2012年11月9日 星期五

鋼彈模型--講究的製造業(三)

譯自:http://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/0908/12/news067.html


(三)鋼普拉沒有2D工程圖

原作:小林由美(IT MONOist雜誌) 2009/8/12


[前言]剛彈塑膠模型(簡稱「鋼普拉」)的設計/製造世界,其實擁有了和家電或工業機械很不一樣的設計思想或文化。所以我們想藉由這種獨特的主題來改變一下和平常不一樣的視點,搞不好可以幫助大家獲得製造上的靈感喔。

本篇將要以製品設計小組的業務為中心來說明(其他的部分請參照第一篇第二篇)。在萬代模型玩具事業部中,也是有效利用3D CAD來進行設計,但關鍵的資料與作業卻不見得都是數位化的產物,也會採用類比式的作業或設計流程。

本篇的專題,也還是要請到萬代模型玩具事業部製品設計小組經理的大榎直哉先生登場來說明。



雖然是使用3D CAD...

我們在第一篇也 說明過,在新的鋼普拉系列開發開始之前,首先會有卡通製作來源的Sunrise(日昇動畫)公司送來機體(Mobile Suits)的設計概念給模型玩具事業部。這是鋼普拉設計的大前提。而這些設計構想圖樣通常都不是數位化的檔案,幾乎都是手繪的草稿。有時這些圖樣是已經 著好色了,有時則沒有。所以設計的起點就是從這些類比式的資料開始的。雖然可能很囉唆,但還是要強調一下鋼普拉的設計,就是要「忠於卡通設定」。所以這些 設計圖樣,可以說就是接下來所有設計製造流程中不可變動的絕對存在。(譯註:曾經有綜藝節目請來藝人手繪想要創造的機器人草圖,丟給萬代去實作,而他們也 能根據這樣亂七八糟的草圖做出藝人心目中想要的機器人模型)

萬代模型玩具事業部製品設計小組經理大榎直哉先生

首 先,企劃開發小組要定出產品概念。根據這個概念,製品設計小組要和其他小組進行多次的討論,整理出設計基礎部分或機關(機構構造)的概要出來。由於卡通的 設定中已經訂出了機體的外觀尺寸與重量,設計小組就要以此為基準來縮放模型的比例。大榎先生說:「雖然開發與設計的負責人都很清楚塑膠模型的製造工程,但 在設計構想的階段中和模具/生產小組的討論還是不可或缺的。因為畢竟鋼普拉是在非常緊密限制條件下所製造出來的。」

根據上述的內容,這些設計概念或外觀圖樣、零件構成圖必須要在進入正式設計前的階段就完成。大榎先生說:「這些幾乎都是用手繪來製作的」。就靠著所謂的「草圖」,就要畫出鋼普拉零件構造的分解圖(用立體視角畫出來)或是排在框架中的零件圖。此時所畫出來的框架配置圖,就像第二篇所說的一樣,是把組裝順序或是框架中零件分配的空間放在塑料流動性之上來優先考慮畫成的。

在這個零件構成圖中,每個零件都會被標上編號。這些編號直到工程的最後階段為止都會存在。大榎先生說:「這些編號是暫時性的號碼,最後會換成給模具單位用的編號」。這些零件構成或編號,在之後的驗證中多少都會做修正變更。

根據以上的資料作出鋼普拉整體的3D CAD模型後,就會拆出各個零件圖來。此處必須要進行零件組裝時手腳形成、機關(機構)驗證以及強度確認等項目。

製作鋼普拉的3D CAD模型

在製品設計幾乎完成時就會進行設計審查(Design Review,DR)。這個設計審查會議往邀請「客服中心」或品質管理負責人等與鋼普拉相關單位的負責人一起來參加。然後再根據從這個會議中所得到的全面性角度的建議,進行設計上的修飾。

設計完成的3D模型檔案,就會傳給模具加工單位,讓他們可以利用這些檔案做出NC加工或線割需要的檔案格式。大榎先生說:「我們會做出零件檔案表來整理這些3D CAD所製作出來的模型名稱與編號」。

