TWI508026B - 立體物件原型圖的產生方法、裝置及電腦程式產品 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種快速成型(Rapid Prototyping)技術，且特別是有關於一種快速增設支撐架以產生立體物件原型圖的方法、裝置及電腦程式產品。
近年來，隨著列印技術的不斷演進及改良，三維(three dimensional，3D)列印已經成為相當熱門的產業。三維列印又稱作增材製造(Additive manufacturing)，屬於快速成型技術的一種，其係基於數位成型圖檔，運用例如粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，並透過逐層列印的方式來建構立體實物的技術。
一般而言，三維列印的流程可先透過電腦輔助設計(computer aided design，CAD)產生立體物件模型，並將其轉換成例如標準樣板函式庫(Standard template library，STL)等快速成型設備可讀取的圖檔，以作成平面分割(slicing)檔。藉由電腦
解析立體物件的斷面後，需要透過專業級工程人員決定是否為此立體物件增設支撐架，以形成此立體物件的原型圖，才能經由快速成型設備堆疊成立體實物。此外，尚須對立體實物進行支撐架切除及拋光等繁雜流程而產出成品。由此可知，傳統三維列印的工作流程通常需要專業級工程人員進行操作，因此，有必要提供一種簡易操作的三維列印技術，以使三維列印更能普及化地深入家庭。
本發明提供一種立體物件原型圖的產生方法、裝置及電腦程式產品，可自動增設支撐架以快速產生立體物件的原型圖。
本發明的立體物件原型圖的產生方法係先掃描立體圖中的物件以決定切面，並依序判斷各切面與物件重疊的切點。然後，判斷各切點在切面的相鄰切面上是否有支撐，當判斷切點在相鄰切面上沒有支撐時，在切面與相鄰切面之間的切點位置增設支撐架。最後，結合所有切面以產生物件的原型圖。
在本發明的一實施例中，上述掃描立體圖中的物件以決定切面的步驟是在物件的成形方向上依據物件的寬度變化或依據固定間隔決定切面。
在本發明的一實施例中，上述判斷各切點在切面的相鄰切面上是否有支撐的步驟是在成形方向的相反方向上依序判斷各切面的各切點在切面的相鄰切面上是否存在物件，以判斷切點是
否有支撐。
在本發明的一實施例中，上述在切面與相鄰切面之間的切點位置增設支撐架的步驟之後，所述方法更在成形方向的相反方向上判斷切點在相鄰切面的下一個相鄰切面上是否有支撐。然後，當判斷切點在下一個相鄰切面上沒有支撐時，延伸支撐架至下一個相鄰切面。
在本發明的一實施例中，上述當判斷切點在相鄰切面上沒有支撐時，在切面與相鄰切面之間的切點位置增設支撐架的步驟，所述方法更記錄切點位置，以做為後續拆除支撐架的位置。
在本發明的一實施例中，上述在掃描立體圖中的物件以決定切面的步驟之前，所述方法更產生立體圖，其中產生此立體圖的步驟是擷取資料庫中的物件及各物件的屬性，依據各物件與屬性之間的關聯性以及屬性彼此之間的關聯性，並建立樹狀選單。然後，顯示對應於樹狀選單中物件的選項，並接收對於選項的選擇操作，依序顯示選項所對應物件的屬性的子選項。最後，接收對於子選項的選擇操作，以決定所對應物件的屬性，並據以產生立體圖。
本發明的立體物件原型圖的產生裝置包括儲存單元以及處理單元。其中，儲存單元用以記錄模組。處理單元係連接儲存單元，而用以存取並執行儲存單元中記錄的模組，上述模組包括切面決定模組、切點判斷模組、支撐判斷模組、支撐架設置模組及原型圖產生模組，其中切面決定模組掃描立體圖中的物件以決
定切面，切點判斷模組依序判斷各切面與物件重疊的切點，支撐判斷模組判斷各切點在切面的相鄰切面上是否有支撐，當支撐判斷模組判斷切點在相鄰切面上沒有支撐時，支撐架設置模組在切面與相鄰切面之間的切點位置增設支撐架，以及原型圖產生模組結合所有切面以產生物件的原型圖。
