料擠的路徑上，具備了一定的規則，所成型的型態皆會有 紋路與邏輯可循，如同蜘蛛吐絲結網，或蠶蛹吐絲等，都依據了固定的方法。本研究的成 型方式，能突破固有的成型邏輯，有著成型時的不可預期性，而這樣不可預期的特性，也 或許能夠提供人們額外設計的關鍵條件，將有機會產出令人意想不到的效果出來。

1.2 研究問題與目的

基於這樣的觀察，本研究企圖挑戰當下的 3D 列印成型方式以及製造方式的想像，並採用傳 統工藝成型的方式，以旋轉來產生離心力原理，做為成型的手段，試圖產出類似編織的絲 效果，能夠快速的堆疊成型，且能夠實際被使用，而產出的型態是當下 3D 列印機所達不 到的效果。其成型特性是可以使用少量的材料，達到大面積的型體。而層積堆疊的方式， 在製造方式中，屬於加法製造，是需要多少才產出多少，較不讓費材料。比起一般在製作 與組裝大尺度的型體時，多採用雷射切割或 CNC 車床，是屬於減法製造，切割過後也將 產生許多耗材。因此，本研究目的將試圖以絲成型方式，以實際測試，製造生產出有形狀 的單元，來進行組裝，提供一種大尺度的形體雛型，(原型模式、2006)( Abdullah S. Ramesh M. & Munir A .2006)或建築空間表面，(王嬿晴,2011) ，並能自撐的輕型結構體 (Riether G, 2012)，製作方法的選項之一。而在製作大尺度型體或自由曲面時，常採用的 方法之一，是以單元分割的方法，其方法是將一型態分割成數個小單元後，再進行組裝， 來得到接近預期的型態或曲面。使用的製造方式也多是減法製造。然而減法製造往往造成 材料的浪費，當尺度放大時，所產生的耗材也就跟著增加。

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1-1 研究步驟

本論文以產出實際可用的空間表面組構手段做為目標，採取實作測試的方式，測試其速度， 溫度，材料對成型所影響的因素，將以熱熔材料為主，另外設計多邊形模具，及上下移動 模具的機構，單元與單元的組裝的方式，以及設計骨架形式或其他可能預埋的材料等，以 上述的離心力機構做為成型的主要手段，加上分階段的測試與實驗，流程包含五個階段:， 材料測試，機構設計，單元型態，骨架型式、以及組裝整合。

材料測試 本研究將使用熱熔材料為主，作為製造絲的材料。初期將針對如何製造絲的原因，進行理 解，並以糖作為選項，進行各項成因的實驗，並收集且紀錄。而後才會將材料改為我們日 常生活中的熱熔材料，如熱熔膠條，保麗容膠，以及 3D 列印材料 ABS.PLA 等，來企圖尋 找以目前設計的機構，最為合適的熱熔材料做最後的使用。 機構設計 本研究中將以離心力作為架構，使用現在棉花糖出糖器 0.6mm 的篩孔，作為出絲容器，加 以改造其外部。並設計成型的模具，與模具可伸降的機構。而伸降的功能主要讓絲在成型 的過程，透過模具的上下移動，能有型態上高度的變化。 單元型態 單元型態將試圖找出最佳的成型單元，用來組裝大型的結構體。並依照機構的設計，測試 可成型單元的大小等相關條件，也試圖從測試的實驗中，尋找可能的新型態。如機構設計 中，可升降的模具，將可以提供高度的需求，產出有高度變化的筒狀絲結構。 骨架形式 骨架的設計主要可以分成兩個項目，(一) 、思考讓絲狀纖維在被噴灑之後，並附著在骨架 上，使兩者結合並有結構性。(二)、思考如何在骨架如 3D 列印接頭上，或其絲狀表面設計 單元與單元互相拼接的方法。 組裝整合與分析 組裝的階段，以絲狀單元之間的卡扣或互鎖等方式，互相來拼接，並嘗試找其最佳的拼裝 條件。並搭建出一個能獨立支撐的結構體或空間表面等。來驗證絲材料，從製造到生產的 真實與被使用的可能性等。

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研究流程圖

圖 1、步驟流程圖

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第二章 研究背景探討

本章節將收集。目前 3D 列印機的定義與種類。以及絲狀成型的方式，如工業方式和傳統 方式的收集的差異和相同之處，與可應用的絲案例等。

2.1 3D 列印的種類 隨著電腦與科技的進步，以及 3D 列印機的逐漸普遍下，越來越多人開始接觸快速成型機。 而我們熟知的 3D 列印機也只是眾多機種裡面的其中一項。快速成型亦可稱為加料製程技 術(Material Increase Manufacturing)，層加工技術(Layer Manufacturing Technology)，或 實體自由成型技術（Solid FreeForm Fabrication），其加工方式是採用將材料一層一層堆 疊成型，因此屬於加料的加工方式。而至大可以分為以下這四大種類，(3D 列印基本種類 介紹、2004)。

圖 2、3D 列印種類

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2.2 絲纖維作為成型與棚架的案例 2.2-1 案例一 名稱 : ICD ITKE Research Pavilion 機構 : 斯圖加特大學的計算研究所設計（ICD）和建築結構研究所結構設計（ITKE） 尺寸 : 8mx8mx3.4m 時間 : 2013-2014。2016 地點 : 德國與英國

圖 3 ICD ITKE Research Pavilion-1 網址 http://i.vimeocdn.com/video/479622219_1280x720.jpg 由斯圖加特大學的數位研究所設計（ICD）和建築結構研究所設計（ITKE）構建了一種仿 生研究的棚架系統。在這個項目中，ICD 團隊運用仿生設計策略，在與生物學家合作對於 甲蟲殼體結構的研究基礎上，發展出新穎的機器人建造方式來搭建強化纖維聚合物結構。 這種建造方式是對纏繞技術的模塊化發展的探索，這種雙層纖維複合結構可以在維持最大 限度幾何自由的同時，將所需模板的數量減少到最小，由此產生了這種輕量化的預製穹頂。 展館獨特的幾何模塊，建造上引入了兩個大型 KUKA 機器人，負責將玻璃和碳纖維纏繞在 薄質鋼框架上，來實現這種雙曲面模塊的機器人無芯纏繞方式。

圖 4 ICD ITKE Research Pavilion-2 網址 https://www.vam.ac.uk/exhibitions/elytra-filament-pavilion

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2.2-2 案例二 名稱 : PolyThread 機構 : Jenny Sabin Studio 時間 : 2016 地點 : 紐約 史密森設計博物館

圖 5 PolyThread-1 網址 http://www.designboom.com/design/jenny-sabin-cooper-hewitt-design-triennialbeauty-polythread-knitted-textile-pavilion-03-02-2016/

PolyThread 是一個具有特色的針織輕量化的可居住，高性能，合身和適應性材料。設計靈 感來至於數學邏輯和蜂窩網絡的啟發。該針織物結構的張力獨立支撐在鋁管上。單元的紋 理來至於紡織技術的應用如服裝結構的元素。針織材料使用能吸收光的紗線，織出能夠方 便攜帶以及超輕質的結構，並可以提供在戶外使用，在白天吸收太陽的光線，並在夜間釋 放。單元的接合使也用縫紉的方式。連接兩部分使用像旋渦狀的針織方式銜接。機織，針 織和編織技術的進步使的表皮的應用更加廣泛。這些產品在目前已經廣泛使用在航空，汽 車，運動和海洋產業，但建築領域還未完全使用到這些輕量的曲面結構(Sean A& Achim M,2013)。

圖 6 PolyThread-2 網址 http://www.news.cornell.edu/sites/chronicle.cornell/files/Triennial460.jpg?itok=03xPtuk3

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2.2-3 案例三 名稱 : Shellstar 機構 : Art LAB . Topcon HK 尺寸 : 8mx8mx3m 時間 : 2012 地點 : 香港 技術 : Rhino, Grasshopper, Kangaroo, Python, Lunchbox, Rhinoscript

圖 7 Shellstar-1 網址 http://matsysdesign.com/2013/02/27/shellstar-pavilion/

Shellstar 是一個輕量級的臨時展館。使用了大量數位軟體輔助，其結構是由 1500 個單元 所組成，事先設計的單元切割方法，讓切割過後的單元，能夠依照切割火力的大小，局部 能被彎折，再利用事先切好的孔洞，讓單元與單元之間的組合，以束線袋就能夠固定，因 此能被快速的被組裝。大大的簡化製造的工時。而曲面起伏，得倚靠預設的管狀骨架支撐 此結構。

圖 8 Shellstar-2 網址 http://matsysdesign.com/2013/02/27/shellstar-pavilion/

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2.2-4 案例四 名稱 : 噴印 機構 : Electroloom 時間 : 2015 技術 : 電場引導型織布（Field Guided Fabrication，FGF）靜電紡絲法（Electrospinning）

圖 9 Electroloom-1 網址 https://www.3printr.com/electroloom-3d-printer-creating-ready-to-wear-garments-1529082/

此機器「印製」衣服的方法是將 3D 模具放置於機器中，透過稱之為電場引導型織布 （Field Guided Fabrication，簡稱 FGF）的技術將衣服印出來。FGF 基本上使用了靜電紡 絲法（Electrospinning），對含有紡織材料分子的液體施予高壓電位，使其中帶負電位或 正電位的粒子相互吸引或排斥。最終，當電壓達到一定程度時會噴射出一道液體流，落到 3D 模組表面。當液體蒸發後，剩下的便是一條條的布料纖維。藉由重複這道過程，一道道 含有布料纖維的液體流不斷被噴灑到 3D 模具上，最終形成一件與 3D 模組外觀相同，完 整的衣服。截至目前為止，這台機器使用滌棉混紡織物已經印製了床單、背心、裙子以及 帽子。

