基于3D 打印的三維模型優(yōu)化研究

毛 斌， 張金誠(chéng)， 楊 旸

（山東建筑大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院， 濟(jì)南250101）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的飛速發(fā)展，3D 打印技術(shù)也在不斷提高，3D 打印的成本日趨降低，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，在小批量的原型制作和私人定制領(lǐng)域表現(xiàn)尤為突出。 3D 打印技術(shù)正在逐步改變傳統(tǒng)制造業(yè)，進(jìn)一步改變著人們的生活。

3D 打印的關(guān)鍵是如何給出3D 打印機(jī)能讀取的數(shù)據(jù)。 因此，三維模型的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。 如今能夠構(gòu)建三維模型的軟件大致可分為兩種：一是基于數(shù)學(xué)公式的Nurbs 曲面軟件，主要運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域；另一種則是基于近似造型曲面的Mesh曲面軟件，主要運(yùn)用在視覺(jué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。 雖然兩種軟件做出的模型都可以進(jìn)行打印，但打印之前都必須要經(jīng)過(guò)基于3D 打印的三維模型優(yōu)化，才能達(dá)到最佳效果。

1 3D 打印概述

3D 打印技術(shù)又叫增材制造技術(shù)。 相比于傳統(tǒng)的制造工藝，3D 打印能完成一些傳統(tǒng)制造業(yè)無(wú)法制造的產(chǎn)品［1］。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的3D 打印是一個(gè)不斷重復(fù)的2D 打印技術(shù)，利用切面軟件將三維模型分割成一層層的二維數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)輸入到打印機(jī)器里，從模型的最底層開始打印，層層疊加就形成了3D 模型。

從應(yīng)用的深度來(lái)講，現(xiàn)在的3D 打印技術(shù)已經(jīng)可以打印多種材料。 例如，塑料、金屬、以及一些特殊材料。 成型方式多種多樣。 例如固體的有熔融沉積，液體的有光固化、粉末的有激光燒結(jié)等等。 從應(yīng)用的廣度來(lái)講，隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D 打印技術(shù)除了打印產(chǎn)品的原型外，還可以直接運(yùn)用到更多領(lǐng)域。例如，生物醫(yī)療領(lǐng)域：可以打印牙齒和骨骼，甚至可以打印人體器官；建筑領(lǐng)域：可以用水泥打印樓房，效率可以得到很大的提升；航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域：可以打印出復(fù)雜的散熱系統(tǒng)等等。

目前應(yīng)用較為廣泛的3D 打印技術(shù)主要分4種，其原理、優(yōu)劣勢(shì)、特點(diǎn)均有所不同。

FDM（熔融沉積快速成型）：基于熔融沉積技術(shù)，原料主要為PLA（生物分解性塑料）與ABS。 原理是將固體材料融化成液體擠出，一層一層堆積上去，最后成型［2］。 具有成形尺寸大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)在于成型較慢、精度相對(duì)較低、后期處理較為困難。

SLA（光固化快速成型）：原料主要為光敏樹脂，基于光固化技術(shù)。 利用激光束路徑畫出物體的每一層，讓固化層不斷的浸入液態(tài)樹脂中。 其優(yōu)勢(shì)在于成型尺寸較大、成型快、精度高、后期處理簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)在于成本較高。 SLA 已逐漸成為3D 打印的主流技術(shù)。

DLP（數(shù)字光投影成型）：原料主要為光敏樹脂，在光固化技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用投影儀的數(shù)字光源，每次成型為一層，主要受制于投影儀及圖片的分辨率。優(yōu)點(diǎn)在于成型較快、精度高、后期處理較為簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)在于成型尺寸小、成本較高。 DLP 主要應(yīng)用于游戲動(dòng)畫等領(lǐng)域，多為小型人物模型的打印。

SLS（選擇性激光燒結(jié)工藝）：原料主要為粉末材質(zhì)，基于激光燒結(jié)技術(shù)。 使用激光逐層加熱粉末至熔化點(diǎn)，燒結(jié)形成粘接，直至成型。 SLS 是目前唯一可以加工金屬等特殊材料的3D 打印技術(shù)，但存在后期處理困難、成本高、技術(shù)難度大等缺點(diǎn)。

2 三維模型與3D 打印之間的銜接問(wèn)題

3D 打印技術(shù)與三維模型是密不可分的，打印效果除了選擇打印技術(shù)以外，最主要的影響因素就是三維模型本身。 影響三維模型3D 打印效果的原因有很多，從整體上來(lái)看可分為3 類：