也許您可能已經注意到了,在以上的流程中完全沒有出現2D圖面的部份。也沒有產品完成後檢查的部分。(譯註:一般在3D模型檔案完成後,還會做出2D工程圖。這些工程圖上會標註尺寸公差、外觀標準、加工說明等內容,給模具製造商與品質檢測單位做參考)

大榎先生說:「我們不使用2D圖面檔案,也沒有單獨輸出的零件圖面或組立圖。這些零件只靠著零件檔案表來管理。雖說如此,為了讓其他單位能夠掌握產品的全體面貌,我們會把3D CAD的電腦圖像直接印出來代替2D圖面。這個代用圖面中也只有組裝之後的最大外觀尺寸而已」。

總之在該事業部中,就是要把「把企劃或設計的意圖明確地傳遞到所有的工程中」當作重點,然後將設備或資訊工具的功能利用到極致,並且省略一切多餘的作業與流程。

不過,以前還是有2D工程圖的

1990 年代後半(大約十年前)是3D CAD軟體剛在設計製造業中普及的時代。而在鋼普拉的設計開發領域中,也是在這一時期開始檢討是否要把3D CAD導入以及設計業務的切換。當時的鋼普拉,還是用根據JIS規格所寫成的2D CAD來繪出圖案並進行設計,並且用2D CAD來開始繪製設計圖面,再根據這些2D圖面來進行製作3D檔案的作業。(譯註:當時一般的業界大致也都是用這樣的方式,先用2D CAD→通常就是AutoCAD來畫出組合圖與零件圖,再由模具單位自己做出加工需要的檔案)

能 用3D CAD做出模型檔案而能讓模具加工使用是製造業界的一大進步。然而,由於2D CAD檔案在模具加工時還是用得到,所以2D的圖面資料還是必要的。不過到了現在,NC資料、線割用的輪廓資料、或尺寸等資料都可以靠模具加工單位從3D CAD檔案中自己抓出來了(參照第二篇的說明)。因此設計單位就沒有必要準備2D的線資料檔案,也不需要做2D尺寸圖面了。至於理由,下面會再說明。

對於重視形狀外觀的鋼普拉設計來說,使用3D CAD來製作模型檔案是使鋼普拉系列產品進化的絕對必要條件。

然而,當設計流程全體都改成3D化之後,設計出來的形狀更加複雜、檔案與資料的大小也跟著膨脹起來,讓2D圖面越來越不能完全表現出設計意圖。而且,尺寸也變得標不完了。因此輸出2D檔案或資料就變得沒有意義,就在設計流程中完全排除了。

在通常的設計圖面中也會有組立圖,並且通常還有一套對應這張組立圖上標註零件號碼的零件圖與零件表,在該事業部中也沒有這樣的工作方式。

這 是因為本來鋼普拉就沒有在工廠組裝的工程,當然也就不需要給工廠用的組裝說明書了。如果想要知道零件構成的話,只要參照前面說明過的手繪構想圖就可以了。 就算需要修正,也是直接畫在這個手繪圖上。在知識共享的製造現場中,能夠用最小必要的輸出資料達成明確傳達設計意圖目標是非常重要的。

何 況在規劃草圖階段中使用2D CAD也沒有任何好處。這些圖面也許需要其他設計以外的部門來確認,但使用手繪草圖或用3D模型來呈現立體形狀給這些人看還比較容易了解才對。現在的3D CAD軟體在操作上雖然變簡單很多了,卻還不到可以用類似手繪打草稿的感覺。所以在設計初期階段中要畫規劃草圖時,還是直接用手繪比較輕鬆。根據他們的說 法,用最少的工具就達成設計意圖的共有化,然後再用3D模型來把細節的部份塑造出來才能降低作業上的壓力。


鋼普拉的尺寸檢查

至於不需要2D圖面的另一個重要理由,則是鋼普拉的尺寸檢查基準,對一般製造業來說是非常特別的。

在一般製造業的設計中,外型尺寸會盡量弄成是整數,或者把小數點以下的位數盡量弄成最少的位數。曲線的尺寸也會用標註R的方式來管理。這樣做的理由非常單純,就是這種方法可以簡單訂定出量測基準,在量測尺寸時,也很容易管理得到的量測結果。

但 這種作法對該公司的鋼普拉來說,就不適用了。因為重視形狀外觀的關係,曲線幾乎都是雲形線構成的(譯註:不是單純固定R值的圓弧),這樣就會使外觀尺寸幾 乎都是帶有許多小數位數的數值。特別是對於設計意圖已經固定下來的鋼普拉來說,如果用普通的製圖法來畫,就會變成非常複雜的圖面,而且也沒辦法完整表現清 楚。

然而這樣的話,又該怎樣來進行尺寸檢查呢?

