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系統識別號 U0002-2107201915421400
中文論文名稱 真空成型之參數化模具研究
英文論文名稱 Research on Vacuum Forming with Parameteric Modeling
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 建築學系碩士班
系所名稱(英) Department of Architecture
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 林睦翔
研究生英文姓名 Mu-Hsiang Lin
學號 605360295
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-22
論文頁數 137頁
口試委員 指導教授-陳珍誠
共同指導教授-柯純融
委員-倪順成
委員-張恭領
中文關鍵字 參數化模具  參數化模型  數位製造  真空成型  PU發泡劑 
英文關鍵字 Parameteric Mould  Parameteric Model  Digital Fabrication  Vacuum Forming  Polyurethane Foaming Agent 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 模具在建築施工中佔有非常重要的位置,不管是建築設計、室內設計幾乎與其脫離不了關係。模具的定義是將設計的成品可以重複複製並大量產出,然而真空成型之模具製作工法是目前加工模具製作速度最快的方式之一。相較於傳統工法之模具製造本研究使用多種數位製造之機具進行模具母模製造、加工及定位等,藉由數位製造機具將模具的精準度大幅提升,並將模具加入參數化模型的概念使單一模具有更多的可用性及變化。

本研究之模具應用共分為三個階段,第一階段:真空成型模具之研究,藉由一系列的測試模具研究真空成型機台及PVC材料之特性、極限。第二階段:模具應用,此階段分為真空成型圖案應用模型及軟質模具之PU發泡材灌注,前者著重於模具母模之設計並將圖案成品相接,後者則研究萊卡布料及PE塑料袋的Free Form灌注。第三階段:參數化模具,將基礎模具加入參數化概念實現模具及成品的概念並使用Rhino + Grasshopper來研究圖案紋理的連續性及模具分割等。

依據本研究之前置作業及整理歸納,藉由真空成型研究中的三種單元製作概念:牽連現象、幾何分割、模矩曲面作為三座牆體構造物之基礎,並將單元放大測試真空成型機台之滿載曲線,做為日後研究之機台極限參考的依據。最終殼體的模具採用數位車床及雷射切割不同的製造工法結合製作,其單元組合方式也使用交錯式組建的形式增強整體結構。不管是使用何種模具加工工法,最後還是源自於母模的設計概念。未來模具的發展將會朝參數化設計的形式製造,可以大量減少模具的製作數量,以單一模具實現不同成品的製造。真空成型單元的組建及限制還有許多的研究空間,單一圖案紋理的製作在難度上小於大型的組合結構物,製作過程產生的細節及結構問題得經過不斷的測試才有適當的解決方案,期待未來真空成型在建築領域中扮演更重要的角色。
英文摘要 Mould has been playing an important role in the construction field, especially in architectural design and interior design. The objective of mould is to produce a mass amount of design production repeatedly whereas vacuum forming is one of the fastest methods. Compared to the conventional method, this research applies various digital making tools to carry out the manufacturing of mould, the processing method, the positioning and others. By using digital fabrication tools to increase the accuracy, the idea of making the mould into a parametric model can bring more application and diversity.

The application of mould in research is divided into three phases. The first phase: the research about mould by vacuum forming, which go through a series of experiments to study the machines for vacuum forming and the properties of PVC (Polyvinyl Chloride) with its limitation. The second phase: this stage is divided into a vacuum moulding pattern application model and PU (Polyurethane Foaming agent) foam infusion of soft mould. The former focuses on the design of the mould master and connects the finished products, whereas the latter studies the Lycra fabric and free form of perfusion using PE (polyethene). The third phase: the parametric model, which links the fundamental mould with the parametric concept and creates products using Rhino and Grasshopper to study the connection of relevant pattern and cutting of mould.

