電腦輔助設計在曲面造形木材工藝作品上之應用
－雙色曲面造形帆船之設計及製作
周立倫﹡、盧俊宏﹡﹡、黃彥霖﹡﹡﹡ ﹡ 國立臺灣師範大學工業科技教育學系副教授 ﹡﹡ 國立臺灣師範大學工業教育學系副教授 ﹡﹡﹡ 國立臺灣師範大學工業教育學系研究生 壹、前言 本案是我國參與世界展能競賽的代表，在競賽結束、載譽歸國之後，接受總本案最初的構想，是希望能依實際的帆船樣式，按比例縮小，製作出較寫實 的模型。但由於沒有太多時間可供製作，且木製帆船模型到處可見，也了無新意。 經過溝通、討論之後，決定捨棄這個想法，改為透過較抽象簡潔的造形，傳達出 帆船的「精神象徵」，同時也能展現出木材本身的「材質之美」。據此，工作小組 訂定出本案的設計目標，並逐步發展出符合目標的造形，可表現出下列美感特質： 一、抽象造形之美 將帆船的造形特徵予以極簡化，使得整件作品僅由少數曲面所構成，整體 造形定位在似與不似之間。當觀者不再被瑣碎的細節干擾時，自然會把注意力 放在整體造形上，而作品所欲傳達的 「精神象徵」，例如：快樂出航、鵬程萬 里、蓄勢待發、一帆風順等意象才會更為明顯。 二、剛柔並濟之美 船身是由單曲面所構成，船帆則是由複曲面所構成。雖然都是曲面，但因 為構成單曲面的 U、V 方向方中，有一方向恆為直線，因此較具「剛」性。而 構成複曲面的 U、V 方向均為曲線，因此較具「柔」性。在真實的帆船上，船 身是以木材製作，船帆是以帆布製作，本來就是剛柔並濟。 此外，從俯視圖中可以看出兩片船帆組成一個 S 形的曲線，而不是合乎物 理現象，受同方向風吹，所產生的的兩個同方向的 C 形曲線。這也是為了表 現船帆之「柔」刻意作出的安排。因為 S 形曲線較柔軟（例如女性身驅），C 形的曲線則較具彈力與張力（例如彎弓）。 三、律動之美 觀者的視線順著由深色及淺色木材所構成的平行曲線，以 S 形的方式，在 大、小船帆之間游走，產生有節奏的視覺經驗，構成了律動之美。 四、漸變之美 深色及淺色木材所構成的平行曲線，從下往上逐漸變短，形成了漸變之美。 五、動態之美 從正視圖可以看出，船身及船帆都略為向後傾斜，而非尋常的水平及垂直
點剛好可以靠美麗的木紋來補強，而美麗的木紋也必須要有簡單的曲面才能表 現得淋漓盡致。本作品在船帆的部分使用兩種顏色不同的木材，分別為淺色的 美國松木及深色的花梨木。除了顏色不同，也分別代表針葉樹及闊葉樹木紋的 不同材質之美。 七、線條之美 由大曲面所構成的作品，由於較缺線條感，造形經常會顯得鬆散。本作品 以深、淺色木材交疊的方式，在原本不易吸引目光的單調曲面造形上，營造出 空間的帶狀流動，產生線條之美。 參、電腦輔助設計 本作品能夠在相當短的時間內完成精準的設計與施工，關鍵在於 3D 電腦繪 圖軟體的使用。本案系以 Rhinoceros 4.0 作為設計及放樣工具，在確定了構想草 圖之後，便直接在軟體中建構 3D 模型。3D 模型一旦完成，後續所需的三視圖、 彩現圖、積層木板放樣圖等輔助施工的圖樣，都可以透過軟體內的工具迅速完 成。相較於從前以 2D 正投影多面視圖，作為造形描述的主要依據，這種以 3D 數位模型作為造形描述核心的作法，能夠更有效率的工作，並延伸出更多的用途 及發展。無怪乎當今的眾多設計領域，紛紛將此工作方式列為標準流程。不諳此 技術者，相形之下便顯得缺乏競爭力了。以下即簡略說明本案中電腦輔助設計的 過程。 一、Rhinoceros 4.0 簡介 Rhinoceros（通常簡稱 Rhino）是一個最近幾年迅速竄紅的 3D 繪圖軟體。 因為她的功能非常強大，價格卻非常便宜，逐漸受到各類設計界的喜愛。目前 的版本是 4.0。 Rhinoceros 4.0 是以 NURBS 曲面為核心的 3D 繪圖軟體，其建模方式非常