圖 10 Electroloom-2 網址 https://www.3printr.com/electroloom-3d-printer-creating-ready-to-wear-garments-1529082/

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2.2-5 案例五

名稱 : Silk Pavilion 機構 : MIT Media Lab 時間 : 2013 地點 : 美國

圖 11 Silk Pavilion-1 網址 http://matter.media.mit.edu/assets/images/made/assets/projects/silk-pavillion-grid_1500_1000.jpg

絲綢館探討數位製造及生物製造在單元以及建築尺度下的應用。主要結構由 CNC 機床所 製造的多邊形板，再進行拉線動作，來產生不同程度密度的單一連續螺紋圖案。接著由 6500 隻蠶放置到多邊形結構上，進行蠶吐絲的動作，加強其線交織產生簍空部分的表面完 整度。

圖 12 Silk Pavilion-2 網址 http://matter.media.mit.edu/assets/images/made/assets/images/5_silkPavilion_1500_1000.jpg

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圖 13 Silk Pavilion-3 網址 http://matter.media.mit.edu/about

由空間和環境條件，包括線的密度以及在自然光與熱的變化的影響，發現蠶會遷移到較暗 和較密的區域。進行吐絲。而光會引響整個結構的表面積結構分布。並進行基礎研究探討 使用蠶作為實體表面結構形狀和材料產生非織造纖維結構的形成的可能性。

2.2-6 案例六

名稱 : 旋轉蠶繭燈具 機構 : YASUHIRO 鈴木設計工作室 時間 : 2014 地點 : 日本

圖 14 旋轉蠶繭燈具-1 網址 http://www.designboom.com/design/yasuhiro-suzuki-re-cocoon-silk-lamps-07-14-2014/

“再繭”，由日本藝術家鈴木康廣的一個作品，作者好奇絲綢作為材料的可能性，並深入對 紡織的生產和製造研究。他意識這種材料，是非常輕便，耐熱，耐用。而這個條件和燈具 的設計需求有所契合。此作者使用了電鑽和燒開水的鍋來製作這燈具的機構。將蠶蛹放入 煮沸的熱水，讓蠶蛹軟化重新取得上面的絲，再用電鑽旋轉燈具的骨架，使絲能夠不斷的 纏繞在骨架上。 18

圖 15 旋轉蠶繭燈具-2 網址 http://www.designboom.com/design/yasuhiro-suzuki-re-cocoon-silk-lamps-07-14-2014/

2.2-7 案例七

名稱 :Padded Cell 填充單元 地點: 藝術 紐約 時間 : 2010 作者 : Jennifer Rubell

圖 16 填充單元-1 網址 http://jenniferrubell.com/projects/25-padded-cell-project

這是由 1600 個棉花糖單元組成的監獄。是紐約藝術家 Jennifer Rubell describes 以填充單 元用來呈現紅色派對。此獨立房間是以 8x16 米 的填充單元構成，房間包含有機玻璃窗口 和一扇單門。牆壁以及門都是用紅色棉花糖單元組成，以及裸燈泡在中心掛起。門晚上 9 點被打開，在晚上時，可以透過窗口與門看見燈亮起來。單元的形狀則像是磚頭的樣式， 堆疊而成。

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圖 17 填充單元 -2 網址 http://inhabitat.com/padded-cell-is-a-room-lined-with-1600-cones-of-cottoncandy/inhabitatcottoncandy03/

2.2-7 案例八

名稱 : Transient materialization Ephemeral, material-oriented digital fabrication 地點 : 藝術 紐約 時間 : 2011 作者 : Created by Shih-Yuan Wang, Yu-Ting Sheng, Dr. Alex Barchiesi and Vyacheslav Kryvosheya

圖 18 Transient materialization Ephemeral, material-oriented digital fabrication-1 網址 http://www.creativeapplications.net/processing/transient-materialization-ephemeral-material-oriented-digitalfabrication/

此裝置主要以肥皂泡沫體組成的結構體。並提出關於結構的重要性，並測試其物理性和泡 沫的短暫特性。首先取得了一個可編程的泡沫結構，並提出一個動態和可轉換的泡沫結構 20

的各種設備配置。設備包含產生及空氣和氦（由氣動閥控制）和添加化學物質劑和增稠劑 的混合物相互作用下。讓泡沫能夠維持一定狀態而不會消失，且能夠往上飄。這過程包含 物理和化學與數位工具，機器材料的應用。並透過電腦控制馬達，使模具能夠有左右移動 以及孔洞開合的大小變化，讓泡沫及時能夠有形態上的變化。

圖 19 Transient materialization Ephemeral, material-oriented digital fabrication-2 網址 http://www.creativeapplications.net/processing/transient-materialization-ephemeral-material-orienteddigital-fabrication/

小結 透過絲棚架與絲成形的案例中，可以分為五種類型，(一)、2.2-1 單元拉線(絲)拼裝。 (二) 、2.2-2 布料絲單元拼裝。(三) 、 2.2-4 電紡絲成型(四) 2.2-5 生物輔助蠺絲成形。 (五)、2.2-6 傳統取絲成形。 1. 就絲材料而言，常見的做法，通常被使用在表皮層，作為較裝飾性的設計。以懸吊或與 其骨架一起縫紉的方式來呈現。如案例 (二)、2.2-2 布料絲單元拼裝，(三)、2.2-3 (五)、 2.2-5 生物輔助蠺絲成形或其案例(三)、2.2-3 倚靠預設的管狀骨架支撐結構，來達到逼近 形體的做法。 2. 絲成形的手法，從這五種案例當中，主要可以分為二大類，分別為(一)、看得出編織紋 理。(二)、看不出編織紋理。當中差異則為有編織的行為或是藉由將材料纏繞、堆疊成型。 而本研究將以後者，由堆疊成型，作為研究手法。發展後續的設計。 3. 從絲棚架案例整理結果，要讓絲具備結構力而言，較難透過絲本身的特性來達成，需要 骨架的協助，因此案例(一)單元與絲結合的方式與拼裝，和案例(二)單元拼裝的方式，將做 為設計與參考的方向。 4. 為了讓絲能夠有形狀的產生，再利用產生的形狀，拼裝成棚架或其特定形狀。因此模具 的設計將參考的案例(六)在材料噴灑的過程中，透過模具的移動方向與開口大小，使形狀 達到即時的改變。而本研究主要以形狀單元的拼裝來達成大型體的構築，因此如案例(六) 產生有高度的柱狀型態將不以考慮，將以固定的形狀單元模具為參考方向。 在熱熔材料的訪絲技術下，皆須要精密的機具設備。而本研究將實驗以離心力的方式，並 以上續案例作為基礎，擬定後續的研究方向，進行以離心力來測試熱熔材料，產生絲的各 種相關參數條件，以及絲單元的製作與實際拼裝驗證其結果。 21

2.3 絲的材料總類 絲又能稱之纖維，而纖維是指長度比直徑大很多倍並且有一定柔韌的纖細物質。纖維也是 一種發展比較早的高分子化合物，如棉花、麻、羊毛和蠶絲等都屬於天然纖維。隨著化學 工業發展，化學反應、合成技術與石油工業技術進步下，出現了人造纖維及合成纖維，並 統稱化學纖維。人造纖維是以天然聚合物為原料，並經由化學處理與機械加工而得到的纖 維。其中主要產品有聚酯纖維（達克綸 Dacron） 、聚酰胺纖維（耐綸 Nylom） 、聚丙烯 腈纖維（奧綸 Orlon）三大類，此三大類產量佔合成纖維產量的 90%以上。眾多纖維中， 合成纖維具有高強度，耐高溫，耐酸鹼，耐磨損，質量輕，保暖性好，電絕緣性等，且用 途廣泛與原料取得容易，生產不受限自然條件限制，因此發展迅速(紡織用纖維之認識與製 程概念)。

圖 20 纖維分類表 網址 http://140.136.183.17/elearn/wu/ziye_ch1.htm

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2.4 傳統製造絲的方法 在科技還沒成熟的年代，人們需要絲綢的時候，大部分仰賴天然纖維為主如棉花、麻、羊 毛和蠶絲等。而已蠶絲為例，蠶絲是熟蠶結繭時，分泌絲液凝固，而成的連續長纖維。傳 統製絲的方法，是靠著飼養大量的家蠶，取其繭放入煮沸的熱水，使繭鬆軟，將絲取出。 一個蠶繭約可以抽出 800－1200 米的蠶絲(顧世紅、第 283 期)。

圖 21 蠶絲取絲網址 http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/100/283/a-4.pdf 家蠶起源與絲路

2.4-1 工業製造絲的方法 : 人造纖維的製造方法主要如下圖 21 所示，依照不同原料的加工性質來選擇是當的方法生產 製造，主要的紡絲技術分為熔體紡絲、溶液紡絲和電訪絲三大類。 熔體紡絲又可分為下面五種: 熔體直接紡絲、熔噴紡絲、高速紡絲、切片紡絲一步法(乾、 絲法)。在溶液紡絲過程中，根據凝固方式有乾法和濕法兩種，濕法紡絲主要有四種成行方 式: 淺浴成型、深浴成型、漏斗浴成型和管浴成型。濕法紡絲中主要又分為兩部法、凝膠紡 絲法、乳液紡絲法。電紡絲加工技術由於可得到纖維直徑為奈米等級的，故近來大量投入 研究。(楊濬聰、2011)

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圖 22 工業紡絲技術分類_ (楊濬聰、2011)

