參數式設計 之應用研究 ─ 以飾品設計為例

國立臺中教育大學數位內容科技學系碩士論文

指導教授：羅日生 教授

參數式設計之應用研究

─以飾品設計為例

Parameter Design ─ A Case Study

on the Design of Accessories

研究生：蔡昀芯 撰

I

謝誌

時光荏苒，轉眼間兩年的研究所生涯即將告一個段落，回顧過去這段時光， 因為有系上老師們的教導和鼓勵，以及班上同學們的協助與支持，才能讓我順利 完成這篇論文，在此謹以簡短的篇幅表達我的謝意與感恩。 感謝我的指導教授羅日生老師，老師總是在繁忙之際不辭辛勞地給予學生關 懷與悉心指導，讓我在專業領域的知識上獲益匪淺，這份感恩我永遠銘記於心。 感謝擔任我口試委員的王照明老師和盧詩韻老師耐心地指正我論文中的缺 失和疏漏，並且提供許多寶貴的建議，使我的論文更趨完善與成熟。

感謝數位所的王曉璿老師、羅豪章老師、陳鴻仁老師對我的教導和鼓勵，老 師們在課堂上所傳授的專業知識，讓我的視野和見識更加廣闊。 感謝乃慧學姐、崇瑋學長、珮涵、兆華、燕雪、琬菁、牧薇對我論文所提供 的協助，因為有你們，我才能在論文的最後階段裡安心地全力衝刺。 感謝一起奮鬥的夥伴們—含諭、勁妏、文欣、婉菱和瀚允，我的研究所生活 因你們的陪伴而精彩，大家一起經歷與創造的，是我一生難以忘懷的寶貴回憶。 感謝我的父母和妹妹對我的愛護與支持，家人是我的後盾也是我的避風港， 謝謝你們對我的包容與付出，讓我能無後顧之憂地在學業的道路上向前邁進。 要感謝的人真的太多，千言萬語也道不盡我的感激之意，在此謹將這篇論 文獻給所有關心與幫助我的人，願將這份成果和喜悅與你們分享。 蔡昀芯 謹誌 民國一百零四年七月

II

參數式設計之應用研究

─以飾品設計為例

指導教授：羅日生 教授 研究生：蔡昀芯

摘要

科技帶領工藝走向創新是現今全世界的共通趨勢。在現代科技的推波助瀾下， 工藝與科技結合應用普及，加諸 3D 數位化設計導入的技術，開啟了工藝設計中 藝飾品設計的嶄新領域，也創建了一個藝術創作的全新時代。因此本研究基於參 數式設計的造形方法以及參數式軟體，結合數位雕塑等的應用，使用 3D 列印的 快速成型技術，融合科技與藝術之美，進行藝飾品之創新應用。此設計流程特別 適用於飾品表面紋理之造形構成與變化之創作應用。本研究最後以三個獨具特色 之創新應用實例，實證此創新設計流程可快速呈現豐富的設計變化性、自主性與 變形調整的便捷性。因此，本文期望所開發出來的參數式設計流程，能對目前台 灣飾品設計相關產業提供一個具體有效的創新應用之參考流程。 關鍵字：參數式設計、飾品設計、Grasshopper

III

Parametric Design ─ A Case Study on the Design of Accessories

Advsior：Ri-Sheng Luo Student：Yun-Hsin Tsai

Abstract

Technology brings crafts to innovation is the common trend in terms of worldwide now days. Under the impact of the modern technology, the usage of combining crafts and technology has become more and more popularize. Moreover, by implementing 3D Digital Design technology, the design of jewelry accessory has opened up a whole new area and also built an artistic creation era. Therefore, this study is basically based upon the parametric design style method and parametric design software to combine the application of digital sculpture, and use rapid prototyping technique of 3D digital design, which integrate the beauty of art and technology, on conducting innovative application of jewelry accessory. This design process is particularly suitable for jewelry surface texture authoring and decorated change application. This research at last provides three unique innovative application examples to prove this innovative design process can perfectly present rich design variation 、 autonomy and deformation adjustment convenience quickly. Therefore, this research paper expects this developed parametric design process can provide a concrete and effective innovative application reference to jewelry design related industries in Taiwan.

IV

目次

謝誌... I 摘要... II Abstract ... III 目次... IV 表目次... V 圖目次... VI 第一章 緒論... 1 第一節 研究背景與動機... 1 第二節 研究目的... 3 第三節 研究假設與預期目標... 4 第四節 研究架構... 5 第二章 文獻探討... 7 第一節 飾品設計趨勢... 7 第二節 數位化之飾品設計... 8 第三節 參數式設計之概念... 13 第四節 參數式設計於建築的應用... 18 第五節 數位飾品結合 3D 列印 ... 25 第六節 數位化應用－3D 數位化整合科技系統 ... 28 第七節 參數式設計軟體... 33 第八節 Grasshopper 及外掛程式 ... 35 第三章 研究方法... 38 第一節 研究架構與流程... 38 第二節 研究方法... 39 第四章 創新造型建構流程模式... 47 第一節 創新模型建構範例應用... 47 第二節 創新範例應用... 63 第五章 結論... 75 第一節 研究價值與貢獻... 75 第二節 未來後續研究... 77 參考文獻... 78

V

表目次

表 2-1 數位科技與工藝飾品結合的相關文獻討論 ... 10 表 2-2 調整參數所形成的不同結果 ... 16 表 2-3 3D 繪圖軟體所提供的程式語言 ... 17 表 2-4 傳統大量生產與 3D 列印之比較 ... 26 表 2-5 程式語言和圖形編寫程式語言之比較 ... 33 表 2-6 參數式軟體之比較 ... 34

VI

圖目次

圖 1- 1 Rollercoaster table, Janne Kyttanen ... 2

圖 2- 1 La Gerbe by Henri Matisse ... 12

圖 2- 2 La Gerbe by Dyvsign ... 12

圖 2- 3 參數式設計流程 ... 14

圖 2- 4 VB 程式語言編輯 ... 17

圖 2- 5 北京國家游泳中心–水立方 ... 19

圖 2- 6 Swallow Nest, Vincent Callebaut, ... 19

圖 2- 7 Tori Tori Restaurant ... 20

圖 2- 8 華·美術館 ... 20 圖 2- 9 沃羅諾伊圖的生成 ... 21 圖 2- 10 沃羅諾伊圖的參數化 ... 21 圖 2- 11 Delaunay 三角網的生成 ... 22 圖 2- 12 Delaunay 三角網的參數化 ... 22 圖 2- 13 向日葵種子的排序 ... 23 圖 2- 14 Phyllotaxis 的參數化 ... 23 圖 2- 15 謝爾賓斯基三角形 ... 24 圖 2- 16 碎形的參數化 ... 24 圖 2- 17 3D 列印的加法製造 ... 25 圖 2- 18 使用快速成型技術之創作 ... 27 圖 2- 19 首飾品牌 Nervous System ... 27

圖 2- 20 Thomas Hunt developed Mea ... 28

圖 2- 21 DIDT 系統架構圖 ... 29 圖 2- 22 快速成形流程示意圖 ... 32 圖 2- 23 Rhino 與其外掛程式 Grasshopper ... 33 圖 2- 24 拖曳運算器元件至 Grasshopper 工作區 ... 35 圖 2- 25 Grasshopper 熱門外掛程式 ... 36 圖 2- 26 PanelingTools 曲面鑲嵌 ... 37 圖 2- 27 Lunchbox 內建分割模式 ... 37 圖 3- 1 研究架構與流程 ... 38 圖 3- 2 RP 輸出之項鍊飾品 ... 40 圖 3- 3 不同彎曲度的曲面 ... 40 圖 3- 4 巢狀造型的飾品 ... 40 圖 3- 5 參數式飾品設計之方法流程 ... 41 圖 3- 6 MathMod 所產生之幾何方程式 ... 42 圖 3- 7 RhinoMath 產生之幾何曲面 ... 42