在本發明的一實施例中，上述的切面決定模組在物件的成形方向上依據物件的寬度變化或依據固定間隔決定切面。
在本發明的一實施例中，上述的支撐判斷模組在成形方向的相反方向上依序判斷各切面的各切點在切面的相鄰切面上是否存在物件，以判斷切點是否有支撐。
在本發明的一實施例中，上述的支撐判斷模組在成形方向的相反方向上判斷切點在相鄰切面的下一個相鄰切面上是否有支撐，其中當支撐判斷模組判斷切點在下一個相鄰切面上沒有支撐時，支撐架設置模組延伸支撐架至下一個相鄰切面。
在本發明的一實施例中，上述的模組更包括支撐架記錄模組，其中支撐架記錄模組記錄切點位置於儲存單元，以做為後續拆除支撐架的位置。
在本發明的一實施例中，上述的產生裝置更包括觸控顯示單元，其中觸控顯示單元係連接處理單元。並且，上述模組更包括立體圖產生模組，用以產生立體圖，其中立體圖產生模組係先擷取資料庫中的物件及各物件的屬性，依據各物件與屬性之間的關聯性以及屬性彼此之間的關聯性，並建立樹狀選單。然後，
在觸控顯示單元上顯示對應於樹狀選單中物件的選項，並根據觸控顯示單元所接收對於選項的選擇操作，依序顯示選項所對應物件的屬性的子選項。最後，根據觸控顯示單元所接收對於子選項的選擇操作，決定所對應物件的屬性，並據以產生立體圖。
基於上述，本發明的立體物件原型圖的產生方法、裝置及電腦程式產品係先決定立體圖中對應於物件的切面，以判斷是否在切面與相鄰切面之間的切點位置增設支撐架，且結合增設的支撐架來產生物件的原型圖。藉此，便能降低製圖時間，且無需專業級工程人員參與操作流程，進而簡化三維列印流程。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧產生裝置
12‧‧‧儲存單元
122‧‧‧切面決定模組
124‧‧‧切點判斷模組
126‧‧‧支撐判斷模組
128‧‧‧支撐架設置模組
129‧‧‧原型圖產生模組
14‧‧‧處理單元
S202~S210‧‧‧步驟
30‧‧‧立體圖
32‧‧‧物件
34~37‧‧‧支撐架
A、B、C、D、E‧‧‧切面
A1、B1、C1~C3‧‧‧切點
A2、A2、B2、B3‧‧‧節點
圖1是依照本發明一實施例所繪示之立體物件原型圖的產生裝置的方塊圖。
圖2是依照本發明一實施例所繪示之立體物件原型圖的產生方法流程圖。
圖3是依照本發明一實施例所繪示之立體圖的範例。
三維列印技術中可能由下至上、由左至右或依據任何特
定方向堆疊以形成立體實物，因此必須先依據立體圖中的物件結構判斷是否會有支撐不足的問題，以避免堆疊過程中立體實物產生崩盤的情況。對此，本發明即將物件區分為多個切面並判斷各切面與物件重疊的切點，據以判斷各切點是否需要增設支撐架，依此類推即可得到整個立體實物所需的支撐架，最後將支撐架與物件結合則可產生適於三維列印的原型圖。另一方面，本發明還提供多個物件及各物件的屬性以建立樹狀選單，使得使用者能以簡單的操作方式來選擇物件及其對應的屬性，進而快速產生物件的立體圖。藉此，便能提昇製圖速度，簡化列印操作，以使三維列印普及化。
圖1是依照本發明一實施例所繪示之立體物件原型圖的產生裝置的方塊圖。請參照圖1，本實施例的產生裝置10例如是桌上型電腦、筆記型電腦或是智慧型手機、平板電腦等具有運算功能的電子裝置，在此不設限。產生裝置10包括儲存單元12以及一個或多個處理單元(本實施例僅以處理單元14為例做說明，但不限於此)，其功能分述如下：儲存單元12可以是產生裝置10的主記憶體、任何型態的固定或可移動隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、唯讀記憶體(read-only memory，ROM)、快閃記憶體(flash memory)或類似元件或上述元件的組合。在本實施例中，儲存單元12用以儲存切面決定模組122、切點判斷模組124、支撐判斷模組126、支撐架設置模組128以及原型圖產生模組129等軟體程式。本實