2.4-2 熔融、乾式、濕式與電紡絲製造 熔融紡絲：將高分子聚合物加熱熔融成為一定粘度的紡絲熔體，利用紡絲泵連續均勻地擠 壓到噴絲頭，通過噴絲頭的細孔壓出成為細絲流，然後在空氣或水中使其降溫凝固，通過 延伸（Drawing）成絲(紡織用纖維織認識與製程概念)。

圖 23 熔融示意圖 網址 http://140.136.183.17/elearn/wu/ziye_ch1.htm

乾法紡絲:利用容易揮發的溶劑對高分子聚合物進行溶解，製成適用於紡絲的黏稠度。將紡 絲黏液從噴絲頭壓出形成細絲流，通過熱空氣套筒使細絲流中的溶劑迅速揮發而凝固，通 過牽伸成絲(紡織用纖維織認識與製程概念)。

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圖 24 式乾示意圖

圖 25 濕式示意圖

網址 http://140.136.183.17/elearn/wu/ziye_ch1.htm

濕法紡絲：將成纖高分子聚合物溶解於溶劑中製成紡絲溶液，由噴絲頭噴出形成粘液細絲 流，使它進入凝固液中，由於粘液細絲流內的溶劑擴散以及凝固劑向粘液細絲流中滲透， 使細絲流凝固成纖維。濕法紡絲的特點是噴絲頭孔數多，但紡絲速度慢，適合紡制短纖維， 而乾法紡絲適合紡制長絲。通常同品種化學纖維利用乾法紡絲較濕法紡絲所得纖維結構均 勻，品質較好(紡織用纖維織認識與製程概念)。

電紡絲設備是採用高電壓施加直流電，正極聯結末端的金屬針 頭，負極則是連結至金屬板 上以形成迴路，並且在電紡區域形成一高 壓電場。接著將高分子流體由針筒等容器盛裝， 並且連接注射幫浦以 固定速度推進，使高分子流體從針筒經由矽膠管緩緩流至末端金屬針 頭時，因為電荷密集累積於液珠上，使液珠成帶電狀態，當靜電斥力 越趨強大，會使液珠 緩慢形成泰勒錐並且不斷擺動液珠，持續拉伸而 變成長條型液柱噴射出來，在噴射期間溶 劑揮發使溶質成為長條形並 且固化，最後連續性的落在收集板上而形成微奈米級的纖維絲 (林學政、2011)。

圖 26 電訪絲示意圖 網址 http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/bibeibe1V4926TqzFytnvHXd8AacqEerNwib8lzoV0bIEyVv017Mv3TbcJ7gX7BC2fOByo04c65qRAw5leYU9nfJQ/ 0?wx_fmt=jpeg

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第三章 概念與設計發展

經由現有的案例研究與資料收集，可以發現工業製造絲的方式，皆需要使用精密的機具設 備才能完成。因此本研究將採用現今製造棉花糖的原理，以旋轉的方式來產生離心力，來 建構一個低環境需求，能夠快速上手的方式，並能協助設計者在製作大型的結構體時，提 供另一種成型的選擇。 實驗初期將對旋轉產生離心力的方式，進行理解，例如製造絲的各種參數條件進行的掌握， 如材料對溫度、速度的相關實驗測試，並將實驗數據整理收集，選出最適當的參數條件， 進行往後的設計與實作基礎。在目前常見，且操作手法容易的旋轉出絲成型方法，就屬製 造食用的棉花糖方法為主。因此實驗將以棉花糖機器的出絲器皿，作為了解出絲的原理機 構。材料選擇上分為（兩個階段）。第一階段，為了從頭瞭解其出絲的各項成因的條件， 將先以「糖」作為實驗材料，來了解旋轉出絲的相關原理，並基於了解到的相關知識，進 行第二階段，材料改使用「熱塑性材料」。其原因有二。（一）糖作為最終的成品，在接 觸空氣的情況下，並無法有效的保存其成型的效果（二）測試在不使用複雜精密的機具設 備條件下，將材料改為熱塑性材料，是否還能夠順利出絲。

3.1 第一階段_製造絲原理與初步機構，以資料收集與實驗相互分析，先以糖為例 以棉花糖的出絲為例，是將糖放進機器中加熱，融化成糖漿後再經高速旋轉產生離心力， 並將熱糖漿由中央轉盤的細孔噴出來，接觸空氣後瞬間冷卻變成糖絲。其工業製造的手法 也大致相同。下圖為初期實驗的設備，使用棉花糖的出糖器皿，以及直流馬達並搭配可調 整電壓大小的變壓器，來改變轉速快慢，以及噴燈加熱融化材料。

圖 27 初期機構

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圖 28 出絲容器

圖 29 出絲過程測試 初步實驗出絲步驟:1.首先將出糖器預熱 1-2 分鐘，此時要注意出糖器的溫度。2.把糖倒入 出糖器的容器內，倒入的量不能夠太滿約 1-2 分鐘後，3.即可開始旋轉，就會噴出糖絲。 離心力旋轉成絲的原理，是將材料糖放入容器中加熱，融化成糖漿後再經高速旋轉產生離 心力，並將熱糖漿由旋轉的容器上的細孔噴灑出來，接觸空氣後瞬間冷卻形成糖絲，而噴 出的糖絲，再經由收集形成棉絮狀的棉花糖。

圖 30 出絲流程示意圖 27

3.1-1 資料收集與實驗相互比較分析，材料以糖為例 本章節將先從資料收集(科學展覽 棉花糖之研究)，並整理出其出絲影響的相關參數，以 「糖」為例，基於收集到的相關資料，再補充其他可能條件。目前依收集資料整理出來的 相關條件如 (1)洞孔數。 (2)洞的大小。(3)洞和罐子底部的距離。(4)馬達轉動的速度。(5) 糖的種類。會影響其出絲的好壞。因此相互整理比較後，列出下列 4 種。1.「糖種類對絲 產量的影響」2.「孔洞高度與絲產量」3.「孔洞大小與絲產量」4.「轉速與絲產量的關係」。

圖 31 各項出絲參數總整理 28

3.2 以糖為例，成絲的條件分析

1.「糖種類」對絲產量的影響 資料收集中，採用 4 種不同類型的糖，a 砂糖，b 冰糖，c 方糖，d 黑糖，其熔點也分別為 a 砂糖 187 度，b 冰糖 184 度，c 方糖 186 度，d 黑糖 169 度。出絲效果最佳為 b 冰糖 184 度，其本身並不是熔點最高或最低材料。因此可以判斷熔點高低，較不構成影響出絲狀態 好壞的主要因子。而糖本身的外觀，如體積大小，也影響加熱時間的快慢，竟而可能導致 糖材料的部分燒焦等。以及各種糖種類的特性，如融化後的流動性等，冰糖本身遇空氣， 凝固的時間短，因此成絲效果也就相對好。 2.「孔洞高度」與絲產量 將鋁罐分別在距離瓶底 1 公分、1.5 公 分、2 公分、2.5 公分、3 公分的位置，用大 頭針 以 0.3 公分間距打洞，共 5 行。並以 10 克的冰糖放入。實驗結果為 1.5 公分為出絲最多的 距離。其理解為在固定的電壓轉速條件相同時，噴灑的範圍為固定的高度，因此，洞口較 低的鋁罐，融化後的糖漿都有機會通過洞口，被噴灑出去，反之越高處的洞孔，其絲被噴 灑出去的孔洞數量就會減少，而產量也就跟著降低。 3.「孔洞大小」與絲產量 孔洞的大小，影響著噴灑出來的糖漿多寡，故孔洞越大，過篩的效果越差，噴灑出來的糖 漿也就越多，因此大量噴灑出來的糖將，因體積較大，愈到空氣冷卻的時間，需要更久。 反之孔洞越小，被噴灑出來的糖漿體積就越小，預空氣的冷卻時間短，便容易成絲。但也 不是孔徑越小即越好，這會導致過篩後的糖絲過細，使收集上會有難度，容易因風而飄散。 4.「轉速」與絲產量的關係 輸出的電壓大小，影響著轉速的快慢。在實驗中以 3V，4.5V，9V，12V，分別測試 10 克 的的冰糖。結果為 12V 為出絲狀態最好的速度。理解為一、速度快，能被帶動噴灑出去的 量也就多，故產量多，其二，速度快，被噴灑出去的速度也相對快，噴灑距離也會變遠， 因此所接觸的空氣時間長，成絲的效果也就越好。 5. 其他 實驗「轉速」與絲產量的關係時，試圖加入約 60 克左右的糖，藉此希望來達到大量出絲的 效果。但在融化的過程中，糖漿變從孔洞中溢出。因此加入材料「糖」的量，也需要斟酌 出絲容器的體積。以棉花糖的出糖器皿為例，約莫放入材料 10-20 克之間即可。 基於上述的資料收集，與自己親身實驗的互相比較，並整理「絲」製成的相關條件。將以 棉花糖的出糖器皿，作為之後實驗固定的變因，而操控變因則針對材料性的測試，將測試 熱塑性材料成絲的效果。由 3.3 章節「糖種類對絲產量的影響」，可以得知材料對於成絲 的效果，主要還是在於「材料本身特性」，如融化後的 1.「流動性」2. 「凝固的時間長短」 等，來判斷是否適合成絲的依據。