Based on the preliminary works and categorization in this research, there are three concepts of unit making by vacuum forming: the related phenomena, geometrical cutting, modular surface as three foundations of the wall structure. Through enlarging the units, they are tested with the vacuum forming machines to study their curve patterns as the reference of machines limitation. Final mould uses both applications of digital lathes and laser cutter, and its unit is interlace-grouped to reinforce the overall structure. Be it any processing method to work on the mould, the original idea is still inspired by the cavity. The future development of mould will proceed towards parametric design for manufacture, as it can reduce the amount of mould manufactured, as well as using a single mould to complete various production. Grouping of units done by vacuum forming still has its constraints and space for improvement. The difficulty of making a single pattern is lesser than the big structural group. And, the details and structural problems have to undergo a continuous experiment to find suitable solutions. It is wished that vacuum forming will play more crucial role in architectural field.
論文目次 第一章 緒論 1
1-1研究動機 1
1-1.1過往製造經驗 1
1-1.2參數化設計與數位製造 2
1-1.3數位製造模具 4
1-1.4真空成型經驗 6
1-1.5歷久彌新之參數化薄殼系統 7
1-2研究目的 9
1-2.1模具之模具設計與製造 9
1-2.2探討澆灌之輕化材料 10
1-2.3軟質模具 10
1-2.4環境與織理 11
1-2.5微建築 11
1-3相關研究領域 13
1-3.1織理性 13
1-3.2工業自動化 14
1-3.3構築 16
1-3.4形態學 17
第二章 相關知識與參考文獻回顧 19
2-1薄殼製造技法Digital Shell Design 19
2-1.1鑄型 Casting 19
2-1.2彎曲 Bending 20
2-1.3摺疊 Folding 21
2-1.4方殼 Gridshell 22
2-1.5晶格 Lattice 22
2-1.6互承/骨架 Reciprocal、Skeleton 23
2-1.7編織 Textile 24
2-1.8列印 Printing 25
2-1.9膜造 Membrane 25
2-2 研究材料選用 26
2-2.1 石膏 26
2.2.2 混凝土 27
2-2.3 PU(聚氨酯Polyurethane)發泡材 28
2-2.4 彈性纖維布料模具 29
2-2.5 PE塑料袋/PVC塑料板 30
2-3 相關創作者 31
2-3.1 Felix Candela 31
2-3.2 MATSYS 32
2-3.3 Heather Roberge 33
2-3.4 FORMFOUND 34
2-4 相關案例 35
2-4.1 MARS Pavilion 35
2-4.2 PWall(2009) 36
2-4.3 Rain Screen 37
2-4.4 Erwin Hauer Screen Walls 38
第三章 真空成型模具設計 39
3-1非參數真空成型模具 41
3-1.1模具一:連續漸進 42
3-1.2模具二:圖樣延續 43
3-1.3模具三:壓力測試 44
3-1.4模具四:銳角測試 46
3-1.5模具五:皺褶模具 48
3-2參數化真空成型模具 49
3-2.1模具一:旋轉參數 49
3-2.2模具二:牽連現象 50
3-2.3模具三:定位延續 51
3-2.4模具四:模矩參數 52
3-2.5模具五:深度參數 53
3-2.6 10組模具功能測試表 54
3-3複合式參數模具 55
3-3.1複合參數模具一 56
3-3.2複合參數模具二 59
3-4三維真空成型模型 60
3-4.1連續圖樣 60
3-4.2 Pattern Connection 61
3-4.3真空成型模型 62
3-4.4模型成品 63
3-5小結 64
第四章 軟質模具灌注設計 65
4-1 軟質材料灌注模具 65
4-1.1模具一: 拉力皺褶 66
4-1.2模具二: Cable壓模 68
4-1.3模具三: 雙曲線圖型 69
4-1.4模具四: 織理單元 71
4-2 Wall-1:Foaming Agent Casting 74
4-2.1灌注模具應用 74
4-2.2 PU Casting 76
4-3小結 78
第五章 真空成型牆體設計 79
5-1 Wall-2:牽連現象之結構 80
5-1.1單元模具 80
5-1.2壓模及組構 82
5-1.3牽連現象及模具框 87
5-2 Wall-3:幾何分割 89
5-2.1單元模具 89
5-2.2壓模及組構 91
5-2.3滿載曲線 97
5-3 Wall-4:模矩曲面 99
5-3.1單元模具 99
5-3.2壓模及組構 102
5-3.3曲面與凹凸 107
5-4小結 108
第六章 真空成型薄殼設計 109
6-1薄殼1 109
6-1.1單元模具 109
6-1.2壓模及組構 111
6-2薄殼2 117
6-2.1單元模具 117
6-2.2壓模及組構 119
6-3小結 123
第七章 總結 124
7-1研究目的檢討 124
7-1.1模具之模具與數位製造 124
7-1.2 PU發泡材與軟質模具 124
7-1.3構造物與微建築 125
7-2未來發展建議 125
7-2.1真空成型單元 125
7-2.2灌注單元 126
7-2.3模具之於建築 126
附錄 127
【圖、表目錄】