VII 圖 3- 8 不同參數所產生的曲面變化 ... 43 圖 3- 9 於曲面產生 U,V 方向的分隔點 ... 43 圖 3- 10 於曲面產生 U,V 方向的分隔點 ... 43 圖 3- 11 選定密鋪之元素 ... 44 圖 3- 12 完成之基本平面密鋪 ... 44 圖 3- 13 透過曲線干擾密鋪規則 ... 45 圖 3- 14 透過座標點干擾密鋪規則 ... 45 圖 3- 15 透過隨機亂數干擾密鋪規則 ... 45 圖 4- 1 CAD 模型建置流程 ... 47 圖 4- 2 基本 3D 實體模型 ... 48 圖 4- 3 不規則數學幾何曲面 ... 48 圖 4- 4 創新造型密鋪建構流程圖 A ... 48 圖 4- 5 PanelingTool 鋪面產生之演算法 ... 49 圖 4- 6 產生 UV 座標點的立方體 ... 49 圖 4- 7 元素鋪設完成 ... 50 圖 4- 8 具簍空效果的立方體 ... 50 圖 4- 9 基本幾何形體的密鋪 ... 51 圖 4- 10 密鋪形體的接合 ... 51 圖 4- 11 花瓶造型的鋪面成果 ... 52 圖 4- 12 由幾何方程式所產生的不規則曲面 ... 52 圖 4- 13 調整 UV 座標點的數量 ... 53 圖 4- 14 點干擾以及權重值 ... 53 圖 4- 15 不同座標點的干擾結果 ... 53 圖 4- 16 不規則曲面的密鋪 ... 54 圖 4- 17 Stereosphere 的數學應用... 54 圖 4- 18 由幾何方程式產生之曲面 ... 55 圖 4- 19 完成密鋪之幾何方程式曲面 ... 55 圖 4- 20 曲線干擾的設定 ... 56 圖 4- 21 曲面干擾所產生的效果 ... 56 圖 4- 22 亂數干擾座標點的分布方式 ... 56 圖 4- 23 亂數干擾所產生的效果 ... 57 圖 4- 24 創新造型密鋪建構流程圖 B... 57 圖 4- 25 幾何方程式產生之莫比烏斯帶 ... 58 圖 4- 26 莫比烏斯帶的鋪面特性 ... 58 圖 4- 27 莫比烏斯帶的密鋪成果 ... 59 圖 4- 28 不同轉數的莫比烏斯帶 ... 59 圖 4- 29 在曲面上產生幾何點 ... 60 圖 4- 30 3D 沃羅諾伊立方體 ... 60

VIII 圖 4- 31 沃羅諾伊立方體與曲面交會所形成的曲線 ... 61 圖 4- 32 按所有方向均勻縮放目標 ... 61 圖 4- 33 將曲線放樣產生曲面 ... 61 圖 4- 34 增加曲面的厚度 ... 62 圖 4- 35 完成沃羅諾伊的幾何造型 ... 62 圖 4- 36 使用 Solidworks 建構之戒指曲面 ... 63 圖 4- 37 密鋪之外部曲面 ... 64 圖 4- 38 改變元件的 Shift 值 ... 64 圖 4- 39 不同 Shift 值的效果 ... 64 圖 4- 40 調整元素的 offset ... 65 圖 4- 41 以元素 offset 進行曲面接合 ... 65 圖 4- 42 簍空型戒指 ... 65 圖 4- 43 不同元素進行的鋪面 ... 66 圖 4- 44 使用 Random Attraction 做數據干擾 ... 66 圖 4- 45 不同影響幅度產生的效果 ... 66 圖 4- 46 數據干擾所產生的造型變化 ... 67 圖 4- 47 參數化造型之戒指 ... 67 圖 4- 48 曲面重建工具 ... 68 圖 4- 49 重新建構後的曲面 ... 68 圖 4- 50 心型曲面上產生的 UV 方向點 ... 68 圖 4- 51 改變網格的型態 ... 69 圖 4- 52 曲面上產生的編織效果 ... 69 圖 4- 53 完成之心型密鋪 ... 69 圖 4- 54 不同變化的簍空愛心墜飾 ... 70 圖 4- 55 動物造型的曲面 ... 71 圖 4- 56 沃羅諾伊圖建構流程 ... 71 圖 4- 57 網格表面產生的沃羅諾伊曲線 ... 71 圖 4- 58 增加厚度 ... 72 圖 4- 59 Free Form 進行修潤 ... 72 圖 4- 60 與原物體進行結合 ... 72 圖 4- 61 動物造型的簍空飾品 ... 73 圖 4- 62 熱熔沉積成型的輸出完成品 ... 73 圖 4- 63 立體光固成型的輸出完成品 ... 74 圖 4- 64 模型輸出完成品 ... 74 圖 5- 1 參數式密鋪之建置成果 ... 76

1

第一章 緒論

第一節 研究背景與動機

在現代科技的推波助瀾下，電腦輔助設計（Computer Aided Design, 簡稱 CAD）已普及於各階層領域，尤其在造形設計對於物體在三維空間的影像呈現有 極大的助益。CAD 能夠創造豐富的造形形態與樣貌、產生新的美學價值，造型 在空間中之視覺化、自由化，使得電腦輔助設計，逐漸取代手繪的形式來進行產 品的繪製與製作，不但可以節省時間的花費，還可達到逼真呈現的效果。隨著 CAD 的發展，具有自由型態的造型已然成為現代設計的一重大分支。參數式設 計原理是透過電腦軟體在建置的數位立體模型之特徵幾何、形體尺寸參數間，建 立出數學的關聯式，然後運用這種關聯式的各個參數之間的調控，產生出造型多 變又充滿數學美感的表面紋理設計。 柯冠如（2011）曾在其研究中針對11位台灣珠寶設計專家進行訪談，其中 珠寶商情雜誌社的社長莊秋德在訪談中就有指出「珠寶設計這幾年來有慢慢受 到電腦的影響，以往的設計師大部分就是使用手繪草稿，或是正式的畫出來； 目前3D在這個市場慢慢的成形，已經有在這方面做調整。」；而高登金工工作 室負責人陳高登也談到「參觀香港的珠寶展，看到許多先進的數位化設備，其 實設計和製作的部分在國外已經很先進，以RP輸出來說，價格只要一半，標準 化的生產，因為要快速、標準化，透過電腦就很容易調整比例、修改尺寸，是 數位化的一個優勢。對設計者來說，提供更大的想像空間、不會局限在傳統製 作程序。」；珠寶設計老師鍾邦玄則是認為「其實怎麼操作，還是在人身上， 人去瞭解機器和軟體的應用，然後選擇自己需要的方法來做，最大的好處是可 以發揮那個機器的優點，讓你的作品加分」，由此可看出數位化珠寶製作技術 已經成為時下最熱門的趨勢。

2 近年來由於數位科技產業的快速發展，以往的工業設計追求的是大量生產， 因此研發過程中設計的變更、模型的製作，佔據了大部份的研發時間。近期開始 隨著 3D 列印的技術開發，創造出客製化、少量多樣的特性，設計可以跳脫量產 的思維框架，相較於以往不但更新了生產的流程，從設計到製造之間的時間與程 序大幅縮短，甚至可以製作出傳統工藝製程所無法完成的複雜精細的形狀與加工 效果。 3D 列印建構出的物體因為不受到傳統製造技術的約束，可以製作地更加複 雜、多樣、精細，甚至是有倒鉤砍口(Under Cut)的藝飾品、雕像或物件，也可以 快速忠實的呈現，此外還有各種輸出材質可以選用。相較於傳統工藝，3D 列印 可以很容易的製作出這些似乎只存在於思想中的結構，哪怕不懂這些美麗物體背 後的數學意義，參觀者也往往會對這些模型本身感到驚豔（Knill & Slavkovsky , 2013）。

圖 1- 1 Rollercoaster table, Janne Kyttanen

3

圖 1-1 是由芬蘭設計師 Janne Kyttanen 於 2014 年在 Art Basel 所展出的設計，

Janne Kyttanen 跨 足 數 位 與 設 計的 兩 端 ，長 期 聚 焦 在 快 速 模 型製 作 （ Rapid Prototyping，簡稱 RP）技術的研究而成為這類設計生產模式的翹楚，藉助科技的 優勢催生新的設計模式，他深信隨著科技發展的深度與速度，能夠讓個性化的設 計愈來愈普及。隨著 3D 快速成型技術愈來愈成熟，他的設計構想藉助電腦語言， 擺脫模具的束縛，運用數位科技與創新材料來開創新的設計和商機，設計生產具 雕塑性與繁複美感的限量或訂製商品，以高科技實現設計師的創新概念及視覺語 言，彰顯出獨特性訴求的藝術主張（丑宛茹，2009）。 目前市面上的產業形式，精緻、小量量產或獨特風格產品越來越多，也有客 製化、高附加價值的訂作商品（柯冠如，2011），透過 3D 技術的整合，包括 3D 掃描、建模、修改與成型打樣，過程比傳統的手工迅速外，品質也更為穩定，減 少了產品生產時可能出現的不穩定現象，聚焦於工藝產業的應用，也拉近了 3D 列印技術能夠廣泛應用的範疇，不再僅限於工業或是製造業。 第二節 研究目的 用科技帶領工藝走向創新的道路，這是全世界不可避免的趨勢。從新科技的 角度，重新思考傳統工藝，使人們更能體現到工藝創作時「人」的獨特性，與「物」 的純粹性。所以科技能為工藝注入的是一股將不可預知的可能性發揮到極致的效 果，這種創新的落實在工藝上必然衝擊著我們的視覺感官，甚具震撼力（陳國珍， 2008）。在現代科技的推波助瀾下，結合工藝與科技的應用相當普及，近年來由 於 3D 數位化設計導入 RP 工程技術，結合電腦輔助設計的工藝飾品應用已經相 當普及，快速成型的開發為飾品設計創造了新的可能，也開闢了工藝設計中藝飾 品設計的嶄新領域，透過電腦輔助設計可以更精確的計算材料使用，節省不必要 的浪費，數位模型完成後還可以直接轉檔以 RP 進行輸出，讓生產速度更加快速。 傳統的電腦輔助設計只是取代設計師手中的紙筆，軟體本身並不涉及設計方法和

