復(fù)雜場景3D快速建模與打印技術(shù)

龐蘊奇 顧霞青 王怡仙 郭曉俐

摘? 要：3D建模打印技術(shù)在場景設(shè)計中應(yīng)用十分廣泛，文章主要針對復(fù)雜場景建模打印中存在的效率低的問題，通過多建模軟件協(xié)同、多建模技術(shù)相結(jié)合、優(yōu)化模型和參數(shù)配置等措施，研究出一套復(fù)雜場景3D快速建模打印的解決方案，提升同等精度要求下的復(fù)雜場景建模打印效率。方案應(yīng)用于鹽城師范學院校園圖書館建筑群的3D建模與打印，相比于傳統(tǒng)單一工具建模打印方法，在同等精度下建模打印效率提升60%以上，達到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：3D建模;3D打印;3DS MAX;SketchUp

Abstract：3D modeling printing technology is widely used in scene design. In this paper，aiming at the problem of low efficiency in complex scene modeling and printing，through the cooperation of multi-modeling software，the combination of multi-modeling technology，optimization of model and parameter configuration，a set of solution for 3D rapid modeling and printing of complex scene is developed to improve the printing efficiency of complex scene modeling under the same precision requirements. The scheme is applied to 3D modeling and printing of campus library building complex of Yancheng Teachers University，compared with the traditional single tool modeling printing method，the modeling printing efficiency is increased by more than 60% under the same precision，and the expected effect is achieved.

Keywords：3D modeling;3D printing;3DS MAX;SketchUp

0? 引? 言

近年來，隨著人們對于“數(shù)字城市”的研究日益增長，3D建模與打印技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)建模中的矩形成面模型比較簡單，但復(fù)雜場景下的曲面建模會有一定的難度，其建模與打印效率相對較低。本文針對復(fù)雜場景建筑物，探索綜合應(yīng)用3DS MAX、SketchUp等多種建模軟件，將多邊形建模、四邊形剖分法等多種技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化打印的技術(shù)方案實現(xiàn)模型的快速建模與打印。

1? 建模與打印相關(guān)軟件

1.1? 3DS MAX軟件簡介

3DS MAX是AUTODESK旗下用于PC端三維動畫渲染與制作的軟件，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、三維動畫、多媒體制作、游戲制作以及工程可視化等領(lǐng)域。該軟件具有可堆疊的建模步驟，使其在制作模型上有非常大的彈性。此外3DS MAX可以渲染出真實性非常高的場景，深受建模設(shè)計師的喜愛。

1.2? SketchUp軟件簡介

SketchUp是一個極受歡迎并且易于使用的3D設(shè)計軟件，因其有一個全球性的三維模型庫，人們可以共享庫中的三維模型。SketchUp軟件的核心是編輯工具，能進行移動、推拉、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作。SketchUp可以快速生成任何位置的剖面，使設(shè)計者清楚地了解建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并可以隨意生成二維剖面圖并快速導(dǎo)入AUTOCAD進行處理。

1.3? Pango切片軟件簡介

Pango是PANOWIN公司針對PANOWIN F2等機型開發(fā)的切片軟件。3D打印模型在設(shè)計好之后，需要經(jīng)過切片計算形成一個打印文件，這個打印文件會精確地“告訴”3D打印機如何控制打印進程。Pango切片軟件中菜單欄主要有五個選項，分別是“模型”“編輯”“視圖”“參數(shù)”與“幫助”，因此操作十分簡單。根據(jù)需要設(shè)計參數(shù)之后，點擊Pango主界面右下方的“查看分層”按鈕;切片完成后，單擊Pango主界面右邊的保存PCODE文件按鈕保存輸出打印文件，將其拷貝至SD卡中即可開始3D打印[1]。

2? 復(fù)雜場景建模解決方案

當建造復(fù)雜建筑物的模型時，傳統(tǒng)的矩形成面已滿足不了需求，在建模之前，先在CAD中獲得復(fù)雜建筑的圖形尺寸，之后采用四邊形剖分法將復(fù)雜的圖紙簡單化，從而更便利地進行三維模型的建造。