【圖1-1.1】電腦輔助繪圖系統 2
【圖1-1.2】參數化設計概念 3
【圖1-1.3】模具分類 5
【圖1-1.4】加法製造 5
【圖1-1.5】減法製造 5
【圖1-1.6】泰西封遺址磚拱構造 7
【圖1-1.7】奧爾維託機庫 7
【圖1-1.8】路思義薄殼雙曲面結構 7
【圖1-1.9】1958帕爾米拉教堂-2013 CIAB Pavilion 8

【圖1-3.1】蒸氣火車 14
【圖1-3.2】工業自動化 14

【圖2-1.1】 ETH Concrete Roof 19
【圖2-1.2】單元灌注 19
【圖2-1.3】結構破壞 20
【圖2-1.4】Bending + Lattice 20
【圖2-1.5】Folding 21
【圖2-1.6】鋁片摺體單元 21
【圖2-1.7】 Gridshell 22
【圖2-1.8】無交叉結構之Bending 22
【圖2-1.9】分段組構 22
【圖2-1.10】Lattice圓單元 22
【圖2-1.11】Reciprocal 23
【圖2-1.12】Skeleton 23
【圖2-1.13】Skeleton 23
【圖2-1.14】Textile 24
【圖2-1.15】Printing 25
【圖2-1.16】Printing 25
【圖2-1.17】Membrane鋼結構 25
【圖2-1.18】Membrane木結構 25

【圖2-2.1】Lycra彈性纖維 29

【圖2-3.1】Candela's Shells 31
【圖2-3.2】MATSYS Design 32
【圖2-3.3】Heather Roberge Design 33
【圖2-3.4】FORMFOUND Design 34
【圖2-3.5】六軸機器手臂輔助 34

【圖2-4.1】ABB手臂塑形 35
【圖2-4.2】接頭及模具外型 35
【圖2-4.3】KangarooModel 35
【圖2-4.4】彈性布料及模具木榫 36
【圖2-4.5】參數模型調整 36
【圖2-4.6】單元相接細部 37
【圖2-4.7】Screen Walls 38

【圖3-1.1】真空成型機 39
【圖3-1.2】真空成型機台細部 40
【圖3-1.3】Pattern Study 41
【圖3-1.4】模具一 - 爆炸圖 42
【圖3-1.5】模具二 - 爆炸圖 43
【圖3-1.6】模具三 - 爆炸圖 44
【圖3-1.7】模具四 - 爆炸圖 46
【圖3-1.8】皺褶概念 48

【圖3-2.1】模具一 - 爆炸圖 49
【圖3-2.2】模具二 - 爆炸圖 50
【圖3-2.3】模具三 - 爆炸圖 51
【圖3-2.4】模具圖樣定位孔 51
【圖3-2.5】模具四 - 爆炸圖 52
【圖3-2.6】孔位定位 53
【圖3-2.7】模具五 - 爆炸圖 53
【圖3-2.8】模具總覽 54

【圖3-3.1】Grasshopper 55
【圖3-3.2】Pattern 56
【圖3-3.3】Pattern 56
【圖3-3.4】參數漸變 56
【圖3-3.5】爆炸圖 57
【圖3-3.6】三組側邊定位層板 57
【圖3-3.7】成品圖 - XY軸向旋轉圖 57
【圖3-3.8】XZ平面旋轉之插條固定端 58
【圖3-3.9】XZ平面旋轉參數 58
【圖3-3.10】XY平面旋轉參數 58
【圖3-3.11】壓力擴散圓 58
【圖3-3.12】上-橫向強化 中-旋轉杆強化 下-真空吸引孔密度 59
【圖3-3.13】模具強化 59

【圖3-4.1】配置模擬 60
【圖3-4.2】Pattern延續 60
【圖3-4.3】Pattern對接 61
【圖3-4.4】CNC铣模邊界 62
【圖3-4.5】單元組裝 62