4 規則，現今發展的參數式設計軟體，設計師將自己的構想轉換成電腦語言和設計 軟體溝通，在這整個數位化的設計過程裡，設計師透過對規則的制定與判斷來間 接影響設計。 參數式設計在國外的發展已行之有年，加上 3D 列印的方便性，使得參數式 設計可以應用在各種領域上，譬如建築設計、家具設計、產品設計等，相較於國 外，國內對於參數式設計的研究大多還是集中在建築領域上的應用，較少使用在 飾品設計的領域上。因此，如果將建築領域大型的參數式設計概念使用在小型的 飾品設計上，是否會激發出不一樣的火花，透過形體的變異以及對表面紋理所進 行的操作達到豐富造型的目的，在如此複雜、矛盾和不確定的型態之下，是否存 在一種可操作性的參數式生成方法，若能將此建構方式用於飾品設計，是否能夠 產生出一種全新的設計風格。因此本研究嘗試將基於參數式設計的造形方法以及 參數式軟體 Grasshopper，結合數位雕塑的應用（Free Form），使用 3D 列印的快 速成型技術，來呈現出融合科技與藝術之美的藝飾品進行創新應用。 第三節 研究假設與預期目標 參數式設計的應用範疇可以延伸至許多領域如建築設計、工業設計、平面設 計等，透過對曲面和曲線的調整能夠得到相應變化的造型，在短時間內生成大量 的結果供設計者選擇，且參數式設計在實際加工生產中也能發揮如分析模型體積 面積、曲線長度空間座標等數據輸出，用以支援後期施工與生產。 研究假設： 本研究只針對參數化模型曲面透過改變紋理的造型方法進行深入研究討論， 由於進行鋪面的主體曲面主要使用其他數位軟體進行建置，故參數化的探討將以 鋪設在曲面上的表層紋理的變化為主，曲面本身的參數化則不在本研究的討論範

5 圍中，而其他參數化軟體所擁有的功能例如材質物理模擬、程式語言的撰寫、網 格拓樸關係等議題則不在本研究之範疇中。至於在藝飾品的造型應用上，本研究 將範圍鎖定在穿戴式的飾品如戒指、墜飾、手鐲等，運用參數式軟體探索可能的 創作方式，並發展出生成造型的邏輯架構，之後將嘗試幾何造型的表面做變化， 並使用 3D 列印輸出模型，預計產出三件，以便實際了解利用參數式設計作為飾 品創作的可能性。 預期目標： 1. 將參數式設計概念整理出一系列適合應用在飾品設計的建構方法，藉由分析 參數式設計的發展概念與技術限制，探討參數化之下飾品設計的生成邏輯與 創新性所在。 2. 飾品的探討主要分為造型、顏色、材質及紋理，本研究主要針對參數化之下 透過表面紋理的改變與參數干擾，透過本研究所發展的飾品設計流程模式， 讓飾品造型展現出科學的複雜度與難以預期性， 3. 本研究結合參數式設計軟體 Grasshopper 與雕塑軟體 FreeForm，融合科學幾 何模型與傳統手工藝，並使用 3D 列印技術進行製作，完成一套由概念發想 到快速模型打樣完整的客製化飾品的設計流程。 第四節 研究架構 本論文架構分為五個章節，第一章緒論，說明論文的研究背景與動機、研究 目的以及研究假設和預期結果；第二章文獻探討，首先整理電腦輔助設計與參數 式設計的相關文獻作探討，然後針對在數位化之下發展的飾品設計做討論，並概 述 3D 列印快速成形的技術以及數位化整合科技系統，之後會介紹參數式設計的 發展與概念，比較市面上參數式設計軟體之異同，最後結合參數式設計的概念探

6 討結合藝術與科學之幾何創作方法；第三章研究設計則是透過參數式設計軟體展 現出科學的複雜與難以預期性，結合數位化 3D 整合科技系統的技術，建構一套 創新造型的飾品設計流程，透過數位化設計與數位化輸出，展現出結合科技與工 藝之設計美學；第四章創新造型模型建構流程與範例，透過本研究發展出的建構 流程，以規則和不規則曲面作範例，驗證流程的可行性並於驗證後進行創新造型 設計的應用；第五章結論，歸納和總結本研究所發展出之建構流程及研究貢獻， 以及對於後續研究發展的參考及建議。

7

第二章 文獻探討

電腦輔助設計 CAD 在國內外對於飾品的應用已經相當普及，像是使用五軸 加工或是快速成形 RP 技術都已有相關討論，為飾品設計開拓了新的可能。本章 節主要分為兩個部分，第一部分是整理電腦輔助設計與參數式設計的相關文獻作 探討，針對飾品設計的數位化做討論，並概述 3D 列印快速成形技術以及數位化 整合科技系統；第二部分將介紹參數式設計的發展與概念，比較市面上參數式設 計軟體之異同，最後結合參數式設計的概念探討結合藝術與科學之幾何創作方法。 第一節 飾品設計趨勢 台灣珠寶飾品業早期即已導入了電腦輔助設計的概念，運用電腦輔助設計軟 體進行飾品之立體數位資料模型建立，並將 3D 飾品模型與元件整合成模組資料 庫，重新排列組合，讓多樣化之變化設計，延伸出戒指、胸針、墜飾等不同飾品 等款式，使開發之飾品更具競爭力（吳正仲、柯冠如，2010）。運用電腦輔助設 計 CAD 的好處，可以精確的掌握飾品造型，同時可以靈活運用電腦軟體各種技 巧，讓造形更多樣化，使設計製作過程趨近透明，大幅地節省時間和人力（陳慧 玲、吳正仲，2009）。柯冠如（2011）曾在其研究中針對 11 位台灣珠寶設計專家 進行訪談，其中珠寶商情雜誌社的社長莊秋德在訪談中就有指出「珠寶設計這幾 年來有慢慢受到電腦的影響，以往的設計師大部分就是使用手繪草稿，或是正式 的畫出來；目前 3D 在這個市場慢慢的成形，已經有在這方面做調整。」；而高 登金工工作室負責人陳高登也談到「參觀香港的珠寶展，看到許多先進的數位化 設備，其實設計和製作的部分在國外已經很先進，以 RP 輸出來說，價格只要一 半，標準化的生產，因為要快速、標準化，透過電腦就很容易調整比例、修改尺 寸，是數位化的一個優勢。對設計者來說，提供更大的想像空間、不會局限在傳 統製作程序。」；珠寶設計老師鍾邦玄則是認為「其實怎麼操作，還是在人身上，

8 人去瞭解機器和軟體的應用，然後選擇自己需要的方法來做，最大的好處是可以 發揮那個機器的優點，讓你的作品加分」。 林珮淳、吳佩芬（2002）認為科技與藝術之間相互影響，但卻不代表透過科 技就能創造出藝術，科技只是扮演輔助藝術創作的角色。而科技發展對工藝創作 產生是「技術」與「媒材」的相關影響，形成科技與工藝相輔相成的特色。 電腦繪圖能夠逼真寫實地模擬飾品造型的實體影像，完美的呈現珠寶首飾 作品的每一個面與細節，不僅可以協助溝通，也能提升顧客購買的欲望。目前 國外在珠寶飾品產業運用CAD技術已進入成長期，而3D列印技術的成熟、材料 的普及化，加上機器價格逐年降低，使得數位化珠寶飾品的製作技術成為時下 最熱門的趨勢。因此，當代工藝創作者隨著材料加工技術的改變，不斷的嘗 試、探索新的形式表現，應積極培養能利用電腦軟體操作完成設計的新興工藝 技能，透過運用數位科技連結設計與生產，讓創意能精確且快速的被執行，並 與合適的工業加工製程產生良性互動（陳小加、曾永玲，2010）。 第二節 數位化之飾品設計 一、電腦輔助設計之趨勢 由於電腦科技的進步，電腦輔助設計軟體的開發為工業上帶來革命性的改變， 對傳統生產及管理方式造成很大的衝擊，CAD不僅提高設計的效率，修改方便也 減少失敗率降低了成本，對於現代工業來說無疑是最佳的設計生產工具。電腦輔 助設計的發展從早期的2D技術逐漸發展至3D的範疇，其目的為縮短新產品開發 時間以及更加迎合市場日益變化的消費需要。現階段各產業對於這種3D尖端技 術發展的需求是日趨成熟以及持續不斷的增加，運用的流程從產品研發設計、生 產製造乃至於行銷推廣等均可應用其相關衍生技術而產生其創新的加乘效果 （陳佩宣，2009）。 范鈺珮（2013）指出在服裝產業上有愈來愈多的成衣公司選擇以服裝CAD系