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3.3 第二階段_熱塑性材料 第二階段，主要是以第一階段所收集到的出絲條件，進行換材料的測試，並驗證旋轉出絲 的設備，在材料經由糖替換為熱熔材料後，也還能夠適用與使用。 一般而言，塑膠材料可大分為兩大類：「熱塑性塑膠」及「熱固性塑膠」。「熱塑性塑膠」 可以經由反覆加熱，使材料熔化來達到反覆固化成型的效果，相反的，「熱固性塑膠」則 是加熱到一定溫度後變成固化狀態，即使繼續加熱也無法改變其狀態。因此，熱固性塑膠 無法經由再加熱來反覆成型。因此選用的材料將以「熱塑性塑膠」為選項。塑料的加工方 法包括注塑，擠出，膜壓，熱壓，吹塑等。(塑膠及其加工業原物料秏用通常水準)，在上 述結論中，得出能出絲的材料，需要適當的流動性，因此在塑膠加工過程，流動性可 以稱之熔融指數。熔融指數:英文為 Melt Flow Index，簡稱 MI，塑膠材料經測量後所 得到的數值稱為:MI 值。(熔融指數 MI 值-財團法人塑膠工業技術發展中心) 熔融指數的定義為聚合物熔體在一定溫度、一定負荷下熔體每十分鐘通過標準口模 (2.095 mm)的重量。MI 值的測量一般是根據 ASTM D1238，所規範的方法測得。其 方法是將塑膠放入一固定內徑的金屬套筒中，並加熱使塑膠融化後，再給予一固定的 荷重於活塞上，利用活塞上的重量將已熔融的塑膠從標準口模中押擠出來，並秤重其 押擠出來的塑膠重量。

表 1 為 ASTM D1238 關於 MI 測試的材料，溫度及荷重條件 _資料來源財團法人塑膠工業技術 發展中心

因其材料特性、配方為專業的知識，因此並無太多可資訊。就可收集到的資料，如表 7， 將直接實驗，以出棉花糖容器來測試材料，並參考表格中 MI 值數穩定且容易取得的材料， 進行測試(劉士榮、高分子材料工程實驗)。選用(ABS)其 MI 值平均數為 220/3-10，以及流 動性看似非常好的保麗容膠。 (常用膠水種類及用途、2016)，來作為兩個流動性值差異大 的比較，來當作一開始熱塑性材料的嘗試以及參考。

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3.3-1 ABS 與保麗容膠 PVA 材料測試 根據表 7 關於 MI 測試的材料，溫度及荷重條件，將選用兩個流動性值差異大的材料為本次 測試的選項，由於圖表中的材料取得上，並不容易取得，因此先以日常生活中方便取得之 材料如 ABS 以及保麗容膠為比較的依據。ABS 則直接拿取 3D 列印所使用的材料線捲，而 3D 列印材料是一綑線狀的樣式，所以在加熱施工前，必須先將材料進行修剪為小單位。再 進行加熱熔化。 3.3-2 ABS ABS(acrylonitrile butadiene styrene 丙烯腈)。實驗步驟：(一)、以一般的棉花糖器皿。篩 孔為 0.6mm，與馬達連接。(二)、在器皿內倒入 20 克的 ABS 材料，加熱融化後通電(至稠 狀約莫 260 度)。(三)、以 12V 的電壓進行實驗。(四)、使用竹籤收集出絲的成果。

圖 32 ABS 出絲

、 圖 33 ABS 出絲收集 31

3.3-3 保麗容膠 PVA 膠水的種類也是有非常多種，如植物膠，動物膠，合成彈性膠，當中也有分熱固性與熱塑 性(常用膠水種類及用途、2016)。因此選用保麗容膠的原因，除了取的上非常容易外，狀態 上也屬於熱塑性材料的一種，其成分為聚醋乙烯（Polyvinyl acetate 簡稱 PVA）。實驗步驟： (一) 、以一般的棉花糖器皿，與馬達連接。 (二) 、將保麗容膠，倒入出絲容器，約 20 克， 進行加熱(至有泡泡產生約莫 130 度)。 (三)、以 12V 的電壓進行實驗。(四)、使用竹籤收集 出絲的成果。

圖 34 保麗龍膠測試

圖 35 保麗容膠出絲收集

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3.3-4 ABS 與保麗容膠 PVA 問題討論 ABS 因材料在融化後，流動性較差，所導致旋轉過後，材料容易堵塞在孔洞，使噴灑出來 的絲狀呈現一條一條斷狀，而堵塞的孔洞，也增加下一次再加熱過程中，不容易被融化。 因此可以判斷流動性差的材料，很難達到出絲的效果。 保麗容膠出絲的狀況則相對來的比 ABS 要好一些，因本身流動性就已經算好，因此在加熱 時間不用太久，即可觀察到有沸騰泡泡的產生。在噴灑出絲時，也可以觀察到有絲綢的感 覺呈現，但出篩孔洞也會有些許材料卡住，理解為保麗容膠本還是屬於膠類的材料，雖然 說流動性看似良好，但是會有一定的粘稠度，噴灑出來的材料本身，冷卻則需要較多時間， 需要等待其材料冷卻。

圖 36 ABS 堵塞

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3.4 熱塑性材料 經上述的材料測試後的經驗。本次選擇的材料將以顆粒狀的熱熔材料，原因為體積顆粒小 的材料，加熱融化的速度相對快速，且融化的程度也相同。並以工業常用的紡絲材料與一 般的熱塑性材料作為實驗比較，以下為 Polypropylene (PP)。Thermoplastic Polyurethane(TPU)，以及市面上販售的 Polycaprolactone(PCL)熱塑水晶。三種不同的材 料，在外觀基本上沒有明顯的差異，因此不透過實際的實驗，並無法確切分辨差異。 實驗步驟：(一)、以一般的棉花糖器皿，與馬達連接。(二)、分次在器皿內倒入 10 克的熱 熔材料，加熱融化後通電。(三)、以 12V 的電壓進行實驗。(四)、使絲噴灑在鋁箔紙上並 收集出絲的成果。

圖 37 熱塑顆粒材料

圖 38 熱塑水晶 a 34

圖 39 熱塑水晶 a-1

小結: 熱塑性材料 Polypropylene (PP)、Thermoplastic Polyurethane(TPU)以及 Polycaprolactone(PCL)即「熱塑水晶」實驗測試後結果。 (一)、本次改用小顆粒材料，在加熱過程中，改善了前幾次實驗過程，因材料體積大小的 差異，使加熱熔化過程中，有融化程度不均的問題。 (二)、熱塑材料 PP、TPU 的出絲效果，明顯沒有比熱塑水晶來的效果好。也會發生如圖 36 的相同問題，容易在噴灑的中卡料在洞口。由此判斷 PP 與 TPU 的流動性 MI 值，較不 適合此設備環境出絲所需要的流動性。 (三) 、經實際操作下發現，此設備環境是能夠提供，更換成熱塑性材料後的出絲狀態，差 別在於出絲後的精密度。而挑選到適合的材料，便是這設備最重要的一環，一般工業用的 熱塑材料在此設備環境下，並無法順利達到出絲的效果，(一)、有可能是轉動後的力量太 小，導致材料被灑出的力量不夠。(二)、材料 Polypropylene (PP)、Thermoplastic Polyurethane(TPU)在加熱過程中，皆設定在融化後約莫 230 度左右至稠狀後，進行噴灑， 因此有可能需要更高的溫度，更稀釋的狀態，便有機會能夠順利出絲。且這兩種材料再加 熱過程，會有味道的產生。

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3.4-1 熱塑水晶種類測試 在實際測試的實驗下，明顯得到以熱塑水晶 Polycaprolactone (PCL)，為出絲狀況最好的 材料，其理解原因為材料本身具有適當的流動性，並且能在絲噴灑過後短時間的冷卻。因 此本研究的材料最終將會以熱塑水晶為實驗接下來的材料。在確定材料的種類後，分別再 以同種材料，但不同店家所賣的熱塑水晶材料，再進行實驗測試。 實驗步驟：(一)、以一般的棉花糖器皿，與馬達連接。(二)、在器皿內倒入 10 克的熱塑水 晶材料，加熱融化後通電。(三)、以 12V 的電壓進行實驗。(四)、使絲噴灑在鋁箔紙上並 收集出絲的成果。

圖 40 不同廠牌熱塑水晶

圖 41 熱塑水晶 c

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圖 42 熱塑水晶 c-1

小結: 同種熱塑水晶材料在不同店家所買的結果，測試出絲下的成果差異甚大。 (一)、熱塑性材料 a[1]與 b[2]都可以在噴灑的過程將絲噴灑到固定外圍的鋁箔紙上，材料 c[3]則會隨著旋轉時所產生的微風，絲容易往上飄起，不易被收集。 (二)、材料 c 噴灑後的絲，雖然可以有效的成絲，但卻沒有辦法在短時間內冷卻，需要放 置長一段時間，與本研究的理想狀態有所出入，故不使用。 (三)、基於同種材料在實驗條件相同的情況下，出絲的狀態，有著明顯的差異，故可以回 推與驗證其材料特性，皆為各家廠商的調製的比例與配方(塑膠及其加工業原物料秏用通常 水準、2009)，以至於每家廠商所配出的合成纖維材料會有成分比例的不同，進而導致在後 段實驗結果，有些差異性。因此在最後選擇的材料，便以材料 a 為最後的選項。

註[1] 熱塑水晶材料 a [CRAZYPOLY] 熱塑水晶 歐洲原廠 熱塑土 熱塑水晶土 創塑土 網址 http://goods.ruten.com.tw/item/show?21521534594225 註[2] 熱塑水晶材料 b [Transtic Thermoplastic] (White) 熱塑水晶 網址 http://shop.dechemical.com.tw/product.php?pid_for_show=6232 註[3] 熱塑水晶材料 c [Plastimake]水晶黏土神奇黏土 創塑土 熱塑土 熱塑水晶土 網址 https://tw.bid.yahoo.com/item/