【圖4-1.1】模具一爆炸圖 66
【圖4-1.2】模具一爆炸圖 66
【圖4-1.3】軟材料尺寸 66
【圖4-1.4】單元接合圖 66
【圖4-1.5】操作與製造Ⅰ 67
【圖4-1.6】模具二爆炸圖 68
【圖4-1.7】軟材料尺寸 68
【圖4-1.8】Cable配置圖 68
【圖4-1.9】操作與製造Ⅱ 68
【圖4-1.10】模具三及爆炸圖 69
【圖4-1.11】操作與製造Ⅲ 70
【圖4-1.12】軟材料尺寸 70
【圖4-1.13】模具四 71
【圖4-1.14】下層爆炸圖 71
【圖4-1.15】上層爆炸圖 71
【圖4-1.16】單元組合圖 72
【圖4-1.17】皺褶單元 72
【圖4-1.18】操作與製造Ⅳ 73

【圖4-2.1】模具爆炸及說明 74
【圖4-2.2】Wall 1單元組裝及說明 75
【圖4-2.3】Wall 1單元灌注 76
【圖4-2.4】操作與製造Ⅰ 77
【圖4-2.5】操作與製造Ⅱ 77

【圖5-1.1】Pattern Study 80
【圖5-1.2】概念及細節設計 81
【圖5-1.3】模具細節說明 82
【圖5-1.4】單元組裝及說明 83
【圖5-1.5】單元組裝壓模 83
【圖5-1.6】操作與製造Ⅰ 84
【圖5-1.7】操作與製造Ⅱ 85
【圖5-1.8】成品展示 86
【圖5-1.9】牽連現象 87
【圖5-1.10】切割框 88

【圖5-2.1】Pattern Study 89
【圖5-2.2】單元分割 90
【圖5-2.3】單元製造說明 90
【圖5-2.4】單元壓模 92
【圖5-2.5】單元組裝及說明 92
【圖5-2.6】單元CNC铣模 93
【圖5-2.7】單元壓模 93
【圖5-2.8】操作與製造Ⅰ 94
【圖5-2.9】成品展示 95
【圖5-2.10】成品展示 96
【圖5-2.11】真空壓模最大有效範圍 97
【圖5-2.12】機台極限分析 98
【圖5-2.13】滿載曲線 98

【圖5-3.1】Wall 4單元模具爆炸圖 99
【圖5-3.2】單元模具最高與最低面 99
【圖5-3.3】Attractor排列 100
【圖5-3.4】資料轉換 101
【圖5-3.5】操作與製造Ⅰ 101
【圖5-3.6】單元組裝及說明 102
【圖5-3.7】操作與製造Ⅱ 104
【圖5-3.8】操作與製造Ⅲ 104
【圖5-3.9】成品展示 105
【圖5-3.10】成品展示 106
【圖5-3.11】壓模凹面 107

【圖6-1.1】Pattern Study 109
【圖6-1.2】單元細節說明 110
【圖6-1.3】單元組裝及說明 111
【圖6-1.4】單元壓模 112
【圖6-1.5】操作與製造Ⅰ 113
【圖6-1.6】操作與製造Ⅱ 114
【圖6-1.7】成品展示 115
【圖6-1.8】成品展示 116

【圖6-2.1】單元製造及說明 118
【圖6-2.2】單元製造及說明 118
【圖6-2.3】單元組構及說明 119
【圖6-2.5】單元組構及說明 119
【圖6-2.5】CNC單元铣模 120
【圖6-2.6】單元壓模 120
【圖6-2.7】成品展示 121
【圖6-2.8】成品展示 122
【表格1】模具定義 9
【表格2】真空示意圖 45
【表格3】真空示意圖 47
參考文獻 【書籍】
<< The Fabric Formwork Book >>
Mark West,2017,Routledge

<< Material Strategies in Digital Fabrication >>
Beorkrem Christopher,2017,Routledge

<<蚱蜢狂熱I:參數化圖形>>
湯天維、彭智謙,2015,淡江大學出版中心

【參考論文】
<<客製化數位製造輕型加工模具之研究>>
吳俊翰,2017,淡江大學建築碩士論文

<<陶瓷鶯歌–地方生活空間的材料構思>>
黃馨儀,2014,淡江大學建築碩士論文

<<數位模擬之材料實驗與製造>>
彭智謙,2011,淡江大學建築碩士論文

【參考網站】
https://www.archdaily.pe/pe

https://www.pinterest.com/

http://rhino.github.io/



【Case Study】
-http://a-baseman.com/index.php?/projects/between-the-sheets/

-http://www.danielcarper.com/index.php?/projects/satin-sheets/

-https://www.pinterest.com/pin/566398090627990979/

-https://www.archdaily.pe/pe/794684/los-mejores-proyectos-universitarios-construidos-por-nuestros-lectores-2016/57cca815e58ececab700028e-the-best-student-design-build-projects-worldwide-2016-image
【圖片來源】
圖1-1.2 https://kknews.cc/design/2q484or.html

