世界第一 能夠運轉的3D列印陀飛輪
Jan 14, 2016
最近在HODINKEE看到了一篇由紐約鐘錶協會副理事長Nicholas Manousos所撰寫的文章，內容主要在介紹瑞士軟體工程師Christoph Laimer的第一只3D列印陀飛輪，以及採訪。Laimer本來只是出於實驗性質，沒想到能成功，未來或許也會投入3D鐘錶列印事業。目前這只陀飛輪的模型程式可以透過3D列印網站Thingiverse下載，一般人也能自行列印。
陀飛輪，這個200多年前的發明竟然能以3D列印的方式呈現實在不簡單；更令人驚訝的是這只陀飛輪能夠上鍊、調時間，還能帶著走（尺寸太大無法佩戴在手腕上）。雖然時間不是很精確，動力儲存只能走30分鐘左右，但是能以一般消費者負擔得起的3D列印（使用Ultimaker 2的3D列印機）來列印整只陀飛輪，包括齒輪、擒縱裝置、錶殼，甚至是平衡游絲與主發條都用印的，這樣組成的陀飛輪還真的能運作起來，真是前所未見。所有列印資源都開放免費，Laimer也真是佛心來著。
考慮到零件的功能性，這只陀飛輪還是有些小地方沒有使用3D列印，像是齒輪軸和螺絲、墊圈。這些非列印出來的零件也是必要的元素，因此被3D列印社團裡面的人稱為維他命（Vitamin），這就像是人體必要的元素一樣。
Christoph Laimer為何能克服Nicholas先前所遇到的問題呢？主因就是他將齒輪以垂直的方式排列，而不是一般水平的方式安排，而且改進了傳統的輪軸設計。
一般3D列印必須考量的就是平面（X軸／Y軸）與立體（X軸／Y軸／Z軸）， 大部分的3D列印只能做大零件，如果按水平方式排列輪系，面積會變得太大，因此Laimer就改成垂直的結構，這樣一來陀飛輪就在主發條盒的正上方。採用垂直結構其實還有歷史意義，早期機械鐘的機芯也以垂直的形式排列，像是芝麻鍊的寶塔輪，或是早期的冠狀擒縱裝置（Verge Escapement）幾乎都從平面向「上」發展，但是這種設計很難融入後來扁平式的機芯結構中。現在製錶業已經習慣腕錶機芯的扁平輪系設計，用這種概念去做3D列印陀飛輪是很難成功的。
在一只機械腕錶機芯中，我們都很熟悉以人造紅寶石來當作軸承，它堅硬的表面降低了磨擦損耗，Laimer卻捨棄這種傳統作法。他使用不鏽鋼作為擒縱裝置的中軸，這給予機芯結構更大的支撐力量與更少的重量；中軸穿過擒縱輪和擺輪中心，形成一個同軸裝置，整個同軸裝置繞著中軸旋轉（中軸不轉動），而不是像傳統一樣齒輪與輪軸同步旋轉動；也就是說中軸只發揮固定同軸裝置軸心位置的功能而不旋轉，所以沒有傳統軸心、軸承損耗的問題。Nicholas之前沒有成功的3D列印陀飛輪，主要是因為使用了滾珠軸承與傳統輪軸，如此一來讓Nicholas的陀飛輪比Laimer的來得重，也必須花更大的動力來讓它運轉。中軸如果也用3D列印來製作的話，可能很快就會折斷了，所以用了不鏽鋼。
這個3D陀飛輪並非Laimer的第一個3D列印鐘錶作品，第一個作品是重達1.2公斤的壁鐘，以下是Nicholas訪問Laimer有關它對於這些計畫的發展過程以及未來的計劃。
你是從哪裡來的靈感將機芯垂直排列？
這個設計來自對稱，我喜歡擒縱輪與太陽齒輪 / 行星齒輪（sun-gear）的搭配，而錨型擒縱叉就像繞著太陽轉一般。因為使用了同軸擒縱輪，減少了陀飛輪物理上的慣性，而反向重量只需用來平衡擒縱叉與太陽輪。除此之外，讓3D列印社群能容易獲得無法列印的零件也十分重要。
你是手錶製造師嗎？還是待在鐘錶製造業？
我不是手錶製造師，我之前是讀電子工程相關科系，並且在電腦科學領域有18年的實務經驗。我有一個小組，專門研發給生命科學產業的軟體。我現在暫時休息一下讓自己有時間來發現一些有趣的事物。
除了錶殼使用PETG（聚對苯二甲酸乙二酯）作為材料外，其他所有列印的材料都是PLA（聚乳酸，一種常見的3D列印塑料）嗎？
對，主發條我則是使用這兩種材質各做一個版本，雖然都不理想，然而我也很驚訝能夠運轉五分鐘。我們或許還會在嘗試其他材質。
是什麼事情啟發你將鐘錶印用在3D列印上呢？
當我買了人生中的第一台3D列印機時，我意識到許多人都設計愚蠢的東西，而我希望設計的東西是有用的，因此我開始替我的小孩製做樂高齒輪。最後我將這些中空軸的輪系印出來給三針（秒／分／時）時鐘使用，當時做出來的時鐘“只有”擒縱裝置有問題。那時我就有了鐘是活的這種認知，也因此讓我決心買一台3D列印機。
你的下一步是什麼？
我的家人認為我別再玩了，然而我還是非常喜歡透過3D進行複雜的機械設計，也非常渴望尋找新的專業。或許設計並列印3D鐘錶可以是未來的工作？我在想假如我買0.25mm的噴嘴，假如0.3mm的齒輪能夠被印出，讓我能製造出更小的鐘錶。假如我能用真的不鏽鋼作為發條，而不是塑膠，這些假如成真的話或許我就真的能印出一只能夠正常運行的鐘錶。目前這些想法還很模糊，仍在醞釀中。
3D列印被視為探知未來產業趨勢的新領域，而實際上，現在的發展已十分迅速。將古老的機芯結構以這種新奇的方式呈現是很有趣的一件事。Laimer正計劃要將印出來的一系列陀飛輪販售給那些沒有3D印表機的人，有趣嗎？趕快連絡Laimer吧！
Christoph Laimer 的Linkedin：https://goo.gl/z0G2Ye
本文編譯自hodinkee.com；原作者Nicholas Manousos