9 統等技術來輔助開發與生產，而這類的高科技技術不論在2D模式或是搭配3D立 體模擬，都漸漸成為輔助生產的基本系統。 莊政洲（2013）以結構式問卷，探討牙技人員對於牙科CAD/CAM（Computer Aided Manufacturing，簡稱CAM）系統的知識、態度以及購買行為，並提到 CAD/CAM成為國內牙科趨勢，CAD/CAM系統將會取代大部份牙技人員的工作 製程。 吳欣諺（2013）使用3D電腦輔助設計的概念，將傳統工法製造堆疊玻璃之陳 舊方式，改變為利用多種數位技術的結合模式，創新了這個領域的新製程。 盧定乾（2012）將戲偶頭部分解為可以進行逆向掃描（Reverse Engineering， 簡稱RE）的木雕部分與不可掃描的毛髮部分，藉由逆向工程搭配數位雕塑軟體 修補，以驗證逆向掃描物件立體數位化的可行性，培養傳統文化事物與逆向工程 之間的專業結合。 蔡慶霖（2010）則認為客製化鞋墊在傳統製程上浪費太多的時間與成本，傳 統製程中客製化鞋墊選用石膏來取得足底模型，再經由兩次加工過後製作出鞋墊。 此加工方法是不可逆性的。因此利用逆向工程的方法結合CAD和CAM來設計客 製化鞋墊。並且將其資料數位化，方便日後修改使用。 儘管數位化的設計效率和精確性都極高，陳韋翰（2011）則指出電腦輔助設 計的軟體操作需透過後天的教學與練習，不比傳統方式來得容易，因此提出結合 手繪與CAD兩者完成設計，設計師能較有效率的完成並且在設計後端，能依照圖 面刺激思考，啟發不同的構想。 二、結合數位科技之飾品設計 近年來， 3D 數位化設計導入 RP 工程技術，在工業設計與製造業已有建樹， 另外在國際品牌的行銷與推廣之下，利用電腦科技輔助設計，讓設計師在創造、 修正及分析的過程中尋找最佳化的方式，並應用在各行各業的設計與生產製造上； 珠寶飾品的發展和消費市場的轉變，使得飾品設計獲得重視，透過不同的設計、

10 素材，能讓工業設計、平面設計等相關領域的人才，有更多的機會得以跨界嘗試 原本需要昂貴設計成本的珠寶飾品，除了使飾品設計領域的人力提升，產品的精 緻、多元化也使消費者品味提升（吳正仲、柯冠如，2010）。 表 2-1 整理了國內關於數位科技與工藝飾品結合的相關文獻，飾品結合電腦 輔助設計的應用其實已經相當普及，像是使用五軸加工或是快速成形 RP 技術都 已有相關研究，尤其是快速成型技術更是加快了生產速度，節省不必要的浪費， 為飾品設計開拓了新的可能。 表 2-1 數位科技與工藝飾品結合的相關文獻討論 作者/年 題目 研究摘要 鄭宜憓 2008 年 台灣傳統金飾的工 匠與設計 高科技也包含了工程技術的開發，電腦的興起 普及，網際網路與電子通訊的迅速發展無不對 現代設計運動下的工藝設計與飾品設計規範、 價值觀造成衝擊。透過傳統金工藝匠師與設計 的對話，深入了解並萃取其工藝價值，忠實的 紀錄金飾演變的過程。 汪殿杰 2008 年 混合式陽極處理技 術應用於金屬飾品 設計之研究 指出在現代科技的推波助瀾下，工藝與科技結 合應用相當普及，創造出不斷推陳出新的產 品， 這個模式一直是設計者所努力的方向。現 今有許多新的表面處理技術， 在其它產業上 應用已非常普及， 卻鮮少應用在金屬飾品的 設計上，藉由實際產品案例的驗證，探討鋁及 鈦金屬飾品設計的實用性。 陳國珍 2008 年 當代工藝創新思維 的體現 針對構成品牌競爭力的關鍵點，也就是工藝本 身與其創作背後的精神理想，進行個人經驗體 現的表述，對工藝創新思維的面向作闡述。 陳小加 2011 年 數位做法連結工藝 實踐 ─金工產品創作 將電腦輔助設計、電腦輔助製造的「工」與 傳統金工技法手作的「工」，藉由「藝」的 媒合創造一種新面貌，並利用工業技術、數 位科技與工藝的相輔相成之特點，達到重視 傳統工藝傳承文化結合科技創新。 柯冠如 2011 年 臺灣意象應用於金 工珠寶飾品數位化 設計之創作研究 透過電腦輔助設計可更精確的計算材料使用、 精準度控制，節省不必要的材料浪費，建模完 成後可轉檔直接以RP輸出，加快生產速度。針 對研究議題訪談11位專家，整理出臺灣意象應

11 用在金工珠寶設計的模式，提供設計者應用臺 灣意象做設計的參考。 黃台生 2011 年 超現實主義風格元 素轉化應用於金工 首飾物件設計創作 ─以畫作米羅的「耕 地」與達利的「記憶 的永恆」為例 指出快速成型 RP 技術的開發為首飾設計者創 造了新的可能，也開闢了工藝設計中金工首 飾設計的嶄新領域，取出超現實主義風格畫 家達利的作品元素，推衍出新的造形。 姚怡欣 2011 年 台灣現代金屬工藝 設計開發模式之研 究 指出傳統工藝設計因不符合時代潮流、單價 過高與交期過長，因此在經濟成長率與民眾 需求上一直很薄弱，經由個案研究的訪談， 以實際的行動，了解台灣現代金屬工藝設計 產品開發情況。 陳品妤 2013 年 五軸加工於珠寶飾 品設計之應用研究 運用五軸加工機在珠寶飾品，讓傳統的珠寶 飾品加工縮短製程時間和人力，並且運用五 軸加工機的高精度以及較廣的加工材料，往 後也可融合醫學和新科技提升競爭力。 目前 3D 的快速原型 RP 製造不但大幅縮短新產品開發的時間，也確保新產 品的上市時效，並有效降低開發風險。RP 輸出的產品，可支援的立體模型不但 多樣化，用於輸出造形較為複雜的模型也不受形狀限制。應用在飾品設計的 3D 數位化設計軟體，例如 Rhinoceros、Alias、Jewel CAD 及 Free From 等已經趨向 成熟，相對傳統生產已具競爭力，可預期未來設計、製造珠寶飾品會更有效率。 Somlak Wannarumon（2004）就是採用珠寶設計的輔助軟體 Jewelry CAD 來建構 快速模具，其目的在於應用快速成型技術在珠寶首飾設計和製造上提供了重大突 破，簡化了重覆性設計並縮短了製作模型的時間（王韻筑，2010）。

Dyvsign 是一個將 3D 列印與珠寶設計結合的品牌，其設計師 Yvonne van Zummeren 以穿戴式設計作為媒介，將藝術的故事傳達給觀眾，她發現談論藝術 品背後的故事是個能夠增進人們對藝術熱忱的好方法，藝術帶給她靈感，使她能 夠結合傳統與現代，3D 列印出獨特的珠寶設計。她受到 Matisse 的作品啟發，如

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圖 2-1 所示，將印在尼龍上藍色、綠色、紅色的圖案由 3D 列印轉換為手鐲的形 式，賦予作品不同的寬度，如圖 2-2 所示。

圖 2- 1 La Gerbe by Henri Matisse

資料來源：Retrieved November 12, 2014, from www.additivefashion.com/fine-art-and-3d-printed-jewelry-dyvsign/

圖 2- 2 La Gerbe by Dyvsign

資料來源：Retrieved November 12, 2014, from www.additivefashion.com/fine-art-and-3d-printed-jewelry-dyvsign/ 結合 RP 和數位軟體的技術應用，對飾品的造型設計和製造過程，興起了一 個重大變革，這個技術顛覆了傳統工藝繁複的印象，讓業者和設計師可以更直接 地透過數位軟體進行溝通，也可以避免認知不同所產生出的誤會，不但節省了製 造時間以及成本，對傳統工藝技術的傳承和培育，提供了一個優良的交流平台， 相信在傳統與創新工藝的結合下，飾品設計會激盪出不一樣的火花。

13 第三節 參數式設計之概念 用 CAD 開發產品時，建立模型的速度快慢是決定整個產品開發效率的關鍵。 設計開發初期，模型形狀和尺寸有一定的模糊性，必須再透過驗證、分析之後才 能確定，這時就會期望模型具有容易修改可做變動的彈性。 參數式設計的方法就是「將模型中的定量信息變量化，使之成為任意調整的 參數」。對於變量化參數賦予的不同數值，就可以得到不同大小和形狀的模型。 參數式設計可以大幅地提高模型的生產和修改的速度，在產品的系列設計、相似 設計的應用開發上都具有極大的價值。 一、參數式設計的發展 參數式模型並非是個全新的概念，1960 年代電腦輔助設計的先驅 Ivan Sutherland 就是以參數式的概念做為他 Sketchpad 系統的核心（陳珍誠，2013）， Sketchpad 是利用光筆讓使用者可以直接與螢幕互動畫出簡易的線條圖形，這樣 的概念也成為往後電腦輔助設計運用的基礎。 從 1960 年開始發展至今，由 2D 繪圖技術發展到 3D 建模技術的 CAD 輔助設計系統使設計者可以繪製 2D 圖形之外，還可以在一個虛擬的 3D 環 境中快速建立模型以及修改模型（Abadi & Cardelli 1996），參數式模型引入了 一種新的思維–遞延（deferral），它改變了設計決策與建模的順序（Woodbury, 2010），設計師對於電腦能夠做彈性靈活的修改而不用刪除或重新繪製作品使得 參數式建模的加入在傳統 CAD 作業上成為一個標準的工具（Barrios, 2004）。 傳統設計與參數式設計相較之下，傳統設計的表現自由，不需要額外學習繪 圖軟體，不過草圖的精確度不足，而且修改不容易，對於細節更是難以作個別調 整，有時甚至必須要重新繪製。而參數式設計雖需額外花時間學習繪圖軟體，設 計的表現有時也會受限於對軟體操作的熟悉程度，但是草圖有相當的精確度，且 修改容易，因為每個步驟歷程都有被記錄，且草圖各個細節都被參數化，設計師

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可以隨時調整草圖，甚至留做資料庫於下一次使用，對軟體的操作使用達到一定 程度的熟悉後，就能成為一項輔助設計的利器。

圖2-3為Generative Gestaltung（Lazzeroni, Bohnacker, Gros and Laub , 2009） 此書中作者對參數式設計所提出的一個循環過程，從一個抽象簡單的設計發想， 根據適合的規則或者演算法，轉換為原始碼使其能夠由電腦產生並輸出，輸出會 再經由一個循環反饋給設計者，讓設計者可以重新調整修改演算法和原始碼，這 是一個依靠設計師和設計系統之間反覆交流的一個操作過程。

圖 2- 3 參數式設計流程

圖片來源：Bohnacker, H., Groß, B., Laub, J., & Lazzeroni, C. (2009). Generative gestaltung. Verlag Hermann Schmidt, 4.