施例中所述的儲存單元12並未限制是單一記憶體元件，上述之各軟體模組與物件的圖檔(例如，立體圖、原型圖)亦可以分開儲存在兩個或兩個以上相同或不同型態之記憶體元件中。
處理單元14例如是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)、微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其他類似裝置，其可從儲存單元12中載入上述模組，以控制產生裝置10產生原型圖。
詳言之，圖2是依照本發明一實施例所繪示之立體物件原型圖的產生方法流程圖。請參照圖2，本實施例的方法適用於圖1的產生裝置10，以下即搭配產生裝置10中的各項元件說明本實施例立體物件原型圖的產生方法的詳細步驟：首先，由切面決定模組122掃描立體圖中的物件以決定切面(步驟S202)。上述的立體圖可以是經由Ex CAD、Pro-E、3DS MAX或Solidworks等電腦輔助設計(computer aided design，CAD)或建模軟體所支援的立體圖檔格式，例如3DS、DWF、3D、DWG、DXF、IGES、STL等，而上述的物件可以是經由上述電腦輔助設計或建模軟體所建構而成的立體物件。
在一實施例中，切面決定模組122是在物件的成形方向上依據物件的寬度變化或依據固定間隔決定切面。詳言之，物件存在堆疊崩盤問題是由於三維列印中物件的成形方向是由下至
上、由左至右或依據任何特定方向，因此當物件中的部份實體下方、左方或特定方向未有其他實體支撐時，則未具支撐的部份實體將造成崩盤。對此，本發明的切面決定模組122便依據物件的寬度變化(例如，物件在水平、垂直或特定方向切面上的最大長度)來決定切面。舉例而言，切面決定模組122先計算並記錄物件在成形方向(例如，向上)上每間隔一段距離(例如，一公分、五公釐等)的水平切面的寬度，由下至上判斷物件的相鄰水平切面的寬度變化，當寬度變化大於門檻值(threshold)(例如，物件在相鄰水平切面上的寬度差距大於二公分)時，切面決定模組122便記錄相鄰水平切面中寬度較大的水平切面以決定作為後續運算切點的切面。上述門檻值可視物件的實際尺寸自由調整，使得當水平切面首次切到物件的某部分(即從無到有)時，切面決定模組122即可決定使用該切面做為後續運算切點的切面。在另一範例中，切面決定模組122亦可每隔一固定間隔(例如，一公分、五公釐等)決定切面。需說明的是，切面決定模組122可依據設計需求而採用物件的寬度變化、固定間隔或其組合來決定切面，更可依據設計需求選擇特定方向(例如，向左、向右等)而不採用成形方向來決定切面，在此不設限。
在切面決定後，切點判斷模組124即會依序判斷各切面與物件重疊的切點(步驟S204)。其中，當切面與物件重疊的部分形成一個面時，切點判斷模組124例如會取此重疊面的邊緣或中心點來做為切點，而用以做為後續判斷是否配置支撐架的依據。
接著，支撐判斷模組126會判斷各切點在切面的相鄰切面上是否有支撐(步驟S206)。在一實施例中，支撐判斷模組126會在成形方向的相反方向(例如，向下、向左等)上依序判斷各切面的各切點在此切面的相鄰切面上是否存在物件，以判斷切點是否有支撐。例如，當切點所屬切面下方的相鄰切面存在物件時，支撐判斷模組126即判斷此切點有支撐；而當切點所屬切面下方的相鄰切面沒有存在物件時，支撐判斷模組126即判斷此切點未有支撐。需說明的是，支撐判斷模組126可依據設計需求選擇特定方向(例如，向左、向右等)來判斷切點是否有支撐，在此不設限。
