基于虛擬現(xiàn)實(shí)及3D打印技術(shù)下的公共雕塑制造系統(tǒng)

摘要：

現(xiàn)代的城市公共雕塑已經(jīng)成為一種不可或缺的精神文明載體，體現(xiàn)著一個(gè)城市的文化內(nèi)涵與品味。針對(duì)當(dāng)今城市化迅速發(fā)展、市場(chǎng)需求量增大、傳統(tǒng)的制造體系逐漸不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)效率、個(gè)性、多樣化等諸多因素需求的情況下，利用新的技術(shù)手段，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)制造成為本文闡述的重點(diǎn)，通過沈陽(yáng)蒲河生態(tài)走廊區(qū)域公共雕塑設(shè)計(jì)制造的例子論證新技術(shù)在公共雕塑領(lǐng)域的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：

3D打印 虛擬技術(shù) 公共雕塑 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

在當(dāng)今科技高速發(fā)展的進(jìn)程中，3D打印和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借著自身高效便捷的特點(diǎn)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中。其在制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著城鎮(zhèn)化的加快發(fā)展，公共雕塑作為精神載體對(duì)其的需求量與日俱增。此時(shí)現(xiàn)有的技術(shù)手段顯得過于單一。文中通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D打印的技術(shù)現(xiàn)狀的分析，并將新舊制造方式進(jìn)行對(duì)比，旨在建立一個(gè)數(shù)字化智能雕塑系統(tǒng)體系，結(jié)合具體案例論證新技術(shù)在公共雕塑設(shè)計(jì)與制造的合理性和有效性。

1.研究背景分析

1，1景觀規(guī)劃對(duì)公共雕塑的需求

公共雕塑不僅是一個(gè)城市的標(biāo)志，也是一個(gè)城市文化魅力的體現(xiàn)。它能夠讓人們產(chǎn)生領(lǐng)屬感和自豪感。隨著我國(guó)城市化的快速推進(jìn)，舊城改造和新區(qū)建設(shè)涌現(xiàn)大量的公共開發(fā)空間。為了營(yíng)造公共文化、增強(qiáng)空間人文氣息，公共雕塑的需求量不斷增加，這為公共雕塑的發(fā)展提供了廣闊的前景?，F(xiàn)階段我國(guó)公共雕塑“一步一景”的設(shè)計(jì)理念和小型雕塑的普及度與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在這明顯差距，傳統(tǒng)的雕塑制作工藝的方法逐漸不能滿足現(xiàn)代社會(huì)講求效率、個(gè)性、多樣化特征的市場(chǎng)需求。

1，2虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及其應(yīng)用分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過模擬使用者的聽覺、觸覺、視覺等感受，讓使用者全方位無限制地去觀察計(jì)算機(jī)模擬出的虛擬空間，仿佛身臨其境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中，設(shè)計(jì)師可通過虛擬三維環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)意、工藝裝配、工藝優(yōu)化進(jìn)行直觀化、數(shù)據(jù)化、系統(tǒng)化的評(píng)價(jià)和修改。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相比虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性、沉浸性、想象性的特點(diǎn)。進(jìn)而有效地避免_了產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、資源消耗大的缺陷，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，降低了研究成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成為行業(yè)的主流并廣泛應(yīng)用在汽車仿真實(shí)驗(yàn)、展示設(shè)計(jì)、影視制作等方面。例如2013年谷歌發(fā)布了一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡GoogleGlass，通過對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的虛擬互動(dòng)和手勢(shì)控制，能讓你分分鐘創(chuàng)造自己的虛擬物體，然后3D打印出來如圖1所示：

3D打印技術(shù)采用粉末樹脂或金屬等可黏合材料通過電腦控制采用分層加工方式疊加成型，不僅可以打印微小的物品甚至可以顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)的制造方式。例如美國(guó)南加州大學(xué)研發(fā)的“輪廓工藝”。它可以在24小時(shí)內(nèi)可以打印出2層樓高的房子?！拜喞に嚒逼鋵?shí)就是一個(gè)超級(jí)打印機(jī)器人，如圖2所示，其外形像一臺(tái)懸停于建筑物之上的橋式起重機(jī)，兩邊是軌道，而中間的橫梁則是“打印頭”，橫梁可以上下、前后移動(dòng)，進(jìn)行X軸和Y軸的打印工作，然后一層一層地將整棟房子打印出來。與傳統(tǒng)房屋建造相比，“輪廓工藝”3D打印技術(shù)能夠節(jié)省20%-25%的資金和25%-30%的材料，也節(jié)省了40%-55%人力。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印技術(shù)在公共雕塑設(shè)計(jì)制造中的可行性探索