性。 4. 有眾多輔助工具，可以將物件作多種編修，以建構變化多端的 3D 物件。 5. 有許多分析工具，可分析物件的特性，例如長度、距離、面積、體積、 曲率重心等等。 6. 可自動產生 2D 工作圖，並可自動標註尺寸。 7. 配合較佳的外掛彩現軟體，例如 Flamingo、Vray、Brazil、Maxwell 等， 可製作出照片般寫實的彩現圖。 8. 為開放式平台，可供其他專業使用者開發特殊設計領域的外掛程式。 9. 豐富的轉檔格式，可將建構出來的 3D 及 2D 物件轉至其他軟體運用。 10. 多種網格（Mesh）編修工具，可編修多面體類形物件，並可修補網格。 11. 可自行編寫巨集程式，供自己或他人使用。 12. 有多種語言介面可供選用，切換容易。 13. 雖然工具多達一千個以上，但具備方便的提示及查詢功能，讓使用者得 以邊用邊學，不必刻意強記各種工具的用途及操作方式。 二、建模 Rhinoceros 4.0 的建模方式，是以 NURBS 曲面定義出 3D 物件的表面。而 NURBS 曲面建立的方式，通常都要先繪製出 NURBS 曲面 U 方向或 V 方向的 關鍵曲線，再透過例如旋轉掃掠、單軌掃掠、雙軌掃掠、放樣等諸多方式鋪出 NURBS 曲面。之後還可使用切割、組合、布林運算等諸多工具拼湊出所需造 形。由於操作細節非本文重點，此處不予詳列，僅呈現關鍵步驟：
1. 先繪製出構成該曲面 U 方向或 V 方向的關鍵曲線。 2. 再以各種方式鋪設出曲 面。 三、製作積層木板輪廓放樣圖 1. 先在正視圖中繪製出積 層木板的切割線。再以投影 工具在曲面上投影出積層 木板的輪廓線。
2. 將輪廓線取出。
3. 將輪廓線旋轉成水平。
4. 在上視圖中將輪廓線一 個個拉開，準備進一步安排 成適合列印的放樣稿。
6. 亦可如本案處理方式， 轉檔成 Adobe Illustrator 格 式，再輸入至 CorelDRAW 13 中編輯並列印。 四、製作正投影三視圖及尺寸標註 1. 在 Rhinoceros 4.0 中，可 自動將 3D 物件投影成正投 影多面視圖，也可以依需求 自動繪製出各種尺寸標註。
2. 由於本案為工藝作品， 在尺寸的要求上不必十分 嚴謹，且作品幾乎都是由曲 面所構成，製作時亦無法逐 點量測，因此只要標示出主 要尺寸即可。其製作品質之 良窳，則端賴放樣的準確度 及加工時對曲面的掌握。 五、製作彩現圖 Rhinoceros 4.0 本身的彩現功能相當陽春，無法製作出高品質的彩現圖， 需藉助於各種外掛的彩現軟體。本例所採用的是 V-Ray 外掛彩現軟體。彩現工 作包括材質設定、貼圖軸設定、燈光設定、地面設定、背景設定、環境設定、 彩現算圖引擎選用及參數設定等許多步驟。如果安排及設定得當，所產出的彩 現圖可以像照片一樣逼真，在作品尚未完成前，就能從不同角度「欣賞」作品。 彩現圖對於設計檢討、設計溝通以及最終造形決定等方面，都有非常大的 幫助。從前，設計師以傳統繪圖工具繪製仿真的產品表現圖（或稱為預想圖）， 是一件費時又費工的工作，且需要長時間的繪畫養成教育，才能達到專業的水 準。如今，這一部分的工作都在電腦軟體中完成，也使得在現今的設計工作流 程中，對於動手繪製精細表現圖能力方面的需求，大不如從前。
以下即為本設計案各個角度的彩現圖： 彩現圖之一：左前方。
彩現圖之三：側方。
彩現圖之五：正投影三 視圖彩現圖（依家具木 工製圖慣例，以第一角 法呈現）。 肆、製作過程 本案例的製作概分為船身及船帆兩個部分。雖然事先都透過電腦輔助設計， 製作出積層木板的輪廓放樣圖，但由於船身部分是以單曲面所構成，適合以帶鋸 機直接鋸出毛胚，因此並未採用輪廓放樣圖，而是直接積層出一大塊立方體，再 進行鋸切加工。構成船帆部分的曲面大多是複曲面，因此利用輪廓放樣圖鋸切出 一層層的木板，經膠合積層後再進形加工。此法不但省工，也很省料，在曲面造 形精準度的掌握上，也提供了相當有利的前置作業，足為往後類似造形加工之借 鏡。 以下將以圖、文並呈方式逐步詳述製作過程： 一、船身製作：
1. 將美國白松板料刨光及 裁切成尺寸為 600mm * 150mm * 30mm 的木板五 塊。 2. 將五塊木板膠合成尺寸 為 600mm*150mm*150mm 的積層木塊。 3. 繪製中心線，且每間隔 50mm 繪製一條輔助線（可 使用直角規輔助繪製）。