當支撐判斷模組126判斷切點在相鄰切面上沒有支撐時，支撐架設置模組128即會在切面與相鄰切面之間的切點位置增設支撐架(步驟S208)。其中，支撐架設置模組128例如會在沒有支撐的切點下方設置截面積固定的柱形物(例如，圓柱、方形柱等)，而此柱形物的長度即為此切點與下方相鄰切面之間的距離。需說明的是，本實施例中的支撐架可以是任意大小、形狀，支撐架設置模組128亦可依據設計需求選擇特定方向(例如，向左、向右等)來設置支撐架，在此不設限。
需注意的是，由於切點的相鄰切面的下一個相鄰切面(即，在成形方向的相反方向上相鄰於上述相鄰切面的下一個切面)上亦可能沒有支撐，因此，在一實施例中，本發明的支撐判斷模組126會繼續在成形方向的相反方向上判斷切點在相鄰切面
的下一個相鄰切面上是否有支撐。當支撐判斷模組126判斷切點在下一個相鄰切面上沒有支撐時，支撐架設置模組128會將支撐架延伸至下一個相鄰切面。例如，支撐架設置模組128將支撐架(例如，圓柱、方形柱等)的長度延伸至下一個相鄰切面，則其長度即為切點與下方相鄰切面的下一個相鄰切面之間的距離。需說明的是，支撐架設置模組128亦可依據設計需求選擇特定方向(例如，向左、向右等)來延伸支撐架，在此不設限。
舉例來說，圖3是依照本發明一實施例所繪示之立體圖的範例。請參照圖3，本實施例的立體圖30中的物件32例如是經由前述電腦輔助設計軟體所建構而成的立體物件。切面決定模組122先決定切面A、B、C、D及E，而切點判斷模組124依序判斷各切面A~E與物件32重疊的切點(即，切面A上的切點A1、切面B上的切點B1以及切面C上的切點C1、C2及C3)。支撐判斷模組126判斷切點C1可經由切點B1堆疊上來，因此沒有堆疊崩盤問題，但判斷切點C2及C3無法分別自節點B2及B3堆疊上來。據此，支撐架設置模組128便會在切面B、C之間的切點C2、C3位置分別設置支撐架34及36。此外，支撐判斷模組126會進一步判斷切點C2、C3延伸至切面B上的節點B2、B3是否有支撐，而判斷出節點B2、B3在切面B至下一個相鄰切面A之間亦沒有支撐，因此支撐架設置模組128便會將支撐架34及36延伸至切面A上的節點A2、A3(即，支撐架35及37)。
最後，當支撐架設置模組128設置完所有支撐架之後，
原型圖產生模組129即會結合所有切面以產生物件的原型圖(步驟S210)。例如，原型圖產生模組129將利用前述電腦輔助設計或建模軟體將所有切面與對應的支撐架結合以生成物件的立體圖檔(例如，3DS、DWF、3D、DWG、DXF、IGES等)或快速原型設備可讀取的圖檔(例如，STL)。需說明的是，本發明的儲存單元12中記錄的模組亦可包括支撐架記錄模組(未繪示)，此支撐架記錄模組可將上述的切點位置記錄於儲存單元12，以做為後續拆除支撐架的位置。例如，支撐架記錄模組可記錄圖3中的切點C2及C3以後續拆除支撐架的位置。此外，此切點位置亦可作為快速原型設備產生立體實物的後續精修位置，端視應用需求而定，在此不設限。
藉由上述方法，本實施例的產生裝置10無須經由人工判斷，即可決定是否需要設置支撐架並決定支撐架的設置位置，藉此即可減少製圖時間及人工成本。
需說明的是，除了設置支撐架外，對於一般民眾而言，利用電腦輔助設計軟體(例如，Ex CAD、Pro-E、3DS MAX或Solidworks等)繪製立體圖的操作亦是相當困難，因此本發明的產生方法與產生裝置亦可自動擷取圖庫中的物件資訊，而提供簡便方式供使用者操作以產生立體圖。此功能可透過記錄在產生裝置10之儲存單元12中的立體圖產生模組(未繪示)來實現，以下將舉實施例詳細說明。
在一實施例中，圖1的產生裝置10更包括觸控顯示單元