（1）三維模型與切片軟件的銜接。 三維模型的3D 打印需要使用專業(yè)的切片軟件，將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一層一層的二維數(shù)據(jù)，并形成路徑代碼或圖片設(shè)備才能識(shí)別。 切片軟件能識(shí)別的模型格式有限，無(wú)法識(shí)別的模型格式是沒(méi)辦法進(jìn)行3D 打印的。

（2）三維模型本身存在的問(wèn)題。 三維模型各式各樣，很多設(shè)計(jì)只注重產(chǎn)品的表現(xiàn)而忽視模型的真實(shí)性。 例如，在三維模型中可以存在獨(dú)立的點(diǎn)線面，而在現(xiàn)實(shí)世界中，所有的物都是以體的形式存在的，就算最薄的紙都有厚度。 3D 打印的切片軟件只能對(duì)實(shí)體進(jìn)行切片，對(duì)于片面等則會(huì)默認(rèn)為是錯(cuò)誤的圖形。 因此當(dāng)三維模型中出現(xiàn)單面、破面等情況，會(huì)直接影響3D 打印的成功率。

（3）3D 打印設(shè)備的限制。 3D 打印設(shè)備在尺寸、厚度、材料等方面都存在限制。 打印三維模型時(shí)，如果不考慮設(shè)備所帶來(lái)的局限性，同樣也會(huì)降低打印的成功率。

3 基于3D 打印的三維模型優(yōu)化

針對(duì)三維模型與3D 打印之間存在的銜接問(wèn)題，本文以Rhino 建模軟件為例，通過(guò)優(yōu)化三維模型來(lái)提高3D 打印的成功率。 三維模型可以從模型格式、模型水密性、打印壁厚、分解模型、預(yù)留公差、重疊模型、空心模型等7 個(gè)方面入手，進(jìn)行三維模型的檢查與優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化模型格式

3D 打印所需的軟件為切片軟件，識(shí)別格式有限，但STL 格式基本都可識(shí)別。 因此，可以把模型保存為STL 格式文件［3］。

（1）設(shè)置打印精度。 STL 文件是由多重三角曲面組成的實(shí)體，多重三角曲面的數(shù)量決定了模型精度。 因此，Rhino 在導(dǎo)出為STL 格式時(shí)，需根據(jù)需求修改參數(shù)。 一般情況下精度設(shè)置為0.01 mm 即可。

（2）刪除多余模型。 在模型建造過(guò)程中，可能會(huì)存在模型被隱藏的情況，即使它們不可見(jiàn)，但在轉(zhuǎn)換為STL 格式時(shí)，這些隱藏的模型也會(huì)被導(dǎo)出。 因此，在轉(zhuǎn)換為STL 格式之前，需要?jiǎng)h除隱藏的模型。

3.2 優(yōu)化模型水密性

Rhino 作為建模軟件，優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、曲面造型的表現(xiàn)效果突出。 但是，Rhino 的缺點(diǎn)也在于此。由于它的曲面可以獨(dú)立存在，沒(méi)有實(shí)體厚度，往往在建模時(shí)只是用面來(lái)拼接出形狀，若只針對(duì)產(chǎn)品的表達(dá)效果，這種片面沒(méi)有問(wèn)題。 但是，打印軟件會(huì)認(rèn)為這些片面是錯(cuò)誤的，無(wú)法識(shí)別。 比較精確的方法是利用Rhino 提供的外露邊緣命令，如果曲面不封閉或者存在單一的曲面，都會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色。 外露邊緣命令能準(zhǔn)確的找出物件所出現(xiàn)的不封閉邊緣，從而針對(duì)錯(cuò)誤邊緣進(jìn)行修改，進(jìn)一步優(yōu)化模型的構(gòu)建。

3.3 優(yōu)化打印壁厚

目前，3D 打印機(jī)的打印壁厚存在一定限制。 例如：常見(jiàn)的FDM 打印機(jī)在垂直方向的壁厚一般不小于0.8 mm，SLA 打印機(jī)最薄在0.6 mm 左右。 究其原因主要分為兩種：其一， SLA 打印機(jī)所使用的材料為樹脂，壁厚小于0.6 mm 雖可打印，但由于樹脂材料質(zhì)地較軟，在小于0.6 mm 的情況下極易出現(xiàn)變形；FDM 打印所使用的材料一般為PLA 或者ABS材質(zhì)，壁厚太薄，打印出的產(chǎn)品易損壞，在后期處理上也很容易出現(xiàn)問(wèn)題。 其二，F(xiàn)DM 打印機(jī)的工作原理為熔融沉積，壁厚受制于擠出頭的直徑，現(xiàn)在普遍使用的擠出頭尺寸為0.4 mm，而0.8 mm 的壁厚恰好是擠出頭行走兩層的厚度。 如果打印在0.5 ～0.7 mm的壁厚，切面軟件很難識(shí)別，在打印時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛打?qū)樱粗蛔呗窂蕉粩D出材料。