本文選取鹽城師范學院具有典型復(fù)雜曲面的圖書館建筑群進行分析，圖書館由主樓、立柱、弧形外廓等部分構(gòu)成，對于一些曲面部分較少的立柱等采用SketchUp軟件進行建模，而對于曲面較為復(fù)雜的主樓則采用3DS MAX軟件進行建模。

2.1? 使用CAD軟件修改圖紙

在管理軟件計算機輔助設(shè)計CAD中，將建筑圖紙中多余的線條進行修改，留出清晰的外觀輪廓，得到修改之后的圖書館前、后、左、右視圖。將修改之后的CAD圖紙導(dǎo)入SketchUp/3DS MAX軟件中，并進行1：100等比例縮小。

2.2? 使用SketchUp軟件快速創(chuàng)建三維建筑環(huán)境模型

（1）SketchUp中面的推/拉：先用矩形工具繪制一個與圖紙比例相同的矩形。使用推/拉工具，將繪制的矩形拉成與圖紙長、寬、高相同比例的長方體。通常規(guī)則的矩形面可以直接繪制，而曲線成面需采用四邊形剖分法，先用鉛筆工具描出輪廓，將曲面分解成許多不規(guī)則的四邊形，從而形成不同的面;使用卷尺工具量出所需向內(nèi)凹陷的寬度，使用推/拉工具依次向內(nèi)推，形成一個層次效果。

（2）SketchUp中的鏤空：為節(jié)省3D打印所使用的材料，本次研究采用鏤空技術(shù)。在實體的基礎(chǔ)上，使用偏移工具與推/拉工具進行鏤空。在使用面的推/拉的過程中，要注意所推/拉的標準要與所要鏤空的上邊距保持等距離，否則將形成一個新的面。

（3）SketchUp中等距離建模：在建模過程中，當出現(xiàn)多個等間距的相同物體模型時，要在功能列表中選擇卷尺工具測量出兩物體之前實際距離。使用直線工具繪制一條直的線段，利用選擇工具選擇該線段，將移動工具放在線段任意一端的起始點上，按住Ctrl+M快捷鍵，并用鼠標點擊該端點處，向上移動到合適距離（兩物體之前實際距離）;在默認面板下的數(shù)值中輸入*n，按住回車鍵即可完成n個相同等間距線條的繪制，從而減少了繁雜冗余的重復(fù)步驟，如圖1所示。

（4）SketchUp模型紋理貼紙：因建好的模型使用的是系統(tǒng)默認的材質(zhì)貼圖，為了使模型更加生動逼真，需要對模型進行紋理貼紙。SketchUp貼紙按照使用需求，可以分為三類：普通貼紙、包裹貼紙和投影貼紙[2]。因圓柱是典型的曲面圖，而投影貼紙是在貼圖來源平面上截取被附材質(zhì)的投影形狀的貼圖，將貼紙包在三角錐上可形成無縫的貼圖效果，因此這里選用的是投影貼紙，效果如圖2、圖3所示。

2.3? 使用3DS MAX軟件創(chuàng)建高精度三維建筑環(huán)境模型

（1）使用基本幾何體搭建出附樓的初步模型，并進一步采用多邊形建模等方法制作附樓模型。在建模過程中，手動調(diào)整模型很難達到完全對齊的狀態(tài)，所以需要打開捕捉開關(guān)。然后在3DS MAX的建模頁面選擇樣條線中的矩形工具，在前視圖中創(chuàng)建矩形，并根據(jù)導(dǎo)入的CAD圖紙，在參數(shù)中輸入矩形的長寬等基本信息。最后對其進行擠出等操作，完成對應(yīng)的簡單模型。

（2）模型細節(jié)創(chuàng)建。在簡單模型的基礎(chǔ)上，使用高級建模命令修整模型的細節(jié)。如在創(chuàng)建窗戶模型的過程中，為了使建立的窗戶模型更加精確，首先在CAD圖紙中確定窗戶的長、寬、高;然后選擇標準基本體中的復(fù)合對象，通過使用超級布爾命令的拾取操作，對簡單模型進行交集或差集運算，從而將模型完善成理想效果，如圖4所示。