(未繪示)，此觸控顯示單元係耦接處理單元14。觸控顯示單元可以是由液晶顯示器(Liquid Crystal Display；LCD)、發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)顯示器、場發射顯示器(Field Emission Display；FED)或其他種類顯示器的顯示面板與電阻式或電容式等觸控面板所組成的觸控顯示單元，而可同時提供顯示及觸控操作功能。
立體圖產生模組用以產生立體圖，其中立體圖產生模組係先擷取資料庫中的物件及各物件的屬性，依據各物件與屬性之間的關聯性以及屬性彼此之間的關聯性，並建立樹狀選單。具體而言，立體圖產生模組自例如儲存單元12、外接儲存器、雲端伺服器等儲存裝置中的資料庫取得物件(例如，騎樓房、公寓等)及其相關屬性(例如，樓層、房型、窗型等)，並依據物件與屬性之間的關聯性來建立樹狀選單。上述物件例如是建築、機械等具有實體外觀或形狀的物體，在此不設限。舉例而言，表(1)為依據本發明一實施例的樹狀選單的範例。
然後，立體圖產生模組會在觸控顯示單元上顯示對應於樹狀選單中多個物件的選項，並利用觸控顯示單元接收使用者對於這些選項的選擇操作，以依序顯示所選擇選項所對應物件的多個屬性的子選項。立體圖產生模組會繼續利用觸控顯示單元接收使用者對於子選項的選擇操作，以決定所對應物件的屬性。例如，當觸控顯示單元接收到使用者觸碰騎樓房F的選項時，觸控顯示單元上則會顯示樓層的選項，而當觸控顯示單元接收到使用者觸碰3樓F1的選項時，觸控顯示單元上則會顯示窗型的選項。以此類推，使用者即可藉由簡單的選擇操作，決定所欲產生的物件及其屬性。
最後，根據上述使用者決定的物件及其屬性，立體圖產生模組即可產生該物件的立體圖。具體而言，立體圖產生模組例如會將使用者所選擇的物件及屬性對應至模型模組(例如，騎樓房模組、樓層模組、窗型模組等)，以便將這些模型模組組合成立體物件並據以產生立體圖。需說明的是，在本實施例中，建築相關的物件與對應屬性僅為示例，在其他實施例中，亦可應用於土木、機械等相關領域，端視設計需求而定，在此不設限。
藉此，本發明可提供一般民眾更為簡易的操作方法來建立三維列印所需的立體圖，而能夠簡化並縮短製作立體圖的時間。
本發明另提供一種電腦程式產品，其是用以執行上述立體物件原型圖的產生方法的各個步驟，此電腦程式產品是由多數個程式碼片段所組成的(例如建立組織圖程式碼片段、簽核表單程式碼片段、設定程式碼片段、以及部署程式碼片段)，並且這些程式碼片段在載入電子裝置中並執行之後，即可完成上述立體物件原型圖的產生方法的步驟。
綜上所述，本發明立體物件原型圖的產生方法、裝置及電腦程式產品可透過計算立體圖中物件的切面及對應的切點，以決定是否增設支撐架及/或延伸支撐架，再結合切面以產生三維列印所需的原型圖。此外，本發明亦提供樹狀選單給使用者選擇所需的物件及其屬性，以自動產生立體圖。透過本發明實施例，可提供簡單且快速的立體物件製圖的方法，以使三維列印普及化。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S202~S210‧‧‧步驟
Claims (13)
- 一種立體物件原型圖的產生方法，包括：掃描一立體圖中的一物件以決定多個切面；依序判斷各所述切面與該物件重疊的至少一切點；判斷各所述切點在該切面的一相鄰切面上是否有支撐；當判斷該切點在該相鄰切面上沒有支撐時，在該切面與該相鄰切面之間的該切點位置增設一支撐架；以及結合所有切面以產生該物件的一原型圖。
- 如申請專利範圍第1項所述的產生方法，其中掃描該立體圖中的該物件以決定所述切面的步驟包括：在該物件的一成形方向上依據該物件的寬度變化或依據一固定間隔決定所述切面。
