逆向設(shè)計和3D打印技術(shù)在中國古典家具模型開發(fā)中的應(yīng)用探究

王 琛

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著智能制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆向設(shè)計、3D打印技術(shù)的應(yīng)用也越來越成熟[1]。逆向設(shè)計和3D打印分別是復(fù)制產(chǎn)品原型和制造產(chǎn)品原型的快捷技術(shù)[2]。面向產(chǎn)品創(chuàng)新的逆向設(shè)計是“認(rèn)識原型、分析原型、重構(gòu)原型、超越原型”的過程，逆向設(shè)計后的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和快速成型制造是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的新方向。將逆向設(shè)計技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于中國古典家具模型的設(shè)計與開發(fā)是面向產(chǎn)品創(chuàng)新的逆向設(shè)計在家具方向的嘗試[3-4]。中國古典家具模型既包含了三維數(shù)據(jù)模型，又包含了快速成型制作的實物模型[5]。中國古典家具模型的開發(fā)，有益于古典家具經(jīng)典器型三維數(shù)據(jù)的復(fù)制和留樣，并通過對家具經(jīng)典器型的再設(shè)計，在產(chǎn)品原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新產(chǎn)品原型，實現(xiàn)對傳統(tǒng)家具經(jīng)典器型的現(xiàn)代傳承設(shè)計，以及對傳統(tǒng)家具文化的現(xiàn)代弘揚。本文以經(jīng)典圈椅模型為實例，對逆向設(shè)計和3D打印技術(shù)在中國古典家具模型開發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。

1 逆向設(shè)計技術(shù)

逆向設(shè)計技術(shù)是圖形處理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、測量技術(shù)和加工技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)[6]。近年來，逆向設(shè)計技術(shù)在各類產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)中得到越來越多的應(yīng)用[7]。逆向設(shè)計是將三維掃描設(shè)備獲取的實物樣件表面或內(nèi)腔的三維點云數(shù)據(jù)，輸入至封裝軟件和逆向設(shè)計軟件中進(jìn)行三維重構(gòu)，復(fù)現(xiàn)出實物樣件的三維實體數(shù)據(jù)，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行原型修改和再設(shè)計的過程[8]。逆向設(shè)計流程為：①產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)采集；②數(shù)據(jù)處理；③三維模型重建。

1.1 產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)采集

產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)采集是指通過特定的測量設(shè)備和方法，將物體表面的形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)點，從而得到逆向建模參考數(shù)據(jù)的過程。產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)采集是逆向設(shè)計的第一步，表面數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量決定了逆向設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量[9]。表面數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類，通常情況下，產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中常用的是基于激光三角測距原理的非接觸式數(shù)據(jù)采集方法。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在逆向重建產(chǎn)品的三維模型之前，需要對由產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)采集而來的空間坐標(biāo)點數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑對齊、插值補點等數(shù)據(jù)處理，用于對數(shù)據(jù)采集得到復(fù)雜點云模型進(jìn)行精簡[10]。將復(fù)雜點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡后，還需對采集數(shù)據(jù)的幾何屬性進(jìn)行分割處理，采用匹配幾何特征的方法獲取并重建原型件具有的設(shè)計特征和加工特征，以此完成點云數(shù)據(jù)處理過程。

1.3 三維模型重建

三維模型重建過程是在數(shù)據(jù)處理過程完成后，根據(jù)處理好的數(shù)據(jù)各面片的特征分別進(jìn)行曲面擬合[11]。并在擬合后的各面片間拼接、求交和匹配，使之成為光滑連續(xù)的曲面，從而獲得原型件三維模型的過程。此三維模型可以直接對接應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行模型制造，共同構(gòu)成逆向設(shè)計與制造一體的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

2 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，是通過加熱熔融、激光燒結(jié)或紫外固化等方式將原材料分層堆積直至模型整體成型的過程[12]。主要包含以下幾種工藝：光固化工藝、選擇性激光燒結(jié)工藝、熔融沉積制造工藝等。其突出特點在于可以實現(xiàn)模型的一體化成型，完成從任意形狀的三維模型到實物的制造過程。同時，3D打印可以快速、靈活、低成本生產(chǎn)出小批量的產(chǎn)品，具有很多現(xiàn)有制造技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。3D打印工藝流程為：①前處理過程；②快速成型過程；③后處理過程。

2.1 前處理過程

3D打印前處理過程即三維模型數(shù)據(jù)切片處理過程[13]。將逆向設(shè)計好的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入至3D打印切片處理軟件中，進(jìn)行三維模型的切片處理，生成三維模型的加工數(shù)據(jù)。切片處理過程主要包括導(dǎo)入模型、擺放模型、設(shè)置打印參數(shù)、導(dǎo)出加工數(shù)據(jù)等步驟。每個步驟的參數(shù)選擇和位置調(diào)整需要依據(jù)實際工藝類型進(jìn)行設(shè)置。

