建立精細木工技巧──CNC切割面板

八月 12, 2014
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自從我在1999年第一次看過Nomadic Furniture雜誌之後,我就一直在探究各種扁平的原物料拼接在一起的方法,這是早在現今讓製作這些零件變得非常容易的工具——CNC工具普及以前的事了。現今社會許多人設計模型、專題、外殼、雕刻、家具和各種新奇的物件所需要的零件都必須由雷射切割機和CNC雕刻機製成,所以我一直期望有人能組織其箇中竅門然後撰寫出一部鉅作,或架設一個造福大眾的網頁。很可惜,到現在我還未找到這樣的東西,或許是我錯過了,也或許這篇文章可以做為出發點。不論如何,我想現在是向大家展示我的檔案的時候了。

在討論這個題材之前,我想先向這個擁有深遠傳統的精細木工業致上我的敬意。我絕不敢奢望這裡所提到的事物有任何一點本質是全新的。不過我認為有必要為那些使用CNC工具(在扁平狀的原物料製作互相連結、自行對正或可拆卸式的接件,例如合板或塑膠面板)的小眾群體整理這些訊息來傳達他們的需求,或者啟發他們。

我或許會不慎誤用、濫用到某些詞彙,希望深諳傳統精細木工的人能夠不吝賜教。一般情況下,我都儘量使用描述性的語詞來形容而不會使用精確的名詞來表達,以避免不必要的誤解,但多少可能還是會犯些張冠李戴之誤,敬請見諒。

為了簡化一切,首先我想先針對兩個面板間的接件來討論,而且技術面只以一刀切割為限;再者,接件須垂直於原物料的平面。若想知道這個主題可以多麼複雜精深,而且毫無限制,可以參考Jochen Gro50個數位木製接件專題。下圖為一些專題中範例,不曉得有沒有符合你的胃口。

我刻意在這篇文章只考慮非常特定的例子:僅含一兩個零件、沒有任何部分深淺切割(一刀切割)、接件與原物料表面呈90度角的切割。儘管題材有所侷限,但其實可能性仍然很多。
雷射切割機和旋轉切割機的比較內側切割角問題

初階的雷射切割機和CNC雕刻機各有千秋,很難去比較優劣。雷射因為切口比較小,能切割出比較精細的紋路,價格比較昂貴,無法像雕刻機做到部分深淺切割或鑽穴的成效;而且因為加熱的關係,雷射有可能將物件的基底燒毀,甚至釋放有毒氣體,不過燒痕有時也能夠拿來作為裝飾。CNC雕刻機可以換上各種尺寸的鑽頭,能夠切割複雜的表面、斜接面甚至是特殊的輪廓線都能迎刃而解。

由於雷射切割機的口徑比較小,所以可以在物件內側切割出尖銳的直角;然而旋轉切割機是使用機械性的器具,會受限於機臺的半徑,所以切出來的內側角度沒辦法那麼精細。

如圖,雷射切割的版本有著精確的90度角,適用在簡單的邊對接接件非常理想。
旋轉切割的版本卻無法適用簡單的邊對接接件。弧形的角會讓木塊在組裝的時候卡在弧形處而無法吻合。在一些不講究的應用上當然可以將凹槽鑿得深一點,但是這種做法會讓中間留有空隙而且會讓壓力集中在弧形角的地方。有個更好的解決辦法,如下圖所示:
在弧形角的兩邊再向旁邊鑿得稍微深一點點,這樣至少可以讓兩塊木板在組裝的時候在內切面可以吻合,不過接件還是可以看到這兩個另外挖鑿的空洞。如果這些空洞會讓你感到困擾的話,你也可以用夠窄的切割機這麼作:
在弧形角的下緣往下再鑿深一點點。個人淺見:平均來說,這個方式是最好的折衷方案。兩個多鑿的弧角空洞之間小小的平坦區塊可以讓木塊緊密地貼合,而且被隱蔽在接件中間,不太容易看到。