- 如申請專利範圍第2項所述的產生方法，其中判斷各所述切點在該切面的該相鄰切面上是否有支撐的步驟包括：在該成形方向的一相反方向上依序判斷各所述切面的各所述切點在該切面的該相鄰切面上是否存在該物件，以判斷該切點是否有支撐。
- 如申請專利範圍第1項所述的產生方法，其中在該切面與該相鄰切面之間的該切點位置增設該支撐架的步驟之後，更包括：在該成形方向的該相反方向上判斷該切點在該相鄰切面的下一相鄰切面上是否有支撐；以及當判斷該切點在該下一相鄰切面上沒有支撐時，延伸該支撐 架至該下一相鄰切面。
- 如申請專利範圍第1項所述的產生方法，其中當判斷該切點在該相鄰切面上沒有支撐時，在該切面與該相鄰切面之間的該切點位置增設該支撐架的步驟，更包括：記錄該切點位置，以做為後續拆除該支撐架的位置。
- 如申請專利範圍第1項所述的產生方法，其中在掃描該立體圖中的該物件以決定所述切面的步驟之前，更包括：產生該立體圖，包括：擷取一資料庫中的多個物件及各所述物件的多個屬性，並依據各所述物件與所述屬性之間的關聯性以及所述屬性彼此之間的關聯性，建立一樹狀選單；顯示對應於該樹狀選單中所述物件的多個選項；接收對於所述選項的選擇操作，依序顯示該選項所對應物件的所述屬性的多個子選項；以及接收對於所述子選項的選擇操作，以決定所對應物件的所述屬性，並據以產生該立體圖。
- 一種立體物件原型圖的產生裝置，包括：一儲存單元，記錄多個模組；以及一或多個處理單元，耦接該儲存單元，存取並執行儲存單元中記錄的所述模組，所述模組包括：一切面決定模組，掃描一立體圖中的一物件以決定多個切面； 一切點判斷模組，依序判斷各所述切面與該物件重疊的至少一切點；一支撐判斷模組，判斷各所述切點在該切面的一相鄰切面上是否有支撐；一支撐架設置模組，當該支撐判斷模組判斷該切點在該相鄰切面上沒有支撐時，在該切面與該相鄰切面之間的該切點位置增設一支撐架；以及一原型圖產生模組，結合所有切面以產生該物件的一原型圖。
- 如申請專利範圍第7項所述的產生裝置，其中該切面決定模組在該物件的一成形方向上依據該物件的寬度變化或依據一固定間隔決定所述切面。
- 如申請專利範圍第8項所述的產生裝置，其中該支撐判斷模組在該成形方向的一相反方向上依序判斷各所述切面的各所述切點在該切面的該相鄰切面上是否存在該物件，以判斷該切點是否有支撐。
- 如申請專利範圍第7項所述的產生裝置，其中該支撐判斷模組在該成形方向的該相反方向上判斷該切點在該相鄰切面的下一相鄰切面上是否有支撐，其中當該支撐判斷模組判斷該切點在該下一相鄰切面上沒有支撐時，該支撐架設置模組延伸該支撐架至該下一相鄰切面。
- 如申請專利範圍第7項所述的產生裝置，其中所述模組 更包括：一支撐架記錄模組，記錄該切點位置於該儲存單元，以做為後續拆除該支撐架的位置。
- 如申請專利範圍第7項所述的產生裝置，更包括：一觸控顯示單元，耦接所述處理單元，以及所述模組更包括：一立體圖產生模組，產生該立體圖，包括：擷取一資料庫中的多個物件及各所述物件的多個屬性，並依據各所述物件與所述屬性之間的關聯性以及所述屬性彼此之間的關聯性，建立一樹狀選單，並顯示對應於該樹狀選單中所述物件的多個選項於該觸控顯示單元，根據該觸控顯示單元所接收對於所述選項的選擇操作，依序顯示該選項所對應物件的所述屬性的多個子選項，以及根據該觸控顯示單元所接收對於所述子選項的選擇操作，決定所對應物件的所述屬性，並據以產生該立體圖。
- 一種電腦程式產品，經由一電子裝置載人該程式以執行下列步驟：掃描一立體圖中的一物件以決定多個切面；依序判斷各所述切面與該物件重疊的至少一切點；判斷各所述切點在該切面的一相鄰切面上是否有支撐；當判斷該切點在該相鄰切面上沒有支撐時，在該切面與該相鄰切面之間的該切點位置增設一支撐架；以及結合所有切面以產生該物件的一原型圖。
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