手工制作3D紙模型

刁彬斌 張妍

現(xiàn)在，3D打印已經(jīng)成為大家經(jīng)常提及的詞匯。其實(shí)，3D打印之前的三維設(shè)計(jì)階段，才是比3D打印更重要的環(huán)節(jié)。沒(méi)有三維設(shè)計(jì)的3D作品，從某種角度來(lái)說(shuō)，就是資源的浪費(fèi)。舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦?，一個(gè)普通的塑料盆大約只有20元錢(qián)，拿3D打印機(jī)打印出來(lái)可能需要上百元錢(qián)，并且3D打印的盆子沒(méi)有傳統(tǒng)工藝制作的盆子結(jié)實(shí)。

當(dāng)然，如果自己辛辛苦苦制作的作品，卻只能停留在電子文檔階段，同樣對(duì)自己的創(chuàng)意發(fā)揮、靈感實(shí)現(xiàn)不利。3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)是可以將靈感轉(zhuǎn)化為實(shí)物作品。以ABS和PLA為代表的3D打印耗材，可以比較長(zhǎng)久地保存。所以，擁有一臺(tái)3D打印機(jī)，幾乎是每個(gè)創(chuàng)客的夢(mèng)想。

但現(xiàn)實(shí)是，很多人仍然在等米下鍋。一方面，3D打印機(jī)需要初始投資，一個(gè)精度比較高的打印機(jī)至少需要花費(fèi)5000元以上。另一方面，打印耗材也需要持續(xù)投資，大約每克0.4～0.5元。缺少3D打印機(jī)，一切理想都處在虛無(wú)縹緲的階段。

換個(gè)角度來(lái)思考：沒(méi)有3D打印機(jī)，是否有其他手段將創(chuàng)意物化呢？其實(shí)，三維設(shè)計(jì)模型實(shí)體化的手段除了3D打印，還有將3D轉(zhuǎn)為2D實(shí)體的手段，即使用平面材料，完成3D模型的制作。實(shí)現(xiàn)形式除了大家比較熟知的激光切割，還有3D紙模型。

3D紙模型，即將3D模型轉(zhuǎn)為2D平面圖，通過(guò)打印機(jī)將模型圖紙打印出來(lái)，后期再通過(guò)剪刀、膠水等工具，手工將2D圖紙還原為3D模型。

3D紙模型的優(yōu)缺點(diǎn)都比較突出。優(yōu)點(diǎn)包含以下幾方面。第一，無(wú)需增加其他特殊設(shè)備，就可以用現(xiàn)有打印機(jī)完成模型的物化。第二，紙張耗材相比3D耗材，價(jià)格便宜且容易獲得。第三，相比3D打印的模型制作速度，紙模型的制作速度更快，適合快速建模和批量建模。第四，模型上色比較容易，可以在紙張打印階段進(jìn)行顏色豐富的彩色打印。紙模型的缺點(diǎn)是怕水，水是紙的克星，制作紙模型必須注意防水、防潮問(wèn)題。

3D模型轉(zhuǎn)化為2D紙模型，主要有以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)需要突破。

要點(diǎn)一：什么樣的模型適合轉(zhuǎn)化為2D紙模型

答案很簡(jiǎn)單，使用多邊形堆疊的模型適合轉(zhuǎn)化為2D平面模型。圓球、圓柱和復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)不適合轉(zhuǎn)化為2D平面模型。在此之前，我們需要先研究如何建模的問(wèn)題。本文提及的作品都采用3DOne軟件進(jìn)行建模，3DOne是一款非常流行的適合3D入門(mén)學(xué)習(xí)的建模軟件，可以通過(guò)簡(jiǎn)單方法，建立比較復(fù)雜的精準(zhǔn)模型。但3DOne是一款非多邊形建模軟件，為了完成紙模型的建模，需要在建模過(guò)程中有很大的取舍。

以大家非常熟悉的球體為例，誰(shuí)能成功地用紙張制作出一個(gè)非常規(guī)整的球體呢？看一下球體轉(zhuǎn)化為平面圖的過(guò)程（圖1），大家就能更加直觀地了解上面的答案了。拿剪刀和膠水復(fù)原球體幾乎是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。

圖1 將球體轉(zhuǎn)化為平面圖

為了建立可以2D展開(kāi)的3D模型，如何解決球體和圓柱體的建模問(wèn)題呢？答案也很簡(jiǎn)單，以多邊形代替圓進(jìn)行建模。當(dāng)然多邊形的邊數(shù)越多，越近似于圓。一般情況我們使用大約12以上的邊形，代替圓建立球體。

圖2是一個(gè)使用六邊形堆疊的球體，它與實(shí)際球體差別很大，需要改進(jìn)。但是大家看右側(cè)的展開(kāi)圖會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)模型處于可制作的范疇內(nèi)。