4. 根據設計圖，將船身之 輪廓線描繪於木塊上。 5. 使用帶鋸機，將繪製好 的木塊沿線鋸開。 6. 根據原有之輔助線，使 用直角規在船身側面繪製 垂直輔助線。 7. 依據設計圖，將船身之 側面輪廓描繪於木塊上。
8. 使用帶鋸機，將繪製好 的木塊沿線鋸開。 9. 製作一角度 10°之導 板，利用導板裁切船身之左 側斜面。 10. 製作一角度 10°之導 板，利用導板裁切船身之右 側斜面。
11. 以側邊砂光機 ﹟80 砂 磨船體表面。 12. 船身砂磨完成圖（之 一）。 13. 船身砂磨完成圖（之 二）。
14. 船身砂磨完成圖（之 三）。 二、船帆製作 1. 將編號奇數層之船帆輪 廓順著木紋黏貼至厚度 30mm 之美國白松上。 2. 將編號偶數層之船帆輪 廓順著木紋黏貼至厚度 30mm 之花梨木上。
3. 使用帶鋸機將每一個船 帆輪廓沿線鋸下（之一）。 4. 使用帶鋸機將每一個船 帆輪廓沿線鋸下（之二）。 5. 使用帶鋸機將每一個船 帆輪廓沿線鋸下（之三）。
6. 將船帆按次序膠合並乾 燥。 7. 使用木工銼刀銼削船帆 之複曲面，使其滑順。 8. 使用木工銼刀銼削船帆 之 複 曲 面 ， 使 其 滑 順 ( 之 二）。
9. 使用側邊砂光機 ﹟80 砂磨船帆之複曲面，使其滑 順。 10. 使用側邊砂光機 ﹟80 砂磨船帆之複曲面，使其滑 順（之二）。 11. 使用手提砂磨機砂磨 船帆之複曲面，使曲面滑 順。
12. 船帆砂磨完成。
13. 對照船帆和船身的相 對位置放樣。
14. 在船身上標註木釘位 置。
15. 使用手提電鑽在船身 上鑽木釘孔。
16. 船身木釘孔完成圖。
17. 在大船帆上標註木釘 位置。
18. 在大船帆上鑽木釘孔。
20. 將木釘孔佈膠並插入 木釘。
21. 將船帆膠合處及木釘 孔佈膠並插入木釘。
22. 將大船帆與船體接合。
23. 利用棉繩綑綁，以增加 膠合壓力。
24. 將小船帆與船體接合。
25. 利用棉繩綑綁，以增加 膠合壓力。
26. 膠合及固定完成。
27. 膠合硬化乾燥完成。
28. 塗刷二度底漆（之 一）。
29. 塗刷二度底漆（之 二）。 30. 塗刷二度底漆（之 三）。 31. 二度底漆塗刷完成（之 一）。
32. 二度底漆塗刷完成(之 二)。 33. 二度底漆塗刷完成(之 三)。 34. 待二度底漆乾燥後，以 ﹟400 砂紙砂磨（之一）。
35. 待二度底漆乾燥後，以 ﹟400 砂紙砂磨（之二）。 36. 砂磨後塗刷第二次二 度底漆（之一）。 37. 砂磨後塗刷第二次二 度底漆（之二）。
38. 噴面漆（之一）。
40. 完成品（之一）。 41. 完成品（之二）。 伍、結論與建議 以 Rhinoceros 4.0 進行曲面造形設計，不但可以隨時觀察到立體影像，作為 造形修改的依據，也可以在造形完成後，進行後續分析及利用。例如，透過投影 方式製作積層木板輪廓放樣圖的應用方式，即為因應本案的特殊需求，所發展出
Rhinoceros 4.0 本身不具備關工具，也可以將模型輸出到相關專業軟體中進行分 析。凡此種種，不但帶給設計工作者許許多多的助益，也大大提昇了創造更優質 設計的可能性。 雖然 3D 電腦輔助設計在各個領域的應用，已經不算新鮮事。但大多被使用 在較「理性」的工程領域。隨著 3D 設計軟體不斷的推陳出新，工作方式及功能 也不斷的改進，使得新的解決方案也得以不斷的被提出。如今，即使在比較「感 性的」個工藝領域，數位工具的導入也正在迅速的增加中。 本案雖然在設計階段使用 Rhinoceros 4.0 進行建模作業，並據以製作出積層 木板的輪廓放樣圖，大大降低了後續製作加工時的困難度，也節省了許多木料的 使用。但如果設備允許，應該還可以進一步使用 CNC 加工設備，直接將膠合乾 燥完成的毛胚切削出細緻的作品。果能如此，不但可以大大提高作品的精準度， 也可以省卻許多手工銼削及粗砂磨的費時工序。此當可列為本案後續延伸研究的 重點。