2，1傳統(tǒng)工藝與新技術(shù)制造對(duì)比分析

現(xiàn)有的公共雕塑制作流程先是由設(shè)計(jì)師對(duì)雕塑主題的理解構(gòu)思平面圖，通過平面圖交代場(chǎng)景、地點(diǎn)、主體、面積，然后制作成小樣，接著按原比例制作放大模型，同時(shí)進(jìn)行造型上的修改，然后根據(jù)所用材料選擇澆鑄、鍛造、焊接、雕刻等方法進(jìn)行制作。這一過程要求設(shè)計(jì)者反復(fù)修改甚至重新制作，同時(shí)由于加工手段的因素，一些復(fù)雜的形態(tài)也不得不被放棄，造成了設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高、資源消耗大等問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與3D打印技術(shù)同時(shí)參與公共雕塑的設(shè)計(jì)與制造，是技術(shù)與藝術(shù)的結(jié)合。在藝術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)造者通過虛擬交互手段實(shí)現(xiàn)與雕塑作品的互動(dòng)完成設(shè)計(jì)、檢測(cè)、修復(fù)等一系列的工作，同時(shí)在技術(shù)領(lǐng)域利用三維打印技術(shù)能夠更精確更快捷地完成作品的制造，提高了設(shè)計(jì)者的工作效率，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，以深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書館雕塑《思想者》為例，如表1所示，更加直觀的體現(xiàn)出新技術(shù)相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)越性。

2，2公共雕塑3D打印設(shè)備設(shè)計(jì)

2，21公共雕塑3D打印機(jī)設(shè)計(jì)定位

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的3D打印機(jī)分為開放式和封閉式兩種結(jié)構(gòu)類型。由于公共雕塑以景觀作品居多，且尺寸大小不一，根據(jù)行業(yè)的特性，此設(shè)計(jì)選擇開放式結(jié)構(gòu)。其創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的整體性強(qiáng)、拆卸便捷、擴(kuò)展性大同時(shí)采用履帶式設(shè)計(jì)移動(dòng)靈活，在復(fù)雜的地形條件下也能夠順利地完成工作。通過建立一個(gè)三軸交互運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)使打印平面每一個(gè)點(diǎn)都具有唯一確定的坐標(biāo)值與其對(duì)應(yīng)，采用整體造型設(shè)計(jì)避免零件凌亂布置，分別由機(jī)身部分、移動(dòng)部分和工作部分組成。

2.22公共雕塑3D打印機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工方式

公共雕塑3D打印機(jī)整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由x組件、Y組件、z平臺(tái)組件與工作組件、電路控制部分聯(lián)接組成。x組件是由直線導(dǎo)軌、移動(dòng)滑塊與工作組件組成。Y組件做整體升降運(yùn)動(dòng)，升降運(yùn)動(dòng)的精度由控制步進(jìn)電機(jī)與傳輸帶交互完成。

z軸由移動(dòng)履帶與伸縮直線導(dǎo)軌控制步進(jìn)電機(jī)組成。公共雕塑3D打印機(jī)整機(jī)如圖3所示。

打印加工方式為：如表2所示從外部存儲(chǔ)設(shè)備或者從計(jì)算機(jī)直接提取得到3D模型，由微控制器（單片機(jī)）對(duì)模型進(jìn)行分析建立支撐結(jié)構(gòu)，然后輸出指令控制打印噴頭的溫度，使材料能夠迅速融化并通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)噴頭進(jìn)行x、Y、z軸的移動(dòng)，噴頭在接收到指令后會(huì)調(diào)節(jié)噴出材料的多少，每打好一層控制器會(huì)讀取下一層參數(shù)再打印下一層，直到最后打印完成。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印技術(shù)在具體雕塑的制作與應(yīng)用

3.1案例總體設(shè)計(jì)規(guī)劃

沈陽(yáng)蒲河景觀帶是名副其實(shí)的“萬(wàn)頃生態(tài)濕地”，同時(shí)也是七星文化、蒲河文化、滿族文化、現(xiàn)代文化的宜居風(fēng)情帶。該案例設(shè)計(jì)選址在蒲河景觀帶中游，如圖4所示。為使雕塑與環(huán)境氣氛相協(xié)調(diào)，此設(shè)計(jì)以“藤”作為元素，外觀融入了七星文化元素，更能體現(xiàn)區(qū)域發(fā)展的激情與活力。該雕塑采用新的技術(shù)手段，來詮釋新技術(shù)在公共雕塑設(shè)計(jì)制作中的可行性與優(yōu)越性。