2.2 快速成型過程

快速成型過程為3D打印流程中自動化程度最高的過程，整個過程都由加工數(shù)據(jù)驅(qū)動3D打印設(shè)備完成[14-16]?？焖俪尚蜋C在加工數(shù)據(jù)的驅(qū)動下按所選特定工藝將3D打印原材料層層堆積成實體模型，此過程便為快速成型過程?？焖俪尚瓦^程中需要實時監(jiān)測設(shè)備運行和模型打印狀態(tài)，出現(xiàn)模型打印錯誤或設(shè)備運行故障時，需及時終止打印過程，重新調(diào)整并打印模型。

2.3 后處理過程

后處理過程是3D打印工藝流程的最后步驟。其目的是去除模型表面與模型粘連在一起的支撐結(jié)構(gòu)。通常采用的方法有機械法、水溶法、失蠟法等。具體方法的選用需要根據(jù)3D打印工藝的不同進(jìn)行選擇[17]。拆除熔融沉積工藝模型表面的支撐結(jié)構(gòu)選用機械拆除的方法；拆除立體光固化工藝模型表面的支撐結(jié)構(gòu)根據(jù)支撐材料的不同可選用水溶法或失蠟法，當(dāng)支撐材料為水溶性材料時選用水溶法，當(dāng)支撐材料為石蠟時選用失蠟法。

3 逆向設(shè)計和3D打印圈椅模型實例

本文選用的逆向設(shè)計和3D打印實例為明式圈椅模型，模型是按比例(1∶8)縮小的明式圈椅擺件，材料屬性為紅棕色木質(zhì)材料。通過對明式圈椅模型進(jìn)行逆向設(shè)計和3D打印操作實踐，探討逆向設(shè)計和3D打印在中國古典家具模型開發(fā)中應(yīng)用的可行性與實際效果。

3.1 逆向設(shè)計過程

(1)選用明式圈椅模型的材料屬性為紅棕色木質(zhì)材料，在不噴粉的狀態(tài)下很難進(jìn)行非接觸式三維掃描，所以需要在模型表面噴涂一層白色的顯像劑。在噴粉時，噴粉距離約為400 mm，在滿足掃描要求的前提下盡可能薄且均勻。若顯像劑噴涂過多，不僅會在物體表面形成痕跡，更會造成物體表面厚度增加，影響掃描精度。

(2)在圈椅模型表面貼標(biāo)識點，實現(xiàn)多次掃描后模型三維數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一。粘貼標(biāo)志點時需要注意以下幾點：①標(biāo)志點不要粘貼在一條直線上；②過渡區(qū)域公共標(biāo)志點數(shù)量至少4個；③盡量v型或w型式樣粘貼標(biāo)志點[18-20]。

(3)采用非接觸式(手持式)激光三維掃描儀(型號：微深-400)對明式圈椅擺件進(jìn)行三維掃描，掃描前需要對掃描儀進(jìn)行精度校準(zhǔn)，使用與掃描儀型號對應(yīng)的標(biāo)定板[21]。對掃描儀位置及參數(shù)調(diào)整后，進(jìn)行圈椅模型表面數(shù)據(jù)的掃描。掃描過程中，需要及時觀察掃描數(shù)據(jù)的完整性，及時調(diào)整零件擺放角度，對缺失部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對的掃描，使數(shù)據(jù)盡量完整，并最終將掃描數(shù)據(jù)保存為asc文件輸出。

(4)對圈椅asc點云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以圈椅模型的椅圈為例，將三維掃描儀掃描的點云數(shù)據(jù)asc文件導(dǎo)入到Geomagic Wrap軟件里進(jìn)行點云處理，去除體外孤點和雜點，表面光順后進(jìn)行封裝，保存為stl文件。點云處理如圖1所示，模型封裝如圖2所示。

圖1 點云處理

圖2 模型封裝

(5)將封裝好的椅圈stl文件導(dǎo)入Geoagic Design X軟件進(jìn)行逆向設(shè)計，主要逆向圈椅各零部件的外觀造型。首先創(chuàng)建坐標(biāo)軸和基準(zhǔn)平面，選擇基準(zhǔn)平面繼續(xù)創(chuàng)建多個參照平面，對每個參照平面繪制面片草圖，在面片草圖與參考平面相交形成的輪廓線上進(jìn)行圓擬合。擬合好一系列圓后，使用模型命令下的放樣功能，對封閉輪廓新建放樣實體，最終完成椅圈的逆向設(shè)計，如圖3所示。

圖3 逆向設(shè)計

(6)逆向設(shè)計的文件同步至UG軟件里進(jìn)行榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要應(yīng)用UG軟件的實體建模和裝配設(shè)計模塊，如圖4所示。

圖4 榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計

(7)應(yīng)用上述方法，完成圈椅其余各零部件的逆向設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖5所示。最終完成32個零部件設(shè)計，導(dǎo)出各零部件的stl文件。