圖2 六邊形堆疊的球體及其展開(kāi)圖

當(dāng)然，紙模型的建模，也可以使用“六角大王”等基于多邊形建模的軟件，進(jìn)行模型建構(gòu)。

要點(diǎn)二：如何將3D模型快速轉(zhuǎn)化為2D紙模型

本文中我們采用“紙藝大師”（Pepakura Designer）進(jìn)行3D模型到2D模型的轉(zhuǎn)化。

“紙藝大師”是一款可以將3D模型轉(zhuǎn)化成展開(kāi)圖的軟件，只按一個(gè)按鈕即可作成展開(kāi)圖，再用各種紙編輯功能，可設(shè)計(jì)“好看、有趣、容易作”的展開(kāi)圖。

“紙藝大師”有著非常簡(jiǎn)潔的窗口，如圖3，左側(cè)是3D模型窗口，使用菜單中文件->打開(kāi)，可以將制作的stl、obj等“紙藝大師”支持的三維模型文件載入本窗口。通過(guò)點(diǎn)擊Unfold菜單，軟件可以將3D模型自動(dòng)在右側(cè)窗口展開(kāi)為2D圖紙。

圖3 “紙藝大師”窗口介紹

如果對(duì)自動(dòng)展開(kāi)的2D圖紙不滿(mǎn)意，使用下面的工具，比如“編輯貼邊”工具對(duì)3D模型進(jìn)行編輯，可以改變2D圖紙的效果。工具欄的具體含義，可以通過(guò)鼠標(biāo)懸停的方式，在軟件右下角查看工具的含義。如果對(duì)圖紙展開(kāi)不滿(mǎn)意，還可以通過(guò)“Unfold Undo”按鈕撤銷(xiāo)展開(kāi)。

模型制作過(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題是，設(shè)計(jì)和制作一致性問(wèn)題。例如，設(shè)計(jì)的機(jī)器人高度為180mm，如何讓展開(kāi)的圖紙也是這個(gè)尺寸，這需要大家注意設(shè)置2D菜單->更改縮放，將縮放系數(shù)更改為1，即原比例大小。

關(guān)于展開(kāi)后文件保存的問(wèn)題，需要使用菜單->文件->保存，保存pdo文件，以便“紙藝大師”繼續(xù)做后期處理。同時(shí)使用導(dǎo)出菜單，導(dǎo)出BMP位圖文件，用于圖紙的打印。

要點(diǎn)三：模型如何上色

模型上色，一般可分為3D模型建立階段的上色、平面化后的上色和手工補(bǔ)色三種方法。

方法一，模型建立階段的上色。“紙藝大師”提供stl、obj文件的導(dǎo)入展開(kāi)，stl文件不包含貼圖文件。為此，我們必須使用3DOne（教育版）來(lái)進(jìn)行紙模型的制作。如圖4，在3DOne（教育版）右側(cè)點(diǎn)擊向右的箭頭，打開(kāi)材質(zhì)渲染窗口，使用導(dǎo)入圖片的方式進(jìn)行貼圖。需要注意的是，貼圖文件必須為英文和數(shù)字文件名，不能包含中文，否則貼圖文件是無(wú)效的。使用貼圖處理的obj展開(kāi)文件效果如圖5。

圖4 導(dǎo)入圖片貼圖

方法二，平面化后上色。在使用“紙藝大師”展開(kāi)模型之后?？梢允褂肞hotoShop、光影魔術(shù)手等圖片工具對(duì)BMP文件進(jìn)行二次處理。

方法三，手工補(bǔ)色。當(dāng)然大家也可以導(dǎo)入不含顏色的圖紙，使用手繪的方式，手工DIY紙模型。

要點(diǎn)四：如何選擇紙張

制作紙模型，紙張選擇是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，太薄的紙張，存在軟和粘膠水變形的問(wèn)題。制作紙模型，需要使用120g以上的紙張作為制作材料。在打印模型前，請(qǐng)確認(rèn)自己的打印機(jī)支持對(duì)應(yīng)紙張的打印，以免損壞打印機(jī)。

要點(diǎn)五：如何剪裁、折疊、粘貼、保存紙模型

紙模型的后期制作，主要是考驗(yàn)動(dòng)手能力和耐心問(wèn)題。剪裁的時(shí)候，要防止出現(xiàn)多剪的問(wèn)題。折疊紙模型有一個(gè)技巧，就是在折疊前用直尺和曲別針等工具，劃出折痕線(xiàn)，這樣折疊比較規(guī)范。粘貼時(shí)，膠水要均勻，不能出現(xiàn)漏粘的情況，更不能圖省事使用雙面膠進(jìn)行粘貼。紙模型在保存中要注意防水防潮，這樣自己的作品就可以做到長(zhǎng)久保存。

作者單位：北京宏志中學(xué) 山東煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)