二、參數式及關聯式模型 相較於傳統 CAD 軟體參數式建模的優勢在於其具有「可回溯性」，藉由將 建模過程以程序性的方式編寫，修改設計時不用重新建模只需調整設定參數，即 可獲得修改後的成果以及對應的圖形（Wang, 2010）。參數式設計的方法主要分 為兩種，一種是使用數位設計軟體直接進行參數式建模，另一種則是透過撰寫程 式語言來完成設計師所想要的形體，在參數式的設計過程中，一個曲面上的點可 能也同時為另一個曲面上的一點，一個點或一個曲線的改變都會使得彼此間相互 作用著，這樣相互影響的方式就稱為「關聯」，這也就是參數式設計同時被稱作 關聯式設計的原因。

15 第一節 參數式 William Mitchell 曾寫到，傳統靜態空間的永恆性與受重力影響下的結構的 限制，似乎漸漸被動態多維且無重力的虛擬數位環境所打破，設計者運用電腦操 作生產的過程拓展了設計思考的平面侷限，直接進入三度空間甚至四度空間的思 考邏輯（倪順成，2010）。 參數式建模被認為是具有彈性（flexible）的模型（M. Burry, 2011），一般而 言，將設計相關尺寸進行參數式化，即意謂著當創建模型的部分特徵會受到相關 聯之尺寸參數等的變動而變動，如此重建的過程也透露著設計師們的設計意圖 （Chang, 2012）。大部份的電腦輔助設計軟體都不可避免的運用「參數化」 （Parametrization）的特性，參數化以尺寸（Dimension）、變數（Variable）與幾 何（Geometry）做聯接，因此當變數的數值改變，所設計的幾何形體也會跟著改 變（陳珍誠，2013）。Robert Aish（2011）同樣也強調了參數的重要性，他說參數 式建模直接地揭開幾何變換的抽象概念。透過參數的控制，使用程式語言（Script） 編寫模型的幾何形狀、線或是點來建立邏輯。模型的組成可以透過改變獨立於其 他屬性的條件，可能取決於一個圖像的色值，或是到某一個點的距離等等，改變 的可能性是無止境的（Newman, 2013）。 與傳統的設計過程相比，參數式設計可以讓設計過程反覆且持續回饋，設定 不同的條件可以得到不一樣的結果，像這樣能夠對設計結果進行多次彈性且自主 修改，這是傳統手工設計所辦不到的。 參數式設計過程中的參數值、規則指令及參數模型都是可以直接看見的，它 不再只是存於想像中難以被他人所看見的形體，反而它還可以利用調整參數，達 到邏輯化的設計過程。 表 2-2 為參數化的螺旋繪製方法，包括螺旋的間距、高度以及面積大小都能 透過參數的調整達到不同的效果，其間設計師不需要重新繪製螺旋，畫面也是即 時回饋，設計師只要選擇和考慮符合的結果就能完成。

16 表 2-2 調整參數所形成的不同結果 第二節 程式語言 如果使用設計軟體只是用同樣的內建模型重複做了一遍又一遍缺乏真正的 創造性，程式語言的出現就使得這種情況獲得了明顯的改變，過去設計師們只能 使用廠商各自發行的繪圖軟體內建好的基本元件，依照制定的規則進行繪圖設計， 這種情形使得那些對於設計有更多構想的設計師們產生了想要突破的想法，加上 近年來客製化的概念逐漸興起，程式語言（Script）開始被注意與使用，表 2-3 為

17 目前市面上常見的 3D 繪圖軟體所提供的程式語言類型，具有程式背景的設計師 就可以在軟體中加入程式語言的概念，讓設計的作品不受軟體限制反而靈活性更 高。 表 2-3 3D 繪圖軟體所提供的程式語言 軟體 程式語言 MAYA

Maya Embedded Language (MEL)、Python AutoCAD AutoLISP SketchUp Ruby 3DMax MaxScript Rhinoceros VB、C#、Python Grasshopper VB、C#、Python 參數式建模簡單來說就是一種演算法的類型（Dino, 2012），有別於傳統設計 它更類似於程式設計（Weisberg, 2008），程式語言可以參照高等電腦程式的編程， 它具有一個開放原始碼的環境，以及結合預先配置好的程式（演算法）的函數資 料庫（libraries），使它能夠展現出與製造廠商無關的數位化設計能力（Newman, 2013），在繪圖軟體中加入程式語言所撰寫的設計過程成為數位設計重要的方向， 透過程式語言與改變參數值就能夠創造出更多可能的形態。 圖 2- 4 VB 程式語言編輯

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第四節 參數式設計於建築的應用

國內對於參數式設計的研究大多集中在建築設計方面，其中又以數位建築 領域（Digital Architecture）居多，在眾多數位建築的探索中，以參數關聯為主導 的參數化設計浪潮席捲了全球建築設計界。Zaha Hadid Architects、UN studio、 COOP HIMMELB(L)AU、Reiser+Umemoto、FOA 等眾多國際建築設計公司無一 例外地開始基於參數化設計概念，重組並更新設計的手段，試圖詮釋對日益增長 的複雜性的需求，並以此作為自己作品的主要風格來取勝。 在建築設計的學習過程中，電腦輔助設計一直為人所詬病的，是因為其建模 的迅速效果，導致設計者落入追求造型的迷思中，忘記形式背後所應承載的意涵 （Lawson，2002）。參數式設計本身是一種思路的建構，也就是一種演算法 （algorithm），任何建構出來的模型背後，都必須經由設計者設下明確的規則程 序來建構，這在建築應用電腦輔助設計上，是種很大的改變（Stavric & Marina， 2011）。 下面將針對參數式於建築領域的應用做分析整理，由於參數式的使用至今還 是以在建築方面居多，如果能夠將參數式建築的造型建構概念，與飾品造型的建 構做轉化結合，就能使得參數式的造型方法讓飾品設計展現出全新的設計風貌。 一、仿生造型的設計 建築的造型除了固定的幾何結構外，設計師們也不斷探索將自然界中的仿生 造型轉化為建築空間的設計概念，因此在數位設計工具發展的時期，許多使用軟 體和程式設計的造型案例也逐漸開始出現，例如北京奧運水上項目比賽場館「水 立方」，就是使用仿生設計概念所完成的一個案例，如圖2-5所示。

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圖 2- 5 北京國家游泳中心–水立方

資料來源：Retrieved November 18, 2014, from http://www.water-cube.com/cn/

二、幾何曲面之構築 幾何曲面的構築是數位輔助設計相較於傳統製作更能發揮其特性的一環。例 如由建築師 Vincent Callebaut 在台中市政府舉辦的國際競圖比賽中所設計的台 中文化中心燕巢（Swallow Nest），建築型態是以三角形為原型圍繞著莫比烏斯 帶旋轉八十次，藉由對曲面操作的熟悉和理解，對於幾何曲面的變化構築就能發 揮更多的可能性，如圖2-6所示。

圖 2- 6 Swallow Nest, Vincent Callebaut,

20 三、表面紋理的結合 以幾何曲面來做型構的過程中，除了主體造型外，造型內的紋理亦是重要的， 當設計者在做幾何曲面的型構過程中，如何將具體的外殼構築完成，並在其原有 的框架中融入細節的造型系統，即是數位工具最佳的發揮場合，因此回歸到設計 的初步概念時，將曲面的流動性質與細部元素的結合將有機會發揮出更有創意的 外殼框架系統，如圖2-7所示為建築師Michel Rojkind與工業設計師Hector Esrawe 聯手打造的一間位於墨西哥城的餐廳以及圖2-8所示為2008年在深圳華僑城正式 成立的華·美術館。