其 實本來鋼普拉就不會用數值去進行尺寸檢查。其檢查基準不是數值,而是「樣子好不好看」與「組裝或動作的感觸」。不過,這就不是誰都可以進行客觀判斷的要素 了。如果只有加上顏色的圖片或3D模型等虛擬要素或數值的話,想要對只有視覺上的資料、需要靠人類纖細觸覺來掌握卡扣關節動作感覺等特性來做檢查,是非常 困難的。所以還是乾脆做出實際的產品,用接觸實物的的方式來進行檢查評價才是最佳的方法。

以前他們也會製作試作品。這些試作品是用蠟像或用切削加工做出來的,但這樣會花費很多金錢與時間。現在,該事業部則是買了兩台使用光硬化樹脂的3D印表機。然後就用這兩台印表機直接把設計的東西「列印」(譯註:其實是堆積出來)出來。如果有必要的話,之後也會塗上顏色。

註:3D 印表機是一種造型製作機器。它會將樹脂或石膏一點一點噴射出來,然後在高度方向上慢慢層層堆積成想要的造型。萬代公司使用的是光硬化樹脂型的版本。至於光 硬化樹脂,如字面所示,就是一種照光上去會硬化的塑料。(譯註:其實不只是萬代,現在一般製造業界的設計部門中,也都會有一兩台的3D印表機)

大榎先生說:「就好像在紙面上印出圖面的感覺,我們每天都會不停地使用3D印表機來做東西。其材料費用當然是不便宜,可是對設計者來說,這樣可以做試作品做到滿意為止來做驗證,其好處可就更大了。」

萬代的3D印表機與試作品

由於可以在設計階段就做出很接近實物的是作品來驗證,在模具製造工程中就可以將需要修改的地方降低到非常少。也能夠大幅度縮短模具製作的時間。

大榎先生還說,如果拿到這樣實際的東西的話,就能獲得比以往更多的改善需求。

對於構造本身的動作等評價,會根據評價要素來區分試作品的製作。在進行造型設計時,會選擇接近實際射出成型塑料的光硬化樹脂來製作。偶爾也會需要用切削加工的方式來製作試作品,以進行動作的驗證。

大榎先生說:「不過,這不過就是試作評價而已。即使能評價出構造本身是否可行,對於卡扣關節這種順與不順等項目的最終評價,還是要等實際成型品做出來後才能進行驗證。」(譯註:畢竟3D印表機使用的材料和真正的塑膠成型材料在強度、硬度、耐磨耗等特性上還是有相當差異的)

對 於卡扣或關節機構的感觸,就像第二篇所說明的一樣,只能靠試模時一個地方一個地方來慢慢調整。也就是說,這樣的調整也是圖面上無法數值化的資料。只不過, 為了將這個調整作業降到最低,還是會把當作是最後調整的間隙設定等尺寸項目給規格化。「樣子好看」、「卡扣或關節的絕妙感觸」是用人纖細的感覺來做為評價 基準,是不可能數值化的。

追尋詳細設計的方法

鋼 普拉中也有各式各樣的種類存在,其中HG(High Grade)系列是忠實表現從卡通設定中所表達出來的表面外觀形狀的系列;而MG(Master Grade)系列或PG(Perfect Grade)系列則不只是忠實地將外觀要素具體化,還設想出其內部的構造,是設計與開發重重考慮過機構與機關的系列。當然,這常常包含了卡通設定中也沒有 明確定義出來的資料。

在鋼彈的卡通世界中也有時代的變遷。其中也會出現技術的進化、流行與廢止的現象。其中還有不是沿著單純的時間軸進行的異次元世界,也就是所謂的平行世界的系列。特別是在製作MG或PG等有內部機構的系列時,忠實遵守這些複雜的設定也是設計的鐵則。