3.4 優(yōu)化分解模型

不同的打印機(jī)擁有不同的成型尺寸。 例如，通常FDM 打印機(jī)在XYZ 軸的成型尺寸分別在300 ～400 mm 之間；工業(yè)級(jí)SLA 機(jī)器的成型尺寸為600 mm×600 mm×400 mm 等等。 因此，如果要打印模型超過(guò)了機(jī)器的成型尺寸，則要進(jìn)行分模處理。 需將模型分拆成可打印的小部件，后期再將拆分的部件粘貼起來(lái)。 一些模型修復(fù)軟件（如Magics）可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的模型分割，但在一些特殊情況下，還是要通過(guò)Rhino 軟件提前進(jìn)行結(jié)構(gòu)分割。 如在長(zhǎng)桌腿的打印中，模型的大小超過(guò)了機(jī)器的打印尺寸。 通過(guò)拆分成兩個(gè)現(xiàn)代榫的形式，既保證了打印尺寸，又保證了模型強(qiáng)度。

3.5 優(yōu)化預(yù)留公差

模型之間如果需要配合組裝的話，要提前預(yù)留公差。 主要的原因在于機(jī)器的精度和材料的特性。FDM 機(jī)器所打印的模型單邊誤差在0.2 mm 左右，同時(shí)材料在熔融沉積的過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，這也在很大程度上影響了打印模型的精度。SLA 的機(jī)器打印精度較高，基本不存在打印誤差，但是要考慮模型之間的摩擦。 因此，在打印需要相互配合的模型時(shí)，要根據(jù)具體情況在接觸的位置預(yù)留出空隙。 FDM 的機(jī)器一般留有0.2 mm 的公差，SLA的機(jī)器則為0.05－0.1 mm 的公差。 如果接觸表面需要上色處理，還要多留出0.05－0.1 mm 的上色公差。

3.6 優(yōu)化重疊模型

在導(dǎo)出STL 格式之前，需要將多重曲面進(jìn)行布爾合集運(yùn)算，這樣可有效減少重疊現(xiàn)象。 但在建模時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)穿?，F(xiàn)象，即模型的曲面會(huì)重疊在物體內(nèi)。 這種情況常見(jiàn)于由曲線建立圓管命令中，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑小于圓管半徑時(shí)，圓管內(nèi)側(cè)的曲面會(huì)重疊在圓管內(nèi)。 這類模型在檢測(cè)時(shí)為正確的多重曲面，轉(zhuǎn)換為STL 模型時(shí)也不會(huì)出錯(cuò)。 但在上機(jī)打印時(shí)會(huì)出現(xiàn)殼體內(nèi)打印的邊緣的情況，有時(shí)還會(huì)使得連接位置出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。 這是因?yàn)榍忻孳浖谇衅瑫r(shí)會(huì)識(shí)別曲面，賦予曲面壁厚，剩下的內(nèi)側(cè)部分為填充，如果模型出現(xiàn)曲面重疊在物體內(nèi)側(cè)的情況，切面軟件無(wú)法智能的分辨。 因此，在設(shè)計(jì)模型時(shí)要盡量避免這種情況，必要時(shí)可以將重疊的部位截取出來(lái)，用其它形式替換，以免產(chǎn)生不必要的麻煩。

3.7 優(yōu)化空心模型

在打印中難免會(huì)碰到打印封閉空心模型的情況。 FDM 打印的模型，中空頂面如果角度過(guò)大會(huì)有支撐；SLA 打印的模型中空部分則會(huì)留有液體。 兩種情況都會(huì)使模型打印不理想，造成材料的浪費(fèi)。因此，在3D 打印之前需要提前處理好模型。 FDM打印之前需要將頂部的模型拆分出來(lái)打印，以便于減少支撐；SLA 打印時(shí)則需要預(yù)留出4 ～6 mm 左右流出液體的孔洞，后期再將孔洞補(bǔ)齊。

4 結(jié)束語(yǔ)

建模軟件與3D 打印切片軟件的銜接，是三維模型與真實(shí)模型之間存在的問(wèn)題，需要考慮模型格式、材料、打印精度、打印工藝、打印尺寸等諸多因素。 本文所總結(jié)的銜接注意事項(xiàng)只是在3D 打印中比較常見(jiàn)的問(wèn)題，并不能全部涵蓋。 三維模型的打印還需要在打印實(shí)踐中不斷的探索和總結(jié)。