圖5 各零部件的逆向設(shè)計

3.2 3D打印過程

(1)將stl文件導(dǎo)入fotus 450快速成型設(shè)備中，導(dǎo)入時需要將單個構(gòu)件分開導(dǎo)入，以便檢查導(dǎo)入過程中模型是否出現(xiàn)缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷后可以重新導(dǎo)入模型或重新導(dǎo)出stl文件再導(dǎo)入模型。

(2)導(dǎo)入模型后，對模型大小進(jìn)行設(shè)置。本次制作過程中，明式圈椅模型與實物的比例設(shè)置為1∶8。該比例下模型尺寸剛好適宜，不需要進(jìn)行拆分，所有構(gòu)件均可一次成型。如果模型和實物比例變大可能超過成型設(shè)備的工作區(qū)域時，需要通過拆分或者多次成型的方法進(jìn)行調(diào)整。

(3)設(shè)置模型大小完成后，需要在工作平面內(nèi)布置模型。將各模型構(gòu)件均勻布置在工作平面內(nèi)，遵循以下兩個原則：①布置模型時應(yīng)充分利用成型平臺的空間，盡可能多地排布模型。因為在同一成型平面內(nèi)，模型布置的數(shù)量和方向?qū)Τ尚蜁r間影響很小。充分利用成型平臺的空間，既可以提高成型效率，又能節(jié)省成型時間。②空間上進(jìn)行模型布置時應(yīng)盡量降低成型高度，增大支撐面的投影面積，做到節(jié)省成型時間的同時節(jié)省支撐用材，使成型過程更加合理。

(4)fotus 450快速成型設(shè)備中使用的是PLA材質(zhì)的絲狀線材。由于該種絲狀線材沒有與木質(zhì)材料相近的顏色，本次制作中材料的顏色選取品紅色。

(5)設(shè)置fotus 450快速成型設(shè)備的參數(shù)，根據(jù)正交試驗一得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，設(shè)置加工層厚為0.1 mm，材料擠出速度為50 mm/min，該參數(shù)組合可以提高成型表面的質(zhì)量。根據(jù)正交試驗二得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，設(shè)置填充率和成型壁厚。對于有一定厚度的長方體或圓柱體，填充率設(shè)置為99%，成型壁厚設(shè)置為0.9 mm。對于長方體薄片或曲面薄片，需要針對特定模型尺寸進(jìn)行設(shè)置，因為薄片模型的壁厚和填充率與自身尺寸相關(guān)，一般默認(rèn)由系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

(6)參數(shù)設(shè)置完成后，快速成型控制軟件自動切片，生成代碼，并開始加工。加工過程中，需要觀察各模型構(gòu)件是否出現(xiàn)變形問題，如翹曲、裂紋等。如果出現(xiàn)問題應(yīng)立即暫停加工，解決問題后繼續(xù)加工或者重新開始加工過程。

(7)模型加工完成后，需要進(jìn)行后處理工藝。后處理工藝的第一步是去除支撐材料，通過手工剝離的方法，但去除支撐過程中容易產(chǎn)生毛刺和凹槽。優(yōu)化方案為通過后續(xù)處理來提高模型的表面質(zhì)量。

(8)后續(xù)處理使用的是機械方法，通過手工進(jìn)行打磨拋光。打磨拋光的目的是去除模型表面的毛刺或凹槽，使模型表面達(dá)到光亮平整的效果。主要使用的工具為砂紙、紗綢布、羊絨輪等。后續(xù)處理完成后，明式圈椅模型制作完成。明式圈椅模型的零件拆卸如圖6所示，裝配效果如圖7所示。

圖6 明式圈椅模型零件拆卸

圖7 明式圈椅模型裝配效果

4 小結(jié)

隨著智能制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆向設(shè)計、3D打印技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。逆向設(shè)計后的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和快速成型制造是產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的新方向。將逆向設(shè)計技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于中國古典家具模型的設(shè)計與開發(fā)是面向產(chǎn)品創(chuàng)新逆向設(shè)計在家具方向的嘗試。本文以明式圈椅模型為實例，對明式圈椅模型進(jìn)行逆向設(shè)計和3D打印操作實踐，探討逆向設(shè)計和3D打印在中國古典家具模型開發(fā)中應(yīng)用的可行性與實際效果，以期為逆向設(shè)計和3D打印在中國古典家具模型的開發(fā)應(yīng)用提供實際操作經(jīng)驗和指導(dǎo)。中國古典家具模型的開發(fā)，有益于對中國古典家具經(jīng)典器型三維數(shù)據(jù)的復(fù)制和留樣，實現(xiàn)對傳統(tǒng)家具經(jīng)典器型的現(xiàn)代傳承設(shè)計，以及對傳統(tǒng)家具文化的現(xiàn)代弘揚。