大 榎先生說:「在開發鋼普拉時,就必須要熟知卡通的世界觀。『Mobile Suits』中,存在有衍生機種、量產型機種 、陸用、水中用、還有專用機(像夏亞專用機等等)有各種不同的變化形態。在卡通中,例如『薩克』也會隨著時代的潮流跟著進化。所以我們要想像出實際機體開 發的系譜,然後沿用共通的部分,並且加上該機種固有的零件、進行改良。像這樣的過程要在鋼普拉上重現出來時,可是要非常小心注意的部分。」

機 體如果要在空中飛的話,這個空中到底是在大氣圈中呢?還是在宇宙中呢?.....航空與宇宙在設計概念上可是非常不同的。要把這些機體的特徵重現出來,就 要參考實際的東西,來調整外觀形狀。可是這樣的話鋼普拉的設計/開發成員為了做出這樣的細節部分,不就需要網羅精通火箭工程學、軍事工程學、航太工程學等 所有技術領域的專門知識了嗎?

大榎先生說:「這當然就太困難了。我們雖然是塑膠模型的設計專家,但並不是武器或飛機的專家。不過,我們的確是會收集一些技術資料,拿來做參考啦」。話又說回來,在他們部門內非常喜歡這些領域、至少會作為興趣程度上非常熟悉的人,似乎不少喔。

其 實,在他們所擅長領外以外的部分也有很多各種外部領域的智囊來協助他們。例如進行機體上的輔翼形狀是否正確的驗證時,也會去找汽車製造大廠的流體力學設計 部門來討論。大榎先生說:「塑膠模型或是玩具專門的智囊團其實並不大。所以也都只有去找跟玩具產業差異很大的不同行業了。」

當然,能把實際的機體縮小尺寸而具體實現的技術,可是塑膠模型專家的該事業部的獨門功夫。這些塑膠模型的專家們,是在智囊團的支撐下,才能追尋出更加詳細的細節而忠實具體實現了鋼普拉的比例模型。

在追尋機體細節的過程中,也一定會出現卡通設定和實際設計矛盾的情形。也可能會出現不符合製造要件的部分。當出現了不管怎麼嘗試也得不到好結果的時候,就要確實根據理論,來修正調整設計提案。當然,想要讓卡通設定去配合調整是不可能的。

最近,他們最耗費心力的工作,據說就是最新版的鋼彈系列「機動戰士鋼彈00」中的「鋼彈Exia」機體。這個Exia是機體纖細而具有很大可動範圍的機種,其動作要細到連腳趾頭都會動的程度,而具備了可以承受高度的動畫技術所做出來的纖細姿勢的機構。


左邊是第一代的鋼彈,右邊是Exia:大家可以比較一下指尖的形狀。

從鋼普拉中可以學到的東西

鋼普拉的製造流程看起來可能是很理想,但也有相當獨特個性的部分。所以這不見得適合所有的製造業的設計。如果是關連到人命的產品、或是必須有組裝工程的產品,當然就會有不符合他們流程的部分出現。

最後我們想要整理一下在一般製造業中也能共通適用的「從鋼普拉中學習」之內容:

  • 不拘泥於成見或世間的常識,而是把顧客、產品以及與設計相關的所有成員「看得最重要」的考量。
  • 仔細考慮過各式各樣的要求之優先順序,然後選擇出真正必要的部分。(譯註:另外一個代表性例子就是日本的零式戰鬥機)
  • 一面使用最新的技術,一面認真地追尋其極限所在。如果是適合手工來做的部分,就用手工來做就好了。
  • 採用了可以進行緊密溝通的部屬構造
  • 確實準備了教育訓練的制度,對於培育新人也豪不放鬆
  • 職場上的外表環境,也是提升工作者工作動機的重點。

不容易進行自動化的專家工匠技術,也就不容易模仿,換句話說,他們就成為了對手或海外競爭廠商無法抄襲的黑箱技術。不過,這些經驗與直覺的資料必須要好好管理,而且未來可以持續確實地教導新人,則是要能這樣做的先決條件。(完)