3? 模型切片及打印

3.1? 模型切片優(yōu)化

3.1.1? 模型最小寬度

常見的打印機噴嘴直徑為0.2 mm，故模型的水平方向最小寬度不應(yīng)小于0.2 mm，且寬度通常情況下應(yīng)為噴頭直徑的整數(shù)倍以保證打印效果;同時垂直方向上厚度也不應(yīng)過小，并也要注意打印層高和厚度關(guān)系。

3.1.2? 模型余量

模型在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮打印精度以及材料熱膨脹等因素，在孔洞方面設(shè)計的孔直徑應(yīng)略大于實際需要的孔的直徑，溝槽等結(jié)構(gòu)同理;反之凸起部分的設(shè)計尺寸應(yīng)略小于實際需要的尺寸。

3.1.3? 模型大小

建模時要注意模型尺寸，過大或者過小的模型都會使打印機出現(xiàn)問題，若模型過大可能無法打印，而過小則會影響模型質(zhì)量。其中，對于過大的模型可根據(jù)具體情況進行分割，分多次進行打印。

3.1.4? 細節(jié)處理

若需要在模型表面表現(xiàn)出紋理等裝飾，一般應(yīng)將紋理的厚度設(shè)置到0.1 mm以上，以保證紋理可見;紋理盡量不要出現(xiàn)鋒利的角，反之應(yīng)使用倒角等方式平滑直角或者銳角部分。

3.2? 打印參數(shù)優(yōu)化

3.2.1? 打印精度

對于不同類型的模型可以選用不同的打印精度以兼顧質(zhì)量與效率，如平面結(jié)構(gòu)較多且各部分結(jié)構(gòu)尺寸較大的模型可選用較低的打印精度;而在打印較為精密或者尺寸較小的模型時則要選擇較高的打印質(zhì)量，每提高一倍打印質(zhì)量打印時間也隨之提高一倍。

3.2.2? 支撐

由于3D打印的特殊性，需要在模型架空的位置設(shè)置支撐以保證架空位置的打印效果，一般情況下切片軟件會根據(jù)模型自動生成支撐，如果軟件沒有生成支撐的功能，則需在建模時自行加入支撐結(jié)構(gòu)。

3.2.3? 填充

對于不需要考慮結(jié)構(gòu)強度的模型，可以降低填充密度以節(jié)省打印材料和縮短打印時間。而對于結(jié)構(gòu)強度有一定要求時則需要將填充密度提高，以100%填充為宜。

3.2.4? 溫度

不同的打印材料需要的融化溫度不同，PLA打印溫度在210 ℃為宜;同時為保證平臺的附著力，平臺溫度應(yīng)設(shè)置為50～60 ℃。

3.2.5? 調(diào)平

由于打印機工作時在3軸上運動，其中垂直方向會受熱床角度影響，若不進行調(diào)平，可能會影響打印質(zhì)量，嚴重時會損壞噴頭和熱床。調(diào)平時將噴嘴分別移至四個角，使用一張A4紙插入平臺，使噴嘴接近平臺，直到需要用力拉出A4紙為止。

4? 結(jié)? 論

本文通過研究鹽城師范學院部分校園復(fù)雜場景的建模、打印方法與材料優(yōu)化等方面，總結(jié)出多軟件、多技術(shù)優(yōu)化組合的建模與打印方法，解決復(fù)雜場景建模速度慢、效果差、打印耗材多的問題。通過實驗證明，該方法具有建?？臁⒋蛴⌒Ч普?、模型完整、耗材節(jié)約等特點，是一套優(yōu)化組合方案。筆者相信，隨著技術(shù)的不斷提升，建筑物的三維模型將更大型、更復(fù)雜，3D打印技術(shù)在未來一定會有更加廣闊的空間。

參考文獻：

[1] 王銘，劉恩濤，劉海川.三維設(shè)計與3D打印基礎(chǔ)教程 [M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2] 余起怡.復(fù)雜建筑物的3D建模研究 [J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2018（4）：31-33.

作者簡介：龐蘊奇（1999.03—），女，漢族，江蘇徐州人，本科在讀，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)應(yīng)用;通訊作者：郭曉俐（1974.02—），女，漢族，江蘇鹽城人，副教授，碩士研究生，研究方向：數(shù)字媒體技術(shù)、教育技術(shù)應(yīng)用。