圖2- 7 Tori Tori Restaurant

資料來源：Retrieved January 28, 2015, from www.archdaily.com 圖2- 8 華·美術館 資料來源：Retrieved January 28, 2015, from www.tripadvisor.com.tw 四、數學式與方程式 在繪製過程中，除了以感覺去定位或以精確的尺度去建構圖案外，理性的繪 圖中往往加入程式的撰寫以增加更多的可能性與其發展的邏輯性。以許多數學算 式或方程式，如沃羅諾伊圖（Voronoi Diagram）、Delaunay三角、費波那契數列 （Fibonacci Series）、碎型（Fractal）等可以繪製出的圖形中，皆有許多衍生與各 種參數所構成的各層級圖形，在其變化過程中往往有意想不到的圖案產生，使設 計者在抉擇或考慮設計的過程中，透過這項機制去做圖像的決定。

21 1. 沃羅諾伊圖 平面上任意散布的點，以相鄰的點做中垂線的劃分就成了沃羅諾伊圖，一般 而言，沃羅諾伊圖在藝術上被視為一種圖形鑲嵌的方法，它的相鄰點之間距離最 短的特性，實際上也廣泛應用在建築學、地理學、氣象學、信息系統等各種領域， 如圖2-9、2-10所示。 圖 2- 9 沃羅諾伊圖的生成 圖 2- 10 沃羅諾伊圖的參數化 2. Delaunay 三角 任何一個 Delaunay 三角形的外接圓內部不能含有其他任何點，這就是 Delaunay 三角的主要性質。Delaunay 是 Voronoi 的學生，他以沃羅諾伊圖為基礎

22 進階發展出 Delaunay 三角，相較於沃羅諾伊圖的中垂線與距離的關係，Delaunay 三角則是圓與角度的關係，如圖 2-11、2-12 所示。 圖 2- 11 Delaunay 三角網的生成 圖 2- 12 Delaunay 三角網的參數化 3. 費波那契數列 費波那契數列是由義大利數學家Leonardo Fibonacci在研究關於兔子繁殖的 數量問題時所提出的，簡單來說就是一個數列從0和1開始，後面的數字是前兩個 數字的總合：0、1、1、2、3、5、8、13……就是費波那契數列。大自然中某些植 物的果實、葉子和花瓣的數目以及排列的方式，都剛好符合著名的費波那契數列， 例如向日葵種子的排列，就是由順時鐘、逆時鐘兩個方向相反的螺旋以圓心為起 點圍繞產生出來的，如圖2-13、2-14所示。

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圖 2- 13 向日葵種子的排序

資料來源：Retrieved December 05, 2014, from www.thatsmaths.com

24 4. 碎形 碎形一詞是由 Benoit B. Mandelbrot 於 1975 年所提出，有不規則、零碎複雜 的意思，碎形具有自我相似性（self-similarity）的結構，將一個大的幾何圖形無 限劃分為多個小區域，每個區域會與原本的圖形相似， 也就是每個小區域看起 來就像是縮小整體而得到的幾何圖形。由波蘭數學家 Waclaw Sierpinski 於 1915 年提出的謝爾賓斯基三角形就是一種碎形，一個三角形沿著三邊中點將其分別連 線會得到四個三角形，而將這四個三角形都各別再重複同樣的步驟就會得到如圖 2-15、2-16 的結果。 圖 2- 15 謝爾賓斯基三角形

資料來源：Retrieved December 17, 2014, from www.mathsisfun.com/sierpinski-triangle 圖 2- 16 碎形的參數化 參數式設計為人們提供了一個圖形設計的新平臺，它在不同層級的圖型構建 過程中遵循一定的數學原則和規律。參數式圖形會在一定程度上超越人腦的慣性 思維，作品會因獨有的隨機性和偶發性而出人意料。參數式圖形設計搭起了科學 與藝術的橋樑。它的錯綜複雜不僅喚起了科學的無限創造力，同時也使人感受到 了藝術界未曾想像過的感染力（李晉塵，2014）

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第五節 數位飾品結合 3D 列印

一、快速成型技術

Chris Anderson 在《自造者時代》一書中預見「3D 印刷積層製造」

（Addictive Layer Manufacturing，簡稱 AM）技術，將會帶動全球「自造業」的 風潮。而「製造的數位化」被《經濟學人雜誌》譽為「第三波工業革命」。3D 列印技術，相較於以往不但更新了生產的流程，從設計到製造之間的時間與過 程也大幅縮短，並且可以做出傳統工藝所無法完成的複雜且精細的造型。 3D 列印這項技術，最早可追溯至 1986 年，原名為「快速成型製造」 （Rapid Prototyping Manufacturing），其最大的優勢在於「不需要模具」，與傳 統製造方式相比，不需要開立生產線，又因為採用「加法製造」的特性，可以 大幅減少材料的浪費，如圖 2-17 所示為 3D 列印的加法製造，物體層層堆疊成 型。

圖 2- 17 3D 列印的加法製造

資料來源： Retrieved November 19 , 2014, from www.ctimes.com.tw

相較傳統的方法，3D 列印可以節約許多時間。例如設計師在完成一件設計 初稿時，可能就需要一台 3D 列印機能夠在相當短的時間內列印出設計初稿，再 經由反覆修改設計後，再進入到大規模的製造生產線，這種嚴謹的樣品製作過程

26 相較於傳統的樣品製作不但可以大幅減低出錯率，也縮短開發時間與節省材料的 製作成本。 表 2-4 傳統大量生產與 3D 列印之比較 傳統大量製造 3D 列印 大量製造，以量制價 小量生產，成本均一 規格化 客製化 實體製造 數位製造 減法製造 加法製造 產品設計受限於模具 任何設計都可以(合理的數位模型) 勞力密集 腦力密集 企業選擇低廉勞力地區設廠 企業在各個市場在地設廠 設計與生產可能有很大差異 設計即生產，隨時回應市場需求 資料來源：張睿麟（2014）。3D 列印與自造者時代的商業模式 二、科技與工藝之結合 數位時代科技的進步速度遠遠超出人們的想像，無論是從軟體設計、3D虛擬 影像或是電腦輔助製造技術，甚至逆向工程也達到了一定程度的水平。國內知名 金工大師周立倫在2006年出版的《數位工具結合金屬工藝創作途徑之探索》一書 中，就提出：「數位成型技術應該與傳統技術分庭抗禮，成為金屬工藝成型方式 的一員……有可以取代之處，也有不能彼此取代之處。必須考量造型、技術、成 本等因素，以選擇最有利的方式。」。另外他也堅持工藝創作中手工製作的樂趣 （曾永玲，2011）。黃郁珊的作品「幸福花」，其莖部為厚度大小寬度約5mm 的 字體串聯，是利用Rhino 設計建模以光敏樹脂材料RP成型，再用精密脫蠟鑄成金 屬，達到此項技術精密細緻之特色，且將手工切割彎折之花瓣利用陽極處理並賦 予染色完成的金屬花瓣，呈現出具手感且層次鮮麗豐富的色彩。產品設計師鍾麒 睿作品「蟲洞」(Wormhole)，先以3D電腦繪圖進行設計繪圖，利用快速成型技術 將複雜且多層次的模型呈現出來，透過電腦技術模擬大自然的作品，再經由電鑄 加工後染色完成（陳小加，2011）。對創作者而言，科技的工具使他們能夠更快 速、便利地將創意具體化，如圖2-18所示。

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圖 2- 18 使用快速成型技術之創作

資料來源：陳小加 (2011)。情感符碼之金屬工藝產品創作.。

來自紐約的前衛科技首飾品牌「 Nervous System」於 2007 年由 Jessica Rosenkrantz 和 Jesse Louis Rosenberg 所創立，其設計理念來自於對自然環境的 幾何圖案觀察和喜愛，包含珊瑚甚至是放射蟲。他們讓消費者可以透過網路上的 線上軟體客製化飾品造型，打造專屬的個人飾品，消費者設計完成後，他們會利 用金屬 3D 列印技術，將完成品直接寄給消費者，這對產品設計的概念而言是個 重大的突破，消費者本身也是設計者，而原來的設計者扮演的是提供適當設計工 具與規則的角色，目的是讓最終的產品符合多樣化的差異需求（邱浩修，2013）， 如圖 2-19 所示。 圖 2- 19 首飾品牌 Nervous System

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大規模生產並不意味著產品就必須犧牲其造型的變化和獨特性， Thomas Hunt developed Mea 品牌陶瓷餐具的設計師，創作了一款可以客製化訂製的陶製 品，消費者可以簡單的輸入日期、時間、地點或是個性化的消息，然後設計師就 會將這個訊息用獨特的代碼呈現在陶瓷的外圍，以 RP 輸出成形後燒製上色完成，

如圖 2-20 所示。

圖 2- 20 Thomas Hunt developed Mea

資料來源：Retrieved December 10 , 2014, from www.yankodesign.com/

對於「科技」的影響，前Wired雜誌的編輯長，也是Whole Ear thReview刊物 的出版人凱文．愷力（Kevin Kelly）認為：「科技具有複雜性、多元化、專業性、 進化性、互利共生的特性，而且無所不在地正在加速所有生命的觀點。」然而也 正是如此，科技的多元提供了更多的可能與自由，科技為生命與創造增加選項並 提供機會。愈來愈多的數位、工業、量產技法被運用在創作的過程當中，如何駕 馭這些技術，並取其長處，當科技與工藝產生聯結時，新的美學由此開始，產生 出令人驚豔的碰撞（曾永玲，2011）。 第六節 數位化應用－3D數位化整合科技系統 數位化設計是目前設計相關領域公認為設計應用工具發展的新趨勢（吳正仲， 2011），因此，功能強大且具未來性的技術概念已逐漸被廣泛且深入地引進各個