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3.4-2 絲噴灑的範圍 -

圖 43 絲噴灑範圍圖 絲噴灑的範圍可以分成兩個部分，(一)、絲噴灑的成形距離範圍。(二) 、絲噴灑後的高度範 圍。首先在測試絲噴灑的範圍時，將直接採取之後需要的形狀來實際測試，本實驗將先以 正三角形及正方形做為測試的形狀。形狀大小將以機構壓克力板的圓圈內徑作為頂點來定 義形狀大小，如上圖 43 為例，三角形頂端最長距離噴灑容器的實測單位為 17 公分，最短 距離為 5-6 公分，正方形邊緣的離容器離距為 17 公分，並實際實驗與觀察出絲的狀態。測 試的轉速為 12V，此速度前章節 3-2.4 測試實驗下，所得到最好的出絲電壓。

圖 44 實際操作過程

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圖 45 三角形噴灑狀態 分別實驗後的結果如圖 45，三角形範圍的出絲狀況，在容器開始旋轉後，在距離容器的最 邊緣，則灑出坨狀的熱熔材料，沿著邊緣往內測量，約莫在距離出絲容器 9 公分處，才有 些許絲的產生。而正方形的出絲狀態，如圖 48 出絲的狀態非常好，也都很正常。由此可以 判斷以 12V 電壓的轉速，要出絲的距離，需離 10 公分到 19 公分之間，都有機會可以出絲， 而距離越接近 20 公分的出絲程度，就會越好。在正方形出絲狀態良好下，可以觀察到出絲 後的絲高度約莫只有 3 公分。因此將思考模具或出絲容器的上下移動，來使出絲後的形狀 有高度上的變化。

圖 46 正方形噴灑狀態 39

3.5 熱塑水晶加熱過程與各項數據 在確定以熱塑水晶 Polycaprolactone (PCL)，為最後的材料並以材料 a 為使用。便著手進 行該材料的性能測試。熱塑水晶在加熱的變化過程，可以分為以下這四種狀態(一)、未加 熱前的白顆粒狀。(二)、加熱約莫 1 至 2 分鐘溫度約 180 度呈現半透明狀。(三)、加熱至 3 分鐘溫度約 200 度則會呈現全透明且略顯顆粒狀。(四)、加熱溫度約在 210 至 230 度之間， 材料則完全呈現透明狀。此時狀態便是可以旋轉成絲的最佳時刻。轉速速度以 12V 為固定 變因。

圖 47 熱塑水晶材料加熱過程

圖 48 熱塑水晶材料加熱過程紀錄

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3.6 機構設計 3.6-1 可移動的模具

圖 49

機構模具移動示意圖

機構的設計，必須考慮每次重新噴灑新單元時以及放置模具時，模具與噴灑的模具位置都 必須相同，以免噴灑的過程會有距離不同，所導致噴灑不均勻。以及整體拆裝方便。因此 設計上使用牙條來當作主要的骨架，搭配螺帽墊片的使用，也能讓模具的高度隨著設計者 需求，有所調整。

圖 50 實體機構

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3.6-2 機構外部

圖 51 外部機構模具移動示意圖 基於出絲容器噴灑後，只有一高度的範圍，因此模具的升降，就是為了讓絲在成型過程中 有高度的變化。如圖 51。隨著模具的往上移動，噴灑絲的高範圍也被延伸。而拉動模具上 下移動的機制，這裡則先使用木條快速的拼裝，來建構一個簡易的外部機構骨架，並搭配 馬達來自動拉伸，讓模具沿著牙條上下移動。來檢視整體的運作過程。 如圖 52，在模具的邊緣使用鋁箔紙，使噴灑的絲附著在上面，因材料本身在未完全冷卻的 情況，具有一定的黏稠度。而鋁箔紙的表面特性具備不容易被附著，因此在絲噴灑完後， 可以先行抽換整片鋁箔紙。不需要花更多時間在處理脫模的部分。

圖 52 外部機構模具移動示意圖-1

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3.6-3 模具上下移動_直流馬達與步進馬達 本實驗嘗試使用兩組不同的馬達來測試拉動模具上下移動。分別為(一)、步進馬達搭配 ARDUINO UNO、馬達控制器 EasyDriver、並使用可變電阻，可以手動調整模具上升下降 的範圍。(二)、強扭力直流減速馬達搭配 ARDUINO、L298N 模組，可讓馬達上下來回不 停移動。

圖 53 Arduino 升降設備 如圖 53，右下為可調整輸出電壓的變壓器，在馬達可承受範圍內給予電壓的多寡，影響著 馬達扭力的大小，與轉速的快慢。左下為使用可電阻來手動調整模具上下移動的幅度。

圖 54 絲噴灑過程 43

小結: 兩種馬達分別在測試後結果，以步進馬達較符合本實驗的需求。其原因為直流馬達在上下 移動過程，在最高點及最低點容易有時間差，所導致的小停頓，這會影響絲噴灑的過程， 有噴灑不均的問題，將導致絲成型後的疏密度。相反的步進馬達則可以依照調整可變電阻， 使馬達的轉動被控制，並且能固定在一定點使之噴灑完，再進行下一個高度的移動，比較 不會有成型不均的問題發生。

圖 55 移動模具後的絲比較 在透過實驗過後，可以比較模具的移動，讓絲成型的過程，讓單元有了高度的變化，將產 出不同形態的單元，如圖 56 為模具移動前與移動後的比較。此單元約 4 公分與 15 公分的 比較。

圖 56 高 15 公分絲 44

第四章

延續第三章所建立的實作基礎往下延伸。前章節主要討論材料與相關設備熟悉度。本章節 將進行對於絲狀單元的再加工方式之實驗，並透過實際操作找出如何讓絲狀單元搭配其他 材料的輔助下，能夠具備獨立支撐的結構，並探討具備有支撐力的結構後，單元間的組裝 與接合方式，來檢視其後應用在大型結構體或空間皮層等，以及不同媒材的材料互相組合 下，所擁有的可能發展性。 本章節分五個小段，分別是 1.模具形式與型態種類、2 骨架形式、3.單元與單元組裝方式、 4.軟體模擬、以及 5.實際組裝。

4.1 模具設計 模具的設計延續前章節機構設計時，在機構本身是骨架也同時是軌道的雙重功能下，利用 模具本身機構牙條上的相對位置，並在模具上開洞孔。讓機構上的牙條能夠順利穿過模具 上的洞孔，使模具達到能夠上下移動，不會有偏差的運動狀態。同時基於 3.5-2 絲噴灑範 圍的結論，必須在可成絲的範圍內設計所需要的形狀，如圖 57，因此在實驗過程將以多邊 形體如六邊形和五邊形作為模具形狀的測試選項，大小範圍為出絲狀範圍最佳的距離內 15 公分左右。

圖 57 模具範圍示意圖 45

圖 58 機構模具拆解示意圖

模具形狀的設定，在前章節材料噴灑的過程中得出，絲噴灑的成功條件，必須是出絲容器 與邊框距離在一定的範圍內，因此在設計模具的形狀將以邊數越多的形狀，為最適合的形 狀，本次實驗將以五邊形與六邊形為主，三角形為輔。也因為這些形狀是曲面分割時，常 被使用的形狀之一。模具的組裝方式，利用牙條來當作骨架，可以調整模具的高度變化， 如單元有高度變化的需求，便可以及時做調整。

圖 59 六角形模具

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4.1-1 型態樣式

圖 60 五角型與六角形單元

根據模具形狀所產出的絲狀單元，外觀基本上成功的達到想要的樣子。而在實際操作的過 程中，如圖 0，有隱約的觀察到在平面的象度，有產生類似鋪面的效果。 基於此發現，故重新調整機構的設計。發現當初在設計機構時，為了預防有微量的絲隨著 旋轉，所產生的微風，所導致絲飄散。特地設置了一平面壓克力板來阻擋其散落。若將其 高度改變提高至與出絲容器約平行的位置，在噴灑的過程，就能產生另一個象度具平面的 型態。

圖 61 六角形敷面單元 47

圖 62 敷面成型過程示意圖

有這種鋪面效果的型態產出，是因為在絲噴灑的過程，會有等速度的向外且往下的現象。 在未改變平面的高度前，噴灑出來的絲在過程中，都被噴附在模具邊緣。但在改變平面高 度後，往上提升至出絲容器約莫至平形時，其理解原因為等速度的旋轉，被噴灑的絲沒有 足夠的空間距離，到模具邊緣，就已經先碰到平面，因此產生這樣的型態效果。

圖 63 鋪面成型過程

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4.2 骨架型式_單一鐵絲 骨架的設計，在思考如何讓絲能夠有足夠的支撐力。初期先以單一鐵絲，放入絲單元裡， 讓絲噴灑在鐵絲上，包覆著鐵絲。而初期鐵絲的施作方式，則是在木板上定位模具單元的 相關位子，並讓鐵絲沿著定位點形成該模具的形狀如圖 64。而加裝了鐵絲後的絲單元，也 成功的強化其單元的維持性，不容易變形。

圖 64 六角形骨架定位

圖 65 五角型單元

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4.2-1 單一鐵絲、單一噴灑 在絲噴灑與骨架結合的施工方式，開始使用一次噴灑讓絲附著在鐵絲骨架的方式。而方式 的步驟為，放材料、預熱、放骨架、旋轉、出絲、成型。

圖 66 單一鐵絲

圖 67 單一鐵絲，單一噴灑

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圖 68 單一鐵絲，單一噴灑外部

圖 69 單一鐵絲，單一噴灑內部

小結:這樣的成形方式如圖 69，在內圈被絲噴附覆蓋的範圍良好，基本上看不到鐵絲的裸 露，外圈則明顯的有鐵絲外露的現象。雖然此狀態並不會讓絲單元與鐵絲的骨架兩者分離， 但如果考慮用力拉扯的情形，還是會被拆散分離的。此單一鐵絲的狀態，較適合用來維持 絲形狀不被改變，並無法有其他支撐力。因此問題可以歸納(一)、絲狀與骨架的黏合附著。 (二)、單元之間的快速組裝。