說明方便,以下將提到的接件皆以雷射切割為前提,不過它們全部都能以上述所供方法透過旋轉式切割適用。

偏誤

很多接件都是設計成對稱的,所以不限於一種組裝方式。以上圖的接件為例,就有兩種接合方式(如果從下方組裝也算的話則有四種)。哪一個是正確的?
通常為了讓零件只能以一種方式,或至少以更少種方式組裝,甚至是更明顯正確的方式組裝,都會刻意將接件做得比較不對稱。雖然零件還是有可能以不正確的方式組合,不對稱的設計會讓比較奇形怪狀的組合被我們直覺認定為錯誤的組裝方式,因為零件的邊緣會沒辦法對齊。

這個技巧在面對複雜結構的時候是很好用的,特別是用在零件組裝上,因為它能避免使用者裝反。我會稱這樣刻意被製成不對稱的接件為「偏誤」。

X型接件(十字接件)
圖片所示是一邊有卡合式設計的邊對接基本接件。卡合的倒鉤可以從接件的尾端自行製成。需要拆除的時候,可以用一字型螺絲起子稍微撬起,就能拆卸重覆使用了。
如果增加卡榫並把開放式的凹槽改成封閉式的話,卡合這個動作本身就會變得不可逆。要特別注意的是,兩塊物料都有可能有倒鉤和卡榫,這裡的圖示只有一邊才有,是為了方便解釋。
以凸點取代倒鉤的話,卡合結構就會變成一個擎止機關:零件可以在特定的地方卡合,若施以足夠的力道就能卸除。
擎止機關不限在一個地方卡合,可以依需求設計多個卡合處,以便調整卡合的程度。
這裡介紹一個特別的X型接件,運用的是徑向旋轉組合的方式。
偏誤的設計應用到這種X型接件的可能性也很高。左圖有個尚未組裝的接件,可以看見中間的設計絕對不對稱;中間的圖示是以對的方式組裝完成的樣子;右圖則是以錯誤的方式組裝完成的樣子。
上鎖、擎止機關都可以另外裝設到上面的固定式組裝物件上…

图片

…或者是這裡所看見的旋轉式組裝物件上。以這個例子來說,卡榫的形狀是鉤狀還是弧狀都不會影響,只要卡榫能扣到凹槽,它就很難被取出來。如果卡合的設計可逆的話,則將凹槽和卡榫向外移動到物件的邊緣。

最後,在十字接件的例子中,如果有組件比別塊窄或薄的話,就能夠進行全寬凹槽的處理:

這樣的接件是很有用的,特別是用在像架子這種運用地心引力讓物件自然接合,垂直架設的裝置,也可以做出偏誤的設計或者改良為以下將介紹的T型接件。

 T型接件

這裡有一個簡單的凸榫和榫眼」結構的接件。我們可以將凸榫和榫眼分為兩個凹槽和兩個凸起部分(或者,我們想分成再多的凹槽和凸起部分都可以)。如果我們破壞了凹槽和凸起之間的對稱性,接件就會形成偏誤。或者如果我們能夠將凸起的部分切割成在插入物料的厚度之後還能再延伸一點點距離的接件,我們就能輕鬆地加裝扣合或擎止機關在凹槽零件的遠端處。

現在可以開始介紹用在平面上的拴緊裝置了。這個矩形螺絲螺帽裝置時常被用在標榜CNC切割的商業零件產品上,比方說Phlatformer真空樣板套件和幾個知名的3D印表機套件上。
這個特別的結構不久前還是一個網路有關專業術語爭辯的部落格的主題,即便我認為他們還沒有達成任何共識。有趣的接件還包含拴緊式接件、床架接件還有Pettis接件(我個人的最愛,因為它遵守史提格勒命名法則Stigler’s Law)。)

