基于Creo Parametric技術的馬尾松微觀模型構建

楊天舒，胡進波，汪倩倩，王熠章，萇姍姍，劉 元

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

對木材微觀構造的認知，不僅是木材鑒定的主要依據(jù)，也是木材材性研究的理論基礎[1]。木材是由細胞組成，主要細胞有管胞、導管、纖維、軸向薄壁組織、木射線、胞間道等，不同種類木材的細胞組成及排列不相同，繼而形成了各樹種木材豐富的微觀/超微觀構造。隨著木材解剖技術、顯微技術等分析觀測手段的不斷進步，木材微觀構造認識得到了快速、全面的發(fā)展。借助放大鏡、體視顯微鏡能觀察到木材細胞組織形貌、排列輪廓等[2-3]，在光學顯微鏡下可以清楚分析木材細胞類型、細胞分布、細胞壁構造等[4-6]，而細胞壁結(jié)構特征可以憑借掃描電鏡清楚地捕捉和分析[7-9]，這些手段和方法都觀察和分析的是木材二維平面圖像。覃卓凱[10]通過3Ds Max 建模技術繪制10 種闊葉材的微觀結(jié)構，并以石膏粉末為原料進行立體打印，清晰呈現(xiàn)木材微觀三維立體構造。有關木材微觀結(jié)構研究、從微觀至超微觀、從二維圖像至三維成像，學者們展開了大量工作，但目前對于木材微觀模型構建的研究非常少見，木材三維立體結(jié)構仍缺少恰當?shù)膶嶓w化呈現(xiàn)方式。

Creo Parametric 技術具有參數(shù)化建模、實體特征建模等特點，可以通過參數(shù)化精確處理內(nèi)部復雜結(jié)構對象；對于內(nèi)部結(jié)構差異大的單元及其多種類，可以通過模型參數(shù)確定，提高建模效率、相似度和準確度[11-12]。此外，Creo Parametric 參數(shù)化建模的關鍵在于根據(jù)模型特點建立樣本模型并分析提取模型的設計參數(shù)，因此，對于結(jié)構類似的建模對象可通過修改設計參數(shù)來實現(xiàn)，不必像3Ds Max、CAD 等軟件重新再構建新模型[13-14]。木材具有細胞類型豐富、細胞排列方式各異、細胞尺寸多樣化等結(jié)構復雜且各向異性特點，建模過程中需要靈活調(diào)節(jié)模型參數(shù)才能達到快速建模的效果。本研究選取常見的針葉材馬尾松Pinus massoniana為研究對象，對其顯微構造進行觀察與分析，測量其主要細胞組織形態(tài)特征，通過運用參數(shù)化建模方法[15]，基于Creo Parametric 技術對馬尾松的微觀結(jié)構進行分析建模，將設計的基元依實際微觀觀測結(jié)果進行靈活校正，然后將Creo Parametric 模型與打印平臺相結(jié)合，利用3D 打印技術將虛擬的模型物化，獲得馬尾松木材微觀構造的三維立體“宏觀”實體模型。Creo Parametric技術是一種更便捷、更精準地宏觀展示木材微觀構造特征的研究方法，以期滿足木材微觀或超微觀等復雜多變的結(jié)構認知，也期望為木材科學科普、木材美學價值開發(fā)利用等方面提供基礎參考，也將為制備生物質(zhì)模板、高性能仿生材料制備研究提供生物學理論基礎。

1 建模前準備

1.1 實驗材料

馬尾松木材采自湖南祁陽某林場。主要化學藥劑：1%番紅染液（上海陸忠化學試劑有限公司），無水乙醇（國藥集團化學試劑有限公司），中性樹膠（上海化學試劑廠），30%硝酸（國藥集團化學試劑有限公司）。弘瑞3D 打印機和Ф1.75 mm PLA 打印絲。

1.2 試驗方法

1.2.1 顯微制片

制作10 mm×10 mm×10 mm（縱向×弦向×徑向）木材試樣，將試樣放入燒杯中煮至下沉以排除試樣內(nèi)空氣。用滑動式切片機將木材表面切平整，分別切取10～15 μm 厚度的木材三切面。選取完整的切片用1%番紅染液染色10 h，隨后分別用濃度為50%、70%、85%、95%、100%的酒精逐級脫水，各10 min，最后用中性樹膠進行封固制作永久切片[16]。

1.2.2 木材細胞離析

將馬尾松試樣沿縱向劈成小火柴狀，在試管中放入數(shù)根并加水至淹沒，置于水浴鍋中加熱煮沸，至小木棒下沉排出木材內(nèi)部空氣。將試管中的水移除后加入30%硝酸，在水浴鍋中加熱至完全軟化，震蕩后呈絮狀。靜置后倒出硝酸，用蒸餾水清理數(shù)次至溶液顏色變成無色，無酸性。用毛筆挑出少許木漿置于載玻片上，制成臨時切片進行觀察[17]。

1.2.3 微觀構造的Creo Parametric 建模

首先對馬尾松的微觀構造特征進行觀測與分析，包括管胞、軸向薄壁組織、木射線和樹脂道的微觀構造特征