圖1-1.5 https://furnituredesign.tw/2018/06/30/cnc-%E9%9B%95%E5%88%BB-3d-%E8%AE%8A%E5%9E%8B%E7%89%A9%E4%BB%B6%E6%9C%A8%E6%A7%B3%E7%9A%84%E8%A3%BD%E4%BD%9C%E9%81%8E%E7%A8%8B%E5%A4%A7%E5%85%AC%E9%96%8B%EF%BC%8E%E6%96%B0%E6%AF%85%E5%AE%B6%E5%85%B7/

圖1-1.6 https://www.architectural-review.com/essays/the-history-of-architecture-in-eleven-arches/8673174.article

圖1-1.7 https://www.researchgate.net/figure/Aircraft-Hangar-Orbetello-Pier-Luigi-Nervi-Nervi- Bartoli-1939-41-MAXXI_fig2_322744019

圖1-1.8 https://pongopix.pixnet.net/blog/post/133270033

圖1-1.9 https://www.bollinger-grohmann.com/en.projects.ciab-pavilion.html

圖1-3.2 https://kknews.cc/zh-tw/tech/gqgmnly.html

圖2-1.1 https://www.youtube.com/watch?v=Ki1EcBCurqc

圖2-1.2 https://www.youtube.com/watch?v=bsR_WRWkoV0

圖2-1.3 https://www.pinterest.com/pin/407223991281721036/?lp=true

圖2-1.4 https://www.arch2o.com/bend9-bending-active-design-pier-9-itke/

圖2-1.5 https://www.pinterest.com/uwen/conceptualemerging-modeling/

圖2-1.6 https://www.pinterest.com/yyj02017/

圖2-1.7 https://www.pinterest.it/pin/325033298089437001/

圖2-1.8 https://www.pinterest.com/robbie030666/bamboo-architecture/

圖2-1.9 http://www.huftonandcrow.com/portfolio/

圖2-1.10 https://kknews.cc/zh-tw/other/535k3z2.html

圖2-1.11 https://www.pinterest.com/bamboocenter1/bamboo-artstruct/

圖2-1.12 https://www.pinterest.com/pin/57772807695440493/?lp=true

圖2-1.13 https://www.arch2o.com/dragon-skin-pavilion-students-of-tampere-university-of-technology/

圖2-1.14 http://bbs.zhulong.com/101020_group_300185/detail19209449/

圖2-1.15 https://futurism.com/meet-the-worlds-largest-3d-printed-structure

圖2-1.16 https://3c.yipee.cc/8195/%E6%A3%AE%E6%9E%97%E4%B8%AD%E7%9A%84-3d-%E5%88%97%E5%8D%B0%E8%A3%9D%E7%BD%AE%E8%97%9D%E8%A1%93%EF%BC%8C%E4%BC%B4%E4%BD%A0%E4%BA%AB%E5%8F%97%E7%99%BD%E6%97%A5%E8%A3%A1%E7%9A%84%E5%AF%A7%E9%9D%9C

圖2-1.17 https://www.pinterest.com/joyjinjuta/

圖2-1.18 http://www.belina.hr/en/textile-architecture/

圖2-3.1 https://www.pinterest.com/photohp/felix-candela/

圖2-3.2 https://www.matsys.design/chrysalis-iii

圖2-3.3 http://murmur-la.com/

圖2-3.4 https://www.formfounddesign.com/

圖2-3.5 https://www.formfounddesign.com/

圖2-3.6 https://www.formfounddesign.com/palm-springs-pavilion

圖2-3.7 https://www.formfounddesign.com/palm-springs-pavilion

圖2-3.8 https://www.formfounddesign.com/palm-springs-pavilion

圖2-4.1 https://www.matsys.design/p_wall-2009

圖2-4.2 https://www.matsys.design/p_wall-2009

圖2-4.3 http://a-baseman.com/index.php?/projects/between-the-sheets/

圖2-4.4 https://www.interiordesign.net/articles/14382-erwin-hauer-celebrated-sculptor-of-architectural-screens-dies-at-91/
論文使用權限
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