應該可以確定的是,在這樣的精細木工作業當中,金屬扣件和其他尺寸的一般硬體要組合起來一定還有我還未看過或尚未被發明的方法。

L型接件(角型接件)
顧名思義,這樣的設計會讓凹槽和凸起部分以90度角接合,是非常傳統和最基本的方法。大部分的人稱這種方式為「箱型接件」。L型接件也可以透過破壞對稱性來達到偏誤。
當然,它也能為螺釘、螺絲栓緊式的接件做處理。

 V型接件(斜角接件)

除非拴緊式接件在兩個零件彼此互呈90度角的情況,不然沒辦法組合在一起。儘管如此,通常L型接件都還是能夠在銳角和鈍角的角度上組合。
用這種方式接合的話,凹槽的底部就不能再和物件表面緊密地結合,不過如果可以用其他方法像膠水或第三塊物件輔助對齊(如圖右)的話,其實也無妨。

Sebastien Wierinck曾在Chair Model 01專題用過這個方法的變化形式──讓接件的接腳改為弧形,如下圖所示。
我相信Sebastien有使用大頭針沿著每個接件的軸心穿透兩組組合的接件來固定,這種方法需要一點平面外的鑽孔操作,所以不在我們的討論規則之內。這些接件是一定可以用膠水黏著的,雖然可以讓弧形接腳看起來更美觀,但是會減少黏著劑能夠使用的表面積。

I型接件(共平面接件)
這裡有個經典的範例,「爪型」接件讓同一平面的物件可以上膠黏合。
燈泡狀接件的張力讓它不太需要仰賴膠水的黏著。如果不上膠而需要使用這樣的接件時,當然就需要一些方法讓兩塊物件維持在同一平面。以下是一個燈泡狀接件的變化方式,可以作為平面內樞紐:
我習慣稱呼它為Kanelba樞紐」,因為我唯一看過的它的地方只有在1984Popular Science雜誌第67期得獎合板專題中,紐約George S. Kanelba的「Cube Desk」專題有使用過。
Kanelba樞紐能以「菊鏈」的方式連結形成長條狀,樞紐本身還能夠在非90度角的情況停止,不會拘泥在特定的角度。

折曲裝置

嚴格說起來雖然不能算是接件,還是可以透過一類CNC的技巧來達到我們設定的標準(一兩個零件、90度角、一刀切割),如此一來我們就能運用面板材料本身的彈性去製作活動樞紐、彈簧或動態折曲裝置。我們已經在前文綜合討論了幾個折曲裝置像卡榫、擎止裝置等。

裝置會架設面內彈簧或活動樞紐,有點像利用切口、切痕折疊的結構,但是切割會更佳完整。如果活動空間沒有受到平面限制,這樣的設計會使物件非常不穩定。以下還有一個面外折曲更加理想的方案:
這就是小有名氣的Snijlab活動樞紐技巧(我認為它應該要被稱呼為sninge),一種形似手風琴的折疊式剪裁,可以穩定面外的伸縮,通常都被用在雷射切割的合板,不過也沒有理由說明它沒辦法用在以CNC研磨的合板或者其它材質上。以雕刻機製成的sninge需要切割的長度會比較長,才能達到和雷射切割一樣的角度、彈性,因為雕刻機的凹槽必須要比較寬使然。
最後介紹的是這個奇特的垂吊式螺旋技術,來自PlasmaCAM好夥伴的好主意。這個螺旋是CNC電漿切割機將鋼鐵切割製成的,同樣的方法也可以用雷射切割機或研磨機在其他材質上製作。

總結

精細木工很明顯地就是一門博大精深的學問,這篇文章所討論的部分只能觸其皮毛。重新整理、編譯的過程,更是讓我靈光閃現,湧現更多的變化和主意,我相信你們也都會有同樣的感受。再一次說明,遊戲規則很簡單:一刀切割、與物件成90度角、只牽涉一兩個零件。我錯失了什麼聰明的方法嗎?如果你知道的話,請在原文底下的評論讓我知道吧!


(譯:楊智傑)
[原文]

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