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專業領域中應用，如電腦輔助工業設計（Computer Aided Industry Design，CAID）、 數位化珠寶設計（Computer Aided Jewelry Design，CAJD）及最熱門的文化商品 設計（Cultural Product Design）等，需要高度製作工藝、客製化及造型複雜度高 的產業設計中。圖 2-21 為羅日生（2013）所提出之數位化 3D 整合設計科技系統 DIDT（Digitized Three-Dimensional Integration of Design Technology）技術系統架 構圖。主要包含：電腦輔助設計 CAD、電腦輔助製造 CAM 及快速成形 RP、逆 向工程 RE 及美國 SensAble Technologies 公司所開發的觸覺式設計系統 Free Form。

圖 2- 21 DIDT 系統架構圖 資料來源：羅日生、賴奎榕、王錦雄（2013）。數位化 3D 整合設計技術系統 之應用探究。 DIDT 系統完整涵蓋整個數位 3D 模型的建製與製作的流程，模型建製分為 正向建模與逆向建模兩種方法，正向建模又可再細分為（1）利用灰階照片製作 的數位浮雕模型與（2）透過電腦輔助設計軟體，直接建製立體數位模型等兩種 方式。至於逆向建模則需透過掃瞄儀器，將實體模型資料轉換為立體數位模型。 完成後的立體數位模型，可再使用如 Free Form、ZBrush 等軟體進行細部的修飾、 合成或轉化設計，最後將完成的數位模型，進行電腦輔助製造 CAM 或快速模型 RP 製作，就能得到樣品的實體模型。

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一、觸覺式設計系統

DIDT 系統最具關鍵性的數位技術是進階修模部分，採用美國 SensAble Technologies 公司所開發的 Free Form 數位建模系統，該建模系統運用 3D 力回饋 系統（3D force-feedback systems﹚讓設計師及雕刻家在電腦上可以直接進行虛擬 塑形、雕刻、觸摸、合成等數位創作之工具。 觸覺式設計系統 Free Form，是第一個能讓設計師及雕刻家，把他們的觸覺 應用在利用電腦設計模型的工具。運用 Free Form 做出來的東西，就像是用黏土 刻出來的實體一般，那樣真實、有變化。可是實際上它卻是數位的資料，是擁有 可快速變更設計等優點的。Free Form 可以讓設計者依著他們的想法，自由的創 作，創造力不會受限（馬路科技，2013）。Free Form 所使用的 3D 力回饋系統是 由三種元件所組成，分別是 PHANTOM、3D Touch 及 GHOST 所組成（林秉彰， 2007）。PHANTOM 硬體之介面，它能提供精確的座標和具有高度真實的力回饋， 使用者可以透過雕塑比體驗到真實觸覺的感覺。3D Touch 是直接使用了精確的 數位資料提供了接觸的感覺且使用者可以透過這項技術體驗到連續、雙向的互動。 GHOST 的原理就像觸覺引擎一般，可以做出複雜的計算並能夠處理簡單的高階 觸覺運算。Free Form 不像其它 3D 軟體一樣，需要運用數個月左右的時間才能 去精通操作之方式，此外 Free Form 最大的優勢在於有良好的人機互動，這是傳 統造型設計軟體所沒有的功能。另外它也彌補了 2D 繪圖與 3D 產品設計的鴻溝， 若結合 CAD 或 RE 等正向或者是逆向建模技術，Free Form 這套軟體在應用上將 會更加淋漓盡致。

綜觀上述探討可以知 Free Form 此套系統有很強的功能，透過獨特的力回饋 雕刻裝置筆，使用者可以體驗到虛擬的塑形、雕刻等應用，也是本研究將要使用 的 DIDT 系統中，會使用此套軟體將數位檔案做轉化設計之重要因素。可讓 Free Form 這套系統在數位化整合設計整應用上表現的更加淋漓盡致。

31 綜觀上述可知 Free Form 數位雕塑系統功能強大，具備獨特直覺式的力回饋 裝置，讓操作者能真實地體驗虛擬雕塑的觸感，因此也是 DIDT 系統中，常作轉 化設計之重要關鍵設備之一。 二、逆向工程 逆向工程 RE 技術的應用，可概略分為兩大類型：第一類是精度要求較寬鬆 的應用，例如高曲面度與複雜的工藝創作雕像的取樣、醫療齒模、鞋墊製作或建 築物、地貌 3D 掃描等應用；第二類為工業上精密元件的逆向取樣及快速品管檢 測等專業使用。而逆向工程常見的掃描類型有：探針接觸式、光柵照相式、雷射 光、紅外線、藍光及非可見光式等，各有其優勢與限制（鄭銘凱，2010）。逆向 工程可以讓物件外觀取樣的逆向工程應用更為快速與便捷。 三、電腦輔助製造 一般常見的模型製作加工可以概略分為三類：減法加工式、成型式與加法 加工。 1. 減法加工：利用一般傳統加工之車、銑、鉋等方式或者是運用非傳統加工之 電腦數值控制(Computer Numerical Control，簡稱 CNC)及 CAM 等方式，也 就是利用電腦輔助製造之方式，直接或間接運用電腦介面與電腦數值控制機 械連線，進行加工規劃即刀具路徑產生與編輯與管理等工作，將原料進行除 料加工之方法（闞凱宇，2012）。 2. 成形加工：利用模具或機械的力量作用在加工的材料上，使之成形的一種方 法，如射出成型、鍛造及彎曲成形等方式（王信雄，2008）。 3. 加法加工：加工方法與減法加工其製程式正好相反的，也可稱為加料製程技 術、層加工技術或實體自由成型技術，依據需要成形的部分進行切層處理， 再運用膠合或加熱熔接的方式，逐層堆疊、冷卻與固化，最後完成複雜的 3D 模型，目前的快速成形 RP 的技術即是此類加工法。

32 四、快速成型 快速成型技術 RP 於 80 年代即已發展出來的技術，目前早已被廣泛的應用 於汽車、航太、醫學、消費性產品、珠寶飾品、藝術、人文地圖、教育及軍事等 領域。隨著技術不斷創新，精度的提升，加諸部分類型機台的專利到期，某些機 開始濫觴，成為 Maker 們的基本配備。若相進行數位模型輸出成為實體模型，目 前檔案通用的格式為三角網格的 STL（Stereo Lithograph），而列印的速度快慢會 受到軟/硬體設備或列印物件擺放相對位置不同而有所差異，如圖 2-22 所示。 圖 2- 22 快速成形流程示意圖 一般成形所使用的材料，通常分成粉末、液態樹脂、固體材料三類，各有不 同之應用領域。粉末製程技術目前最各界被看好，因為任何可製成粉末的材料均 可用這種方式製作（潘天佑，2005）。由於 RP 可以製作金屬或陶瓷工件，利用此 種特性應用在模具翻製量產成品，延伸了快速原型的應用領域。另外快速成型技 術其加工之方法可依所使用能量之差異區分成光照射成型加工法、粘合成型加工 法及複合式成型加工法（羅逸文，2012）。若是依材料成型過程的變化做分類， 則分成液態法（液態原料直接轉換為固態原型）、粉末法（粉狀原料直接經雷射 燒結或黏結劑結合為固態原型）及固態法（固態紙、金屬等薄片材料，直接經雷 射切割結合原型）三種方法（林秉彰，2007）。RP 快速成型的特點可大致分為下 列幾項：(1)不受幾何複雜形狀的限制(例如：砍口 undercut)，直接輸出成形。(2) 加工前的設定簡單，製作過程完全自動化。(3)基本上沒有加工時的噪音、震動， 也無大量切屑。在現今技術、精度不斷提升，價格也逐漸降低的情況下，RP 成 型技術已逐漸成為設計開發的基本設備，在產品的設計過程中透過 RP 快速加工 製造實際樣本，可增加確認產品構想評估的程序與效率。 用3D CAD 繪製實體圖 轉化為 STL格式 透過軟體 切層處理 RP輸出 原型 清除支撐 材料

33 第七節 參數式設計軟體 雖然市面上有許多設計方式不同類型不同的參數式軟體，本研究將以 Rhino 的外掛程式 Grasshopper 作為主要的設計工具，以下將針對數款參數式設計軟體 作介紹並進行特色比較。 圖 2- 23 Rhino 與其外掛程式 Grasshopper

資料來源：Retrieved December 27 , 2014, from www.grasshopper3d.com

大部分的參數式設計軟體都是以外掛的形式存在，而非獨立的套裝軟體，如 圖2-23所示， Grasshopper需在Rhino軟體中安裝開啟。若以介面操作來非類可以 簡單分為：(1)利用直接利用程式碼或是(2) 透過圖形編寫程式語言兩大類，兩者 的差異性如表2-5所示。 表 2-5 程式語言和圖形編寫程式語言之比較 程式碼（Code） 一般來說，程式語言的操作都是利用文字編寫， 需要具備一定的程式編寫能力及知識才能上手， 但整體操作上擁有較高的自由度，較適合有程式 背景的人士，相關的軟體如Rhino的Rhinoscript和 Max的Maxscript。