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4.3 模組化接頭單元與設計單元的相接方法 在前章節 4.2 的單一鐵絲實驗中，使用的方法為人工手法，較費力的綁成鐵絲骨架的方式， 因此在此章節將改為模組化的單元組裝，加入 3D 列印的輔助，將六邊形的轉角處，做 3D 列印的模組化，如圖 70，並思考在此列印的模組單元上，加入之後單元與單元組裝方式的 設計。 模組化組裝六角形的步驟，需事先將六邊形的邊長，做好長度的測量，並切割好一樣長度 的鐵絲，再將 3D 列印的模組，設計兩個半圓的形狀，以此用來連接單元與單元之間固定 的方法。以及基於第三章成型範圍，故將六邊形的六個夾角，以導角的方式製作，原因 (一)、能夠讓絲的噴灑容易被依附上去。(二) 、減少銳角以導角設計還能在有限空間裡，增 加單元面積，來達到好的絲噴灑範圍。

圖 70 3D 列印接頭組裝示意圖 4.3-1 單元間接法實作(一) 模組化的材料拼裝如下圖 71，將拼裝好的單元，這裡以六邊形單元為例，由 3D 列印所設 計的接頭(join)兩圓洞互相對齊，使束線帶穿過兩圓洞綁緊，能快速的將單元拼接組裝起來。

圖 71 單元組裝示意圖

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圖 72 實體 3D 列印模組單元

小結:這樣的模組化組裝方式，將大大去除手動施工的作業，只需量產固定長度的鐵絲以及 設計正確 3D 列印模組，可以減少施工的步驟。

4.3-2 單元間接法實作(二) 在思考單元與單元的拼接組裝時期，也實驗過此種設計如圖 73，此種方式源至於木工接榫 的概念(Larry S,2004)。為了減少單元拚接組裝時，所需要的步驟。此接法只需要對準其孔 洞，以平行的方式上下接合，即可固定。不過此種方式在實際操作過後即被證實不適用， 原因為此種接合方式，將導致單元只能有個一方向性，也就是為一平行面，將大大的減少 單元拼裝的可能性。

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圖 73 以木頭卡榫之 3D 接頭示意圖

4.3-3 增加絲附著之方法 經由簡化完，形成骨架形狀的施工方式後，絲噴附的方式，也開始思考由單一鐵絲骨架改 為網格狀的鐵絲網來增加其絲附著的表層面積，試圖增強骨架與絲的彼此間的附著力。因 此在 3D 列印的模組單元上，依舊維持原先單元組裝的兩個圓洞方式，另外再模組單元外 圈的部份加上能夾住鐵絲網直徑的突起夾具設計。藉由絲噴灑時，能夠將鐵絲骨架包覆在 網格與絲之間。

圖 74 圓洞 3D 接頭示意圖

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圖 75 單一鐵絲、鐵絲網

圖 76 單一鐵絲、鐵絲網細部 絲噴灑施工的方法也是採用一次噴灑的方式，步驟為放材料、預熱、放骨架、旋轉、出 絲、成型。如上圖，鐵絲網格也需事先裁切好固定長度六邊形長度，並依照其大小固定 在其邊緣上。

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圖 77 單一鐵絲、鐵絲網之出絲單元

圖 78 單一鐵絲、鐵絲網之出絲單元細部 小結:在經由改為鐵網表面來增強其附著力，並不如想像中來的牢固。其原因為鐵絲本身表 面光滑，所以絲在噴灑時，不容易被附著在上面，加上只有單點固定鐵絲，所以讓鐵絲本 身並不穩固，同時設計的夾具開口朝在模具的外圈，並無法確切被固定在上。

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而實驗過程中也發現，3D 列印的模組單元，較比鐵絲來的具有附著力，原因可能為 3D 列 印單元本身也是熱融材料的一種，再絲噴灑過程中，被熱融的絲覆蓋在 3D 列印單元表面 時，會讓兩者因後者覆蓋上的溫度還在高溫的過程中，而有再次融化結合可能性。

4.3-4 雙鐵絲雙骨架

由單點固定鐵絲的實驗結果下來，成果並不理想。將改為雙鐵絲雙骨架的設計，如下圖 79。 而雙鐵絲雙夾具的模具，本身因有了高度還有簍空的部分，故分別將模具在 RHINO 軟體內， 猜解成上下兩部分，分別列印。再按照前章節的步驟將其組裝。組裝後的高度則基於第三 章的絲噴灑後高度範圍，設定為 3 公分。而鐵網也由原本的單一支點夾住，變為雙支點夾 住，用來強化其穩定性。

圖 79 雙鐵絲、雙骨架示意圖

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圖 80 雙鐵絲、雙骨架細部

在上一章節的設計，將夾具開口設計在模具的外圈，此次改良為設計在內圈。夾具開口也 因此由向外朝向內，這將在絲噴灑的過程，能夠同時夾具開口處填滿，不會有讓鐵絲脫離 夾具的可能。這樣的方式也是將鐵絲網格，包覆在鐵絲骨架與噴灑的絲之間，更加強化且 固定。

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4.3-5 雙鐵絲骨架二次噴附 前小節成功的將鐵絲骨架與絲有效的附著組合在一起，但外觀上絲占整體單元的比例也大 大減弱。因此在考慮外觀條件下與需兼具絲和骨架結合的穩定度同時(Aghaei M, M ; Aghaiemeybodi,H 2012)，將施工步驟稍做調整，把原先的將鐵絲網包覆在鐵絲骨架與噴 灑的絲之間，改為噴灑的絲把鐵絲骨架包覆在絲與絲之間。

因而施工步驟將由原本的 放材料、預熱、放骨架、旋轉、出絲、成型。 改為 放材料、預熱、旋轉、出絲、放骨架、旋轉、出絲、成型。

圖 81 雙鐵絲、雙骨架二次噴附

圖 82 雙鐵絲、雙骨架二次噴附操作

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圖 83 雙鐵絲、雙骨架二次噴附內部

圖 84 雙鐵絲、雙骨架二次噴附細部

小結:外觀下，將原本鐵絲骨架裸露的視覺感比例的部分，大大減少。也因為這種施工方式 是由同種熱熔材料所產出，故在第 2 次材料噴灑的同時，熱熔的絲再次噴灑在第一次噴灑 的絲上，互相結合的效果就要來的比前章節 3D 列印的材料時，結合的還要更好。由圖 84 可以看出雙骨架鐵絲被包覆在絲和絲的中間。

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4.3-6 單元與單元角度之接法 單元與單元有角度的接法，參考了現今大型布條垂掛或懸吊時，會先在布條上打洞並加工 雞眼，來加強以及分散後續施力點，對於布條直接被拉扯所造成的破壞。以及在第四章節 骨架與熱熔絲的結合發現，在兩骨架中間所形成的絲狀表面，其具備相當的韌性，不易因 拉扯，造成破洞。因此以大型布條懸吊或垂掛的施工概念，加上螺絲螺帽的搭配讓單元與 單元相接有角度的變化。

圖 85 布雞眼扣

圖 86 螺帽螺絲

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圖 87 角度固定方式 62

4.4 數位模擬程序 本研究所採用的離心力，來生產絲的製造方式，在前章節的實驗中，在製造過程如需有形 狀的需求，皆必須仰賴該型狀模具的輔助，因此在考量製作成本上，將思考以單一或二至 三種形狀以內的少量單元，來進行組構成一曲面的做法。而這樣的設計結構系統，則與數 位設計軟體中的網格(Mesh)工具類似(劉家豪,2013)，常見的形狀如三角形、六邊形等。而 這樣的幾何關係，如果經由複製、與擴大，便可以組成結構體等。

圖 88 單元示意_(劉家豪,2013) 本節將以 Rhinoceros 與 Grasshopper 交互使用，模擬使用少量的單元，進行球體殼狀的 組構。並取出單元生成該角度接頭。因此流程步驟為一結構體，取出單元，生成接頭(join)。 試圖以少量的單元進行實驗組構。

Polyhedra Polyhedra 是 Rhinoceros 介面下的外掛軟體，裡面提供多種邊長一致，但不同形狀的單元， 所組構成的幾何球體型態，適合用於建築的空間航架系統，本章節以此形式作為數位模擬 的測試操作。

圖 89 Polyhedra 範例

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圖 90 操作方法 在 Rhinoceros 介面下，輸入指令 Polyhedron，會出現此視窗，視窗列表事先將不同類型 的球體形狀依序分類，並且在選到該球體形狀時，也會出現該球體的圖案，還可以選擇模 型的輸出類型，如實體或面狀，非常方便且好使用的軟體。

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圖 91 單元形式 此章節，將以此種模型作為軟體模擬與實際組裝的選項，分別由兩種不同大小的形狀組成， 分別是五邊形以及六邊形，而軟體本身，選擇好模型後，會以顏色區分，將不同形狀顯示 不同顏色。並可以容易的判斷出，此形狀所組成的邏輯，是由五邊形為中心，相接另外的 六邊形，再依此組裝方式進行拼裝。操作方式，將形狀設定在 surface component 上，將 顯示出該組裝的角度，分別為兩種模式，五邊形對六邊形，與六變形對六邊形的角度。 65

