3D打印技術(shù)復(fù)制印章的印文特征初探*

馮明帥 彭嘉俊 戴 晗

（1.廣東省公安廳刑事技術(shù)中心，廣東 廣州510050；2.廣東警官學(xué)院，廣東 廣州510000）

引言

3D打印技術(shù)日新月異，利用3D打印技術(shù)構(gòu)造物體已不是新鮮事。在網(wǎng)絡(luò)上，可用于常規(guī)設(shè)計領(lǐng)域的3D打印機僅需幾千元即可買到，3D打印服務(wù)的價格已跌至不足10元/次。筆者從印章印文檢驗鑒定角度，考慮到3D打印技術(shù)也可用于印章制造領(lǐng)域，甚至用于復(fù)制印章，遂對此進(jìn)行了初步研究。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗路線

使用實驗印章蓋制印文，將印文數(shù)據(jù)輸入2種不同的3D打印設(shè)備復(fù)制印章，使用復(fù)制出的印章蓋制印文，將此印文（下稱檢材）與原版印章印文（下稱樣本）進(jìn)行比對，總結(jié)其特征規(guī)律。

1.2 實驗材料

1.2.1 主要設(shè)備

天威ColiDO 1.0 Plus型3D打印機1臺、巨影PMAX SLA-P660型3D打印機1臺、實驗用凸版印章2枚（原子印章和樹酯印章各1枚）、實驗用平版印章1枚（光敏印章）、打印材料PLA（聚乳酸）若干、光敏樹脂若干（見圖1～圖4）。

1.2.2 輔助材料

得力牌水性和油性印臺各1個、游標(biāo)卡尺1只、索尼α6300微單相機1臺、70g/m2的A4打印紙若干。

圖1 天威ColiDO 1.0 Plu型3D打印機外觀

圖2 巨影PMAX SLA-P660型3D打印機外觀

圖3 凸版印章2枚（左：原子印章，右：樹酯印章）

圖4 平版印章1枚

2 技術(shù)原理

2.1 熔融沉積式3D打印技術(shù)（FDM）原理

天威ColiDO 1.0 Plus型3D打印機采用溶融沉積式3D打印技術(shù)。熔融沉積式3D打印技術(shù)（FDM）是把如PLA（聚乳酸）、PA（尼龍）等熱塑性高分子絲狀材料運用電力加熱的方式加熱至適當(dāng)溫度使其達(dá)到熔融狀態(tài)后，用打印噴頭擠出，沉積成一個層面，打印平臺沿著Z軸按照預(yù)定的厚度下降一個高度，再繼續(xù)熔融沉積，逐層打印圖形，直到整個打印件完成立體打印技術(shù)。［1］

熱塑性高分子絲狀材料可用于熔融沉積技術(shù)打印，有PLA（聚乳酸）、PCL（聚己內(nèi)酯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、PEEK（聚醚醚酮）、PC（聚碳酸酯）、PA（尼龍）等。［2］

2.2 光固化立體印刷技術(shù)（SLA）原理

巨影PMAX SLA-P660型3D打印機采用光固化立體印刷技術(shù)。光固化立體印刷技術(shù)（SLA）依靠計算機精確控制激光頭和升降臺，使激光光束精確投射到打印材料（光固化樹脂）表面，打印材料會吸收激光的能量產(chǎn)生固化，然后將每一層剖面依次疊加黏合，構(gòu)造成為對應(yīng)的成品。［3］

2.3 建模及切片

利用游標(biāo)卡尺等測量工具采集模型數(shù)據(jù)，輸入到Pro/E、UG、Solid Works、3DMAX等軟件，通過三維建模的方式設(shè)計出所需的3D模型。

一般的3D打印機無法直接讀取三維模型，需要由專門的切片軟件來完成對三維模型的分層，如Repetier-Host、Cura、XBuilder、Makerbot等。軟件可將三維模型切分成符合實際需求的層級切片，切片的厚度與打印速度和打印質(zhì)量存在較大相關(guān)性，切片越厚則打印時間相對越短。［4］

3 實驗過程

3.1 復(fù)制印章

將30張A4紙疊放作為襯墊物，以保證印章蓋印時受力均勻，印文清晰度不會受到蓋印壓力及襯墊等因素發(fā)生變化。每枚印章在白紙上蓋印一組印文，分別選取其中1個最清晰的印文作為母版印文，使用索尼α6300微單相機將母版印文拍照輸入電腦，為保證印文圖片不受分辨率影響，統(tǒng)一設(shè)置其分辨率為1000dpi、24位全彩、*.jpeg格式。

為保證模型的準(zhǔn)確性，使用游標(biāo)卡尺測量印文直徑、筆畫長度等規(guī)格數(shù)據(jù)，輸入Solid Edge V20三維建模軟件制作印章的數(shù)字模型，將制作印章所需的數(shù)據(jù)輸入到軟件進(jìn)行數(shù)字編排，軟件即可生成相對應(yīng)的數(shù)字模型（見圖5）。

圖5 Solid Edge V20軟件生成的印章數(shù)字模型截圖

根據(jù)不同的打印設(shè)備，使用對應(yīng)的3D打印切片軟件，設(shè)定比例大小、分層切割、轉(zhuǎn)換成3D打印需要的程序。使用Repetier-Host軟件將模型切片，輸出到熔融沉積打印設(shè)備中完成打印；使用Materialise Magics軟件將模型切片，輸出到光固化立體印刷設(shè)備中完成打?。ㄒ妶D6～圖7）。