3，2虛擬現(xiàn)實(shí)與3D打印技術(shù)下雕塑制作流程

3，21基礎(chǔ)雕塑模型的構(gòu)建

新技術(shù)下雕塑的制作成型不依賴于手工制作，但不代表沒有作品的呈現(xiàn)方式。設(shè)計(jì)中可以采用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)雕塑中手工制作的方式，將作品轉(zhuǎn)化成立體模型。此設(shè)計(jì)采用犀牛軟件來實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建，在犀牛軟件中將作品創(chuàng)建成型。如圖5所示。這里創(chuàng)建的模型替代傳統(tǒng)雕塑中手工制造的初模階段，僅僅表現(xiàn)出雕塑的立體形態(tài)，具備觀看的效果。此階段沒有確定材質(zhì)和最終尺寸，這一切都需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過與環(huán)境的交互體驗(yàn)最終確定雕塑的信息參數(shù)。

在確定雕塑的基本形態(tài)之后，犀牛軟件將以作品模型導(dǎo)出obj格式文件，該格式便于在接下來的虛擬眼鏡操作中使用。

3.22虛擬現(xiàn)實(shí)預(yù)覽測(cè)試

虛擬交互預(yù)覽操作借助谷歌meta眼鏡，其核心是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。簡(jiǎn)而言之就是把現(xiàn)實(shí)世界放到屏幕上的虛擬展示，讓現(xiàn)實(shí)的信息更豐富，易于觀察。通過語(yǔ)音、觸控、自動(dòng)三種模式控制顯示信息取代傳統(tǒng)鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器的操作，讓場(chǎng)景更加真實(shí)、有說服力。本公共雕塑虛擬測(cè)試步驟：

1首先把基本的模型信息傳輸?shù)組ETA設(shè)備中，運(yùn)行操作界面后根據(jù)蒲河生態(tài)走廊的自然環(huán)境色與雕塑的表面肌理，選擇與其符合的材質(zhì)與色彩參數(shù)。本雕塑材質(zhì)選取為：SLA材料，色彩參數(shù)為C1 M89 Y17 K99；

2通過手指的滑動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到所需要的位置，完成對(duì)雕塑各個(gè)角度的觀察。更加直觀地優(yōu)化作品的細(xì)節(jié)。如圖6所示；

3利用手指的撐開與收攏完成任意的縮放，直至得到一個(gè)合適的作品尺寸，本雕塑的打印范圍：5700，5700，700ram。

3.233D打印實(shí)物成型

此環(huán)節(jié)中我們借助上章節(jié)所設(shè)計(jì)的公共雕塑3D打印設(shè)備快速成型，經(jīng)過虛擬現(xiàn)實(shí)預(yù)測(cè)后，將調(diào)整后的3D數(shù)字模型保存為STL文件格式，利用前臺(tái)控制軟件PROE對(duì)3D模型進(jìn)行分層處理，分層完成后PROE軟件可以導(dǎo)出被3D打印機(jī)識(shí)別的CODE控制文件。將CODE文件輸入到3D打印機(jī)中，打印機(jī)Arduino主板里的固化軟件開始讀取控制文件，在確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)正常后，開始控制分層打印。

最終的打印雕塑實(shí)物如圖7所示，最終打印參數(shù)：材料為SLA，設(shè)置了2層實(shí)心層、2圈輪廓、23%填充綠色。打印速度為每分鐘2-4層，成型體積為5700，5700，5700mm，打印精度為10，27，34mm。

4.結(jié)論

本文采用理論分析、文獻(xiàn)閱讀、案例分析等研究方法對(duì)3D打印技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在公共雕塑制造領(lǐng)域可行性進(jìn)行了相關(guān)探索，通過研究充分體現(xiàn)出新技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、制作周期、降低成本等方面的優(yōu)勢(shì)。此外，技術(shù)手段雖然取代不了藝術(shù)表現(xiàn)，但是完全可以與藝術(shù)相互借鑒，配合藝術(shù)作品更加完美地呈現(xiàn)。綜上所述，3D打印技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)非常適合公共雕塑行業(yè)的設(shè)計(jì)與制造。在我國(guó)社會(huì)建設(shè)飛速發(fā)展對(duì)公共雕塑需求量不斷增加的大背景中，新技術(shù)下的公共雕塑設(shè)計(jì)制造會(huì)具有更大的潛力與發(fā)展空間。