設定預計算 surface

圖 92 角度計算過程_Grasshopper Scripting

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設定 curve 接頭

設定 curve 六邊形

圖 93 Rhino 與 Grasshopper 六角形單元與接頭

生成接頭(join)的方式，是透過取出攤平過後的單元線。並將單元的線段 curve，設定在事 先預留出來的 curve component，便會直接先進行導角，然後再生成該單元所需要的接頭 (join)。只需要在最後的 component 把接頭(join)bake 出來

圖 94 接頭生成_Grasshopper Scripting

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兩種互相卡接的模式

圖 95 Rhino、Grasshopper Scripting

Back 出凹接頭

Back 出凸接頭

圖 96 Rhino、Grasshopper Scripting

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調整角度

圖 97 3D 列印接頭

並依照單元取出的角度，調整 silder 數值至該角度大小，便可以產出單元與單元相接時， 所需要的角度，而螺絲會與另一片單元的平面相接，只要注意將螺絲以垂直 90 度的方向， 在鎖緊，即可完成，可供在實際組裝的過程中，方便施工。

圖 98 組裝示意圖 69

4.5 組裝整合與分析

擇根據此機構，離心離旋轉成型的方式，在成型的過程因熱熔材料在離開容器噴灑的過程 中，需要有一定的距離，使被灑出的熱熔絲，有足夠的時間接觸空氣來達到冷卻成絲。以 及因為離心力噴灑的原理，被噴灑的熱熔絲，會有一向外的運動方向，故在夾角小的部分， 將導致無法順利的形成該形狀，產生類似導圓角的效果。因此，如圖 99 中，邊數越少的單 元，邊長距離出絲容器也就越近，因此在成形的效果，也就來的不好。故在選擇最佳的成 型良好的單元形狀，將以邊數較多，也就是越接近圓形的形狀為最佳的選擇。

圖 99 絲噴灑示意圖 本章節最後將實際組裝所產出之單元，基於此研究中所設計之機構，與 3.5-2 絲噴灑範圍 等相關實驗後，在可產出的絲狀的範圍內，找出最佳化的成型的單元形狀與最佳化的組裝 方式。並在這實驗過程中，所產出的型態將，作一整合的模擬與示範，將可以分成五種類 型。(一)、平面的組裝裝方式。利用 3D 列印的骨架，所設計的圓孔洞，使上下重疊，並以 束線帶將二者綁緊。(二)、為曲面殼狀的組裝方式，在使用一至兩種不同單元與不同大小 來拼裝。(三)、將具備鋪面效果的單元，整合在拚裝好的模型上。(四)、柱狀系統的可能， 透過移動模具，使絲狀模型具高度。(五)、為自由曲面的型態分割，以正三角形與圓形。

圖 100 實際組裝類型分類 70

4.5-1 單一形狀組裝_六邊形

圖 101 單元組裝過程

圖 102 單元組裝示意圖

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4.5-2 大小不同單元形狀組裝_以球體為例 大小不同形狀的單元組裝，將以章節 4.4 數位模擬程序中的球體為實際組裝的範例。以大 正六邊形和小正五邊形來測試。以形狀的邊數來說，這兩種形狀類型，在成型的角度形狀， 在經過前章節實際測試，都是具備良好的成型效果。因此小五邊形邊長，對出絲容器的距 離將不能少於 10 公分。以此來確保小單元可成型的效果。而效果也如同預期，絲噴灑的覆 蓋率良好。

圖 103 絲噴灑範圍_六角形與五角形

圖 104 絲單元組裝過程 72

圖 105 絲單元組裝完成

而透過數位模擬的輔助，及球體的多面體形狀的特性，其組裝的邏輯相對容易掌握，以此 模型為例，以中心正五邊形相接 5 個六邊形，即可完成一組大單元，並依此模式以五邊形 對上六邊形方式往下圍繞，便可形塑出一球體的多面體型態。因此若基於本研究中的機構 設計及離心力成型方式的原理，成型最佳化的形狀為多邊形，如五邊形及六邊形，又以成 型距離範圍內可型塑出有大有小的單元型體，而單元組裝的方式相當容易上手，那麼球型 多面結構體，可以算本研究的成型方式中，最適合的組裝型態。

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4.5-3 鋪面單元

圖 106 鋪面示意圖

鋪面單元在此以球體的多面體分割，作為模擬示範，其單元組裝方式並沒有不同，而是增 加單元的另一種型態，另一象度的效果。在鋪面效果中具有一圓形的簍空，為出絲容器所 在的範圍，因此在絲噴灑的成型過程中，是沒辦法噴灑覆蓋到的地方，為簍空的主要原因。

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4.5-4 作為柱結構

圖 107 柱示意圖_以小單元堆疊進行模擬 基於第三章可上下移動的模具，可以預期型態可以有高度上的變化，因此這裡提出一種， 此形態作為一棚架的柱狀系統概念，用以支撐該棚架。此小節將以模擬示意圖的方式呈現。 而當中骨架的形式也可以調整為直立骨架的方式。非圖中所呈現的橫向骨架。來節省材料 的耗費。

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4.5-5 自由曲面測試與組裝_以正三角形為例 在 RHINO 建模軟體中，形體的單元分割，是由網格(mesh)系統所組成，在處理角度變化 時，又以三角形分割來達到近似自由曲面的方法最為常見。因此本小節，自由曲面的單元 將測試，以三角形作為單元做為測試組裝，同時實驗三角形在噴灑範圍的可成型距離狀況， 以距離出絲容器 10 公分之距離為單位。因此本小節將測試兩部分:(一)、正三角形單元成型 狀況。 (二)、正三角形單元拆解再拼裝。 基於 3.5-2 章節，絲噴灑範圍，可產出最佳化的絲形狀，是越接近圓形的形狀，如六邊形。 因此在三角型的測試當中，還是先以正三角形對稱的形狀為主。實驗當中明顯的觀察到， 在絲噴灑熱熔材料在骨架上的覆蓋率，沒有達到完全平均噴附，而是以最靠近出絲容器的 三角形邊長為覆蓋率最多的地方，向外遞減。3D 列印接頭的部分，則為覆蓋率最少的部分。 同時在自由形體曲面分割單元時，容易因為曲面的起伏角度過大，產生邊長不同單元。這 樣也將增加製造程序的步驟。

圖 108 正三角形單元 76

基於以上的原因，為了降低讓三角形單元邊長不一，在調整控線的 UV 線，將 RHINO 與 GHRASSHOPPER 的參數數值，調整為一樣的數字。讓分割線維持在相同的數量，控制 點也要維持在 90 度角上來調整改變。以下的示範模型，是為了讓分割的形狀越接近正三角 形的做法，但還是無法很難避免曲面的自由形體，在形態上分割單元，能維持在正三角形， 都會有些微角度邊長的差異。若強行以正三角形來進行自由曲面的分割，當曲面角度過大， 如圖 110，勢必會產生單元邊緣無法銜接的問題。

圖 109 分割與攤平

圖 110 以正三角形模擬自由曲面_曲面角度大

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圖 111 局部組裝 如圖 111 為自由曲面角度起伏控制，在一定程度以內的局部示範組裝。在單元組裝的最大 問題，則是單元與單元相接，每片的角度都不同，此三角形的局部組裝，先以近似該形體 起伏的樣子直接進行螺絲螺帽的鎖扣，解決方法則在 4.5-6 以圓形為例中討論。目前在自 由曲面分割單元時，所使用的製造方式(Stouffs R. Janssen P . Roudavski S . Tuncer B、 2013)，如雷射切割、CNC 車床等，可以不用擔心單元形狀或大小的問題。但本研究所提 出的離心力成型方法，其成型方式必須仰賴模具來使形狀被固定產生，因此分割的形狀單 元如果差異越大，將不利於這種製造方式的程序。但同時也試著解決此分割方法所產生的 問題，當自由曲面的幅度過大時，導致三角形形狀開始有不同變化時，而導致在絲噴灑成 形的過程中，因邊長的距離出絲容器過近，造成絲噴灑失敗或不均的可能性 因此本小節在最後也嘗試，把絲噴灑後的單元形狀。進行拆解的動作，這裡將以正三角形 作為拆解測試的範例。再另外以其他角度的接頭相接，來組成其他邊長不同的三角形單元。 並以圖 133 自由曲面的兩側，封邊的單元形狀為測試的依據。試著將此形狀完成，進而完 成封邊。

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圖 112 單元採解再拼裝

透過拆解、修剪、再拼裝，將能夠組裝成該範例模型的側邊(李昇祐、2013)，邊長不等長 的三角形。如此一旦需要邊長不同的單元形狀時，將可依照此方法來製作。步驟為先製造 大量的正三角型或正方形單元，其邊長是所有形狀中最長的，因此在拆解組裝時，可以達 到最大的效益。產出大量的單元，再依需求修剪與組裝，但其 3D 列印接頭部分，將無法 與邊長的絲形成一體，會有裸露的缺點。

圖 113 局部示意 79

4.5-6 自由曲面測試與組裝_以圓形為例

以目前的自由形體分割方式，基本上無法讓單元維持在單一種形狀，其中最大的原因之一， 是因為自由形體在角度起伏的分割時，邊長也會改變，將導致分割的單元形狀不同。也是 因應製造的方法，採用的是雷射切割的方式，因此在製造過程中，形狀不一樣並不會有製 造上的困難。而在單元拼接當中，又以圓形的拼接方法 circle packing(Jenny E、2013)， 可以避免邊長相接的問題(Catherine W、2011) ，同時也能達到以同種單元或 2 種以上少 量的單元完成自由形體的組裝。此種方式也較適合本研究的製造方式，單元的生產必須透 過模具的輔助。如下圖 114。此種圓形的拼接方法，是在 grasshopper 裡的 kangaroo 來運 算。透過以圓形的邊長的點對點來互相拼接，來避免邊長對邊長所造成的單元形變，藉此 來逼近型體的造型。