圖6 Repetier-Host軟件中轉(zhuǎn)換成的印章數(shù)字模型截圖

圖7 Materialise Magics軟件中轉(zhuǎn)換成的印章數(shù)字模型截圖

在Repetier-Host軟件中打開上述文件，設(shè)定比例大小為1∶1，分層切割，轉(zhuǎn)換為3D打印所需要的文件格式，輸出到熔融沉積打印設(shè)備進(jìn)行打印，得到復(fù)制印章3枚，蓋制印文若干進(jìn)行分析。

在Materialise Magics軟件中打開上述文件，設(shè)定比例大小為1∶1，分層切割，轉(zhuǎn)換為3D打印所需要的文件格式，輸出到光固化立體印刷設(shè)備進(jìn)行打印，得到復(fù)制印章2枚，蓋制印文若干進(jìn)行分析。

3.2 印章印文分析

3.2.1 壁厚參數(shù)是3D打印效果的關(guān)鍵指標(biāo)

實驗發(fā)現(xiàn)，3D打印機的壁厚參數(shù)決定了輸出產(chǎn)品的精細(xì)度，是打印精度的關(guān)鍵指標(biāo)，如果數(shù)字模型的部件小于打印機能輸出的壁厚，則打印不出理想效果。本次實驗所用“刑事技術(shù)中心文檢實驗專用章”，在建立模型時，因橫向“文檢實驗專用章”等文字筆畫細(xì)于0.3mm，導(dǎo)致兩臺打印機均打印不出理想效果。市面上大部分國產(chǎn)3D打印機壁厚約為0.3～1.0mm，部分進(jìn)口高端3D打印機壁厚可達(dá)到微米級別（見圖8）。

圖8 壁厚示意圖

3.2.2 熔融沉積式3D打印復(fù)制印章印文特點

觀察熔融沉積打印設(shè)備復(fù)制的聚乳酸材質(zhì)印章，表面有類似人體皮膚的細(xì)密紋線，稍顯粗糙，不如母版印章表面光滑，印面文字有筆畫模糊成片或殘缺現(xiàn)象（見圖9）。

使用所得印章蓋制印文，發(fā)現(xiàn)檢材印文模糊，筆畫嚴(yán)重殘缺，無實際使用價值。與母版樣本印文進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)二者無論是規(guī)格特征，還是細(xì)節(jié)特征均存在較大差異。

上述現(xiàn)象，分析認(rèn)為主要是打印機的輸出精度（壁厚≥0.4mm）不能滿足制作印章的精度要求；其次是此類印章材質(zhì)對印臺染料的親和性較差，無論水性染料還是油性染料均不能有效粘附。

圖9 熔融沉積打印設(shè)備復(fù)制的聚乳酸材質(zhì)印章

3.2.3 光固化立體印刷技術(shù)復(fù)制印章印文特點

光固化立體印刷設(shè)備復(fù)制的光固化樹脂印章，表面較為致密光滑，與母版印章接近，整體質(zhì)量優(yōu)于聚乳酸材質(zhì)印章，印面圖文清晰完整。分析認(rèn)為較高的輸出精度（±0.01mm）是圖文清晰的保證（見圖10）。

圖10 光固化立體印刷設(shè)備復(fù)制的光固化樹脂印章

使用所得印章蓋制印文，發(fā)現(xiàn)檢材印文同樣存在筆畫殘缺現(xiàn)象，未能完整反映印面圖文。與母版樣本印文進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)二者在規(guī)格特征和細(xì)節(jié)特征上均存在較大差異。

分析上述現(xiàn)象的主要原因，一是雖然打印機的輸出精度（垂直分辨率≥0.002mm、壁厚≥0.3mm）較高，但仍不宜用來制作印章，所復(fù)制印章的印面平整度不足，未能保證所有圖文均在同一水平面；二是可能與操作人員的工藝水平存在一定關(guān)系。

此類印章對水性和油性染料的親和性均良好，無明顯差異，印臺對蓋制印文的清晰度影響不大。

3.3 實驗結(jié)論

3.3.1 3D打印機不能輸出2D模型

生活工作中常用的光敏印章是一種平版印章，其印面為2D模式，靠圖文部分的滲透性蓋制印文。鑒于3D打印機的基本原理，使用兩臺實驗打印機輸出2D模式印面均失敗。

3.3.2 天威ColiDO 1.0 Plus型3D打印機不宜用來制作印章

實驗表明，熔融沉積式3D打印機設(shè)備精度達(dá)不到印章的精度要求，所使用的材質(zhì)與常規(guī)染料的粘附性欠佳。

3.3.3 巨影PMAX SLA-P660型3D打印機可以復(fù)制印章

光固化式3D打印機雖可以制出印章，但此類復(fù)制印章的效果取決于設(shè)備精度和操作工藝，另外因其制作成本較高（約50元/枚，是熔融沉積式3D打印印章的2倍），從經(jīng)濟成本角度判斷此類3D打印機短期內(nèi)用于制章行業(yè)的可能性較低（見表1）。

表1 實驗印章印文特征比對表

4 相關(guān)思考

4.1 本實驗可能存在以偏概全的局限

因各種條件限制，本次實驗選取的設(shè)備和材料在數(shù)量上存在不足，未必能代表該領(lǐng)域所有設(shè)備和材料的性能，所取得的實驗結(jié)論有待于進(jìn)行大樣本驗證。

4.2 應(yīng)持續(xù)關(guān)注3D打印技術(shù)的發(fā)展

如果3D打印設(shè)備的精密度進(jìn)一步提高、制作成本進(jìn)一步下降、材料性能進(jìn)一步升級，則依然存在將該技術(shù)用于制章行業(yè)的可能，以及利用該項技術(shù)復(fù)制印章進(jìn)行違法犯罪的可能，行業(yè)管理部門應(yīng)持續(xù)關(guān)注這一技術(shù)的發(fā)展。