34 圖形編寫程式語言 （GPL） 在操作上不用輸入艱深的程式碼，比起程式語言 直覺許多，是利用圖形運算器（component）之間 相對應的輸出接口連結後產生運算結果，是屬於 資料流動（dataflow）的概念，也因此 GPL 在使 用上較容易被一般使用者接受，相關軟體如掛載 於 Rhino 上的 Grasshopper 等。 資料來源：李昇祐. (2013). 參數式設計應用於產品創作與探討. 設計師 Mark Loomis 曾將不同的參數式設計軟體建立了一個比較分析表，如 表 2-6 所示。他訪談了《Elements of Parametric Design》這本書的作者 Robert Woodbury，針對 GenerativeComponents 與 Grasshopper 這兩套參數式設計工具在 使用上的優缺點做了分析，這兩種軟體均有提供大量的擴充程式供使用者按需求 自行下載安裝，且兩者都為免費的軟體。雖然 Grasshopper 相較於 Generative Components 功能比較沒那麼強大，不過它在操作上比較簡單，容易使用，對於剛 接觸的初學者或是不擅寫程式的設計師來說，它圖形化的介面能讓使用者更快上 手，此外 Rhino 軟體另內建有一套參數式工具 Rhinoscripts，使其同時擁有視覺 式與語言式的設計系統，也因此 Rhino 是目前最主要，也較多人在使用的參數式 設計平台（游勝博，2012）。因實驗室有 Rhinoscripts5.0 完整版，本研究選擇 Grasshopper 作為設計工具，並在後面的章節介紹其功能與操作。 表 2-6 參數式軟體之比較 Parametric Design Software

Developer CAD Platform (s) Object Based Scripting Plug -ins Free Generative Components Bentley Stand-alone (formerly MicroStation) Yes Yes (language) Yes Yes

Grasshopper McNeel Rhino Yes Yes (visual) Yes Yes Paneling

Tools

McNeel Rhino Yes No No Yes RhinoScripts McNeel Rhino Yes Yes Yes Yes ParaCloud ParaCloud SketchUp Yes No No No

35 GEM Rhino AutoCAD ParaCloud Modeler ParaCloud SketchUp Rhino AutoCAD Yes No (spreadsheet) No No

GenoForm Genometri SolidWorks Rhino Yes No (spreadsheet) No No Project Vasari (Autodesk Labs) Autodesk Revit Architecture Yes No No Yes

DesignScript Autodesk AutoCAD Yes Yes (language)

Yes TBA 資料來源：Loomis, M. (2010). Parametric Design Software.

第八節 Grasshopper 及外掛程式 Grasshopper主要是由參數和元件兩種主要的類型所構成，參數用來儲存資 料，包括數字、顏色、形狀等，元件則是執行資料的操作，最基本的方法就是使 用者利用資料來定義動作。此外像是點、曲線等幾何參數都可以從Rhino或是其 他數位CAD設計軟體直接輸入做為參考，參數的輸入介面是動態的，讓使用者可 以和軟體本身互動。Grasshopper的繪圖方式是從選單拖曳需要的運算器至工作區， 運算器左端為輸入端，可依需求輸入參數值或是直接在Rhino點選繪製完成的圖 形，結果會由運算器的右端輸出，如圖2-24所示。 圖 2- 24 拖曳運算器元件至 Grasshopper 工作區

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Grasshopper 是個開放的平台，它讓使用者可以自由撰寫外掛程式並發布在 網路上，讓其他使用者可以自由下載並安裝在 Grasshopper 裡使用，本研究主要 使用的外掛程式為 Paneling Tools 和 Lunchbox，如圖 2-25 所示。

圖 2- 25 Grasshopper 熱門外掛程式

資料來源：Retrieved January 08 , 2015, from www.food4rhino.com

1. Paneling Tools PanelingTools 幫助設計師們從製造的概念裡找到平面鑲嵌的解決方法，它提 供了能夠產生 2D 及 3D 的圖形元件，也提供多種打散（shuffle）網格分布位置 的方法，支援直觀的鑲版設計概念，同時格式也適合進行分析及製造建構，在建 築相關領域被廣為使用。如下圖 2-26 所示，U、V 座標數量（U、VNumber）表 示欲平鋪之曲面上產生的分隔點數，然後設定分隔點與原物件的平移距離 （Amplitude），之後設定要執行平鋪之曲面與鑲嵌物件，就完成了基本的曲面鑲 嵌。

37 圖 2- 26 PanelingTools 曲面鑲嵌 2. Lunchbox Lunchbox 提供許多熱門的幾何模型，它也提供了像是三角、菱形、四角網格 等共九種不同的平面分割方式，如圖 2-27 所示，它甚至也提供了讀、寫 Excel 的 工作流程。 圖 2- 27 Lunchbox 內建分割模式 2. MathMod MathMod 為一款能夠將參數曲面視覺化的數學軟體，除了內建的多種幾何 數學模型，使用者也可以自行輸入數學方程式來產生出 3D 立體模型，使用者可 以自由旋轉和縮放這些模型來進行更詳細的研究。 Grasshopper 提供了一個圖形化的操作界面，使一般對於電腦程式不熟悉的 設計者， 有了更容易上手的途徑（Davidson，2011；Khabazi，2010；Payne & Issa， 2009；Yu，2009），也讓許多設計者了解到參數式設計所帶來的多樣性，也加速 電腦輔助設計的參數化趨勢。

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第三章 研究方法

第一節 研究架構與流程 圖 3- 1 研究架構與流程 研究動機與背景 確立研究範圍 研究目的 相關文獻探討 參數式幾何曲面 密鋪方式 數位化應用： 3D 數位化整合 科技系統 創新造型模型建構 流程 創新造型模型範例 應用 結論與未來後續 研究 密鋪元素的改變 •單一元素 •多項元素 •參數化元素 幾何曲面的產生 密鋪分布的調整 •以曲線控制 •以點控制 •亂數調整 飾品設計的數位化 參數式設計之概念 3D 列印之數位化飾 參數式飾品設計

39 2012 英國「 經 濟 學人」雜誌專文指出，人類社會已經進入第三次工業命的 時代，現今是數位製造的時代，數位化設計已為整個世界帶來巨大改變。而參數 式設計可以提高模型的生成和修改的速度，在產品的系列設計和相似設計的開發 方面都具有極大的應用價值。 國內對於參數式設計的概念以建築領域的應用居多，許多國際建築設計公司 也都結合參數化設計的概念，追求幾何造型能轉化的形式與造型作為建築外觀或 空間的設計理念。而參數式設計可以將數學之美透過科技技術呈現某種不可預知 的完美創作整合，因此，本研究希望將參數式於建築的建構方式應用於飾品設計 上，並進行可行性探討。 第二節 研究方法 本研究採用的方法為第二章所敘述之參數式構成方法，透過參數設定的幾何 曲面變形以及表面紋理的改變，加入數學方程式增加其形體設計的豐富性，而飾 品的應用由於種類非常廣泛，本研究將範圍鎖定在穿戴式的飾品如戒指、墜飾、 手鐲等，結合科學的複雜與不確定性，展現出在三維空間中更多交錯的可能。最 後再藉由導入數位化 3D 整合科技系統的技術，透過數位化設計與數位化輸出， 讓以往傳統飾品製作難以達成的複雜造形，突破幾何形狀之設計限制，也讓飾品 表面紋理的造形變化更多樣化、豐富性，甚至可以完全的客製化。本研究成果期 望能夠為珠寶首飾設計提供一種創新應用，展現出科技與工藝結合之設計美學。 圖 3-2 為 Alejandra（2014）利用 Grasshopper 進行參數式設計的造形墜飾， 透過參數式軟體的設計，簍空的紋理豐富了飾品外觀視覺感覺與造形上的多樣性， 如圖 3-3 所示。

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圖 3- 2 RP 輸出之項鍊飾品

資料來源：Retrieved January 13 , 2015, from fabacademy.org

圖 3- 3 不同彎曲度的曲面

資料來源：Retrieved January 13 , 2015, from fabacademy.org

圖 3-4 為 Cornelissen（2013）為出版商 Soonsalon 所設計的作品，他使用 Rhino 和 Grasshopper 製作出這個靈感來自於俄羅斯娃娃的飾品，外觀為複雜交織的網 狀曲線，大的裡面還有小的層層堆疊，也展現出 3D 列印能夠輕鬆實現巢狀造型 的方便之處，使用的 3D 列印材質為聚酰胺（polyamide）。

圖 3- 4 巢狀造型的飾品

資料來源：Retrieved January14 , 2015, from www.michielcornelissen.com

參數其實就是數學中的數值操控，因為空間中的每一個模型都附帶了或簡單 或復雜的數據信息，可以透過相關聯的數學幾何參數方程式的連動，稍作修改其 中部分關鍵參數值，模型就會產生幾何形體上的連帶的變化。尤其是當抽象的數 學概念化作直觀的 3D 圖像呈現的時候，多維參數的巧妙連動，可以造就創作上