圖 114 自由形體模擬示意圖

圖 115 操作方式以 4.5-5 範例為例

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圖 116 圓形單元 以圓形來拼裝自由形體的方式，圓形單元的形狀也為最適合離心力噴灑成型的形狀，生產 出來的單元，將以兩種大小的單元，來進行電腦模擬拼裝，以少量的單元數量來示意，並 根據目前案例收集與測試，提出兩種可能的組裝模式。(一)、3D 列印角度接頭。此種方法 如同第 4.4 章節，透過 grasshopper 進行角度的判斷，並依此生產該角度的接頭。再依序 相接，如不依靠外骨架進行輔助，則形狀或許需要使用類似圓拱的狀態使其穩定。(二)、 以大骨架作為基底(衍匠設計)，來達到自由形體大致的起伏狀，並將其圓形單元，以敷面 方式固定支撐此結構(Bell B & Cord R& Barnes N、2014) (N12-Technical) 。

圖 117 以大骨架作為支撐示意圖以 4.5-5 範例為例 81

4.6 小結

在第四章中，經由實作測試，可以分為兩大部分，首先以絲單元的製作，思考如何增加其 絲單元的支撐力，如預埋骨架等；再以單元與單元之間，拼接組裝方法的應用。

骨架的製作，首先考慮到的是絲噴灑在模具上後，能夠維持形狀不變形，因此在一開始只 使用單一骨架的方式。但在實際測試生產出來後，發現其單一骨架的結構，並不足以支撐 單元與單元相接後，所產生的重量，以及骨架與噴灑出來的絲，並無法緊密的結合，因此 加入了雙骨架來增加支撐力，來撐起單元再堆疊所產生的重量，並企圖找到適合與熱熔材 料可以緊密結合的材料，來增強被噴灑出來的絲，附著在骨架上的效果。過程中也嘗試用 網格狀的骨架材料，希望藉此讓絲在噴灑出來時，可以纏繞在上面的孔洞來增加附著力。 而最後選以採用兩次噴附的方法，使骨架夾在絲與絲中間，藉由熱熔絲的材料特性，使兩 者能夠緊密結合。其原因為考量絲單元在外觀的檢視下，整體絲所佔的比例，因此考慮以 兩次噴灑，來代替使用額外的材料。

單元與單元間，組裝的方式，是利用 3D 列印，模組化多邊形角度的轉折上的接頭，並在 接頭上設計其相接的方法。在目前實際搭出的棚架系統 Pavilion 上，以單元互相拚接組裝 的，大多搭出的型態較多對稱秤形，原因也是在製造過程中，可以減少很多施工或計算上 的複雜， 又或如遇自由形體的型態，也都可以使用雷切的或 CNC 的方法，來切割出不同 形狀或卡榫來施作。而在 4.5 章節自由形體中，若以本研究的製造方法，雖然可以使用圓 形 circle packing，來達成逼近自由形體的樣式，但若以 4.5 章節，自由形體以圓形單元， 拼接組裝的方法中，若以原先設計的組裝拼接方法，將使之非常複雜。

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第五章 結論

5.1 研究貢獻

本研究重點在於嘗試另一種成型的方法，不使用複雜的技術，試圖降低開發的時間和成本， 以及討論施工流程。一般來說絲的製造，需要大型機器設備與施工流程才能產出。其絲狀 結構的特性具備了短時間能快堆疊成大體積或大面積的特性，狀態又具備透光性與通風性， 是目前 3D 列印方式無法同時兼具的條件。以及挑戰現有的 3D 列印方式，以旋轉的方式製 成，與現今的 3D 列印 XYZ 三軸成型的不同之處，嚴格來說本研究貢獻如以下幾點。

1.

提出另一種成型樣式與方法

目前的快速成型方式，皆是以三軸方向的方式來製成。而在傳統工藝的塑型方面，有利用 旋轉的方式，再搭配外力如雙手，模具等，來的達到型態的即時改變。因此本研究將採用 以旋轉產生離心力的方式，快速的將材料噴灑在預先設計好的骨架模具上，來達到絲單元 與骨架結構的一體成形。以及製造過程需要先將材料融化，這點和大部分現有的 3D 列印 成形技術相同，但材料在融化的過程中，是可允許直接再加入其他的料料一起混合使用， 而這樣混合使用的方式，也大大增加其絲在成形之後的多樣性。 2.

成型方法在建築上應用的方式

絲纖維本身結構性並不強。因此在建築上多在次要的應用功能。在第二章案例研究，如 MIT 蠶絲棚架，以及紐約設計博物館針織棚架，製造生產的流程都得先設計大型的骨架系 統，懸吊的方式，或編織手法等，再次施工。因此本研究採用構築上，常使用的單元分割 組裝的方式，將絲纖維在製造過程就和骨架一起施工成型。在噴灑完成後，只需再將單元 依序拼裝，即可完成。且絲狀結構所擁有的特性，具備了透風與透光性，是目前 3D 列印 無法同時達到的特性，因此或許能為構築的材料與想像帶來新的可能，如臨時搭建物，建 築表皮或提供熱帶地區零時搭建空間的手法之一。

3. 以實作測試檢討其中包含的各項參數之間的關聯

絲的製成在本研究可以簡單分為預熱、放材料、旋轉、出絲、成型。過程中包含了多種條 件，如材料特性、溫度、轉速、篩網孔徑大小等，每一項都影響著出絲狀態的好壞。本研 究在第三章，透過資料收集與實際實驗，得到些結論。如不同廠商材料生產製作的比例， 也將導致出絲狀態好壞的差異。因此，僅管同樣的環境參數條件，也可能因為材料的廠商 不同，而有著出絲效果不好的可能。 83

5.2 研究限制與未來研究

本研究中，雖對離心力出絲有初步理解，並有些許成果，但此機構與產生絲的方式，還是 有著部分限制，大致可以歸類為以下這三種狀況，分別針對成型方式、絲材料特性、出絲 器皿與機構等。

1. 成型方式

以旋轉作為成型的方式，在生產絲的過程，雖加快了成型速度，但也造就成型的物件均以 對稱的形狀為主。故也侷限其他可能性的發現。以目前使用的以單元來分割一型體，其分 割原理是以兩線段等分，來產生 mesh 格狀，此種方式在分割的方式，會曲面的幅度等產 生分割後格狀大小不同產生，故而每片單元大小都會不同，因此如果以目前生產單元方式 皆需要仰賴模具的輔助，因此若要搭建自由曲面時，將會受到成本與成型形狀等因素的考 量，目前以 4.5-6 圓形為例，可以達到逼近任意自由形體的樣式，但在實際組裝的過程方 法，還不是那麼完整。

2. 絲材料特性

絲的特性，雖具有快速堆疊以及通風且透光性等，但在結構上還是得依靠外力或其他支撐 結構的輔助，才能應用的洽當，如當前夾藏在絲中間的骨架。因此絲材料在使用上，還需 要搭配使用另外輔助材料，而這當中的材料特性，如骨架材質，或混合在熱塑材料的材料， 也將成為絲材料在之後發展的關鍵之一。

3. 出絲器皿與機構

本研究以傳統的棉花糖出絲器，加以設計其外部的機構，使之能應用在本研究中。但出絲 容器的容量，影響著每次出絲的量，故在出絲的過程，會需要有重新再加入材料加溫的步 驟。這也不單是加入更多材料的單一問題，或是有個自動補材料的裝置，如材料一多可能 影響加熱融化時間，進而導致底部材料可能燒焦，但上端的材料卻還未融化完成，以及材 料如果增加，勢必轉速也需加強。因此以本論文研究方式的機構中，是以驗證此成型方法 的可行性，並不多加延伸至機構探討與材料性上。

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4. 未來研究 材料性 本研究以絲狀的特性，作為成型的方式，這樣的方式除了具備在成型的過程，能快速的被 互相堆疊成型，所使用熱塑性材料也符合回收再利用的優勢，能夠重新再加熱使用。也因 為材料本身需要加熱融化，才能經由噴灑來產生絲纖維，因此似乎可以思考混合其他材料 一起加熱使用，例如螢光粉，導電粉等，來附加絲額外的功能性。在第四章型態樣式的實 際實驗中，生產絲的過程，透過不斷噴灑材料堆疊而成，因此若可以加以控制其噴灑成形 後，鋪面所產生的密度或厚度等，或許也可用來思考提供額外的功能，如過濾或阻隔等相 關效果，將強化其絲的實用性，以及在增加厚度時，也就是噴灑的次數增加，雖然無法增 強其單元的壓力部分，但可以強化其張力的效果。也許能思考應用在張力結構等相關上。 以目前研究中，所設計的模具是以固定的形狀為主，因此在模具的設計，如果具備可以改 變形狀大小的機制，或許便能夠減少切割模具的成本等。

圖 118 加入螢光粉一起成形 不可預期性 研究成型過程中，如前敘述中所提到，不同於現在普遍熟悉的成型模式，是利用三軸所成 型，因此擁有非常好的準確度與精確性。而本研究所提及出的成型方法是利用旋轉來產生 離心力，讓熱熔的材料能夠被灑出，材料在噴灑的當中，所產生的不確定性，則可能可以 在往後的研究中被加以利用，如旋轉後所產生的氣流，以及被噴灑出來後所覆蓋的路徑範 圍，都還淺藏著未知數，而這樣的不確定性，是否有機會能被控制或者利用。如產生的氣 流，如果能夠讓噴灑成型的過程有被影響的可能，並能夠成為一種工法供人使用，用來實 驗並達到某種效果的產生。或許就能夠思考使用在藝術創作或視覺表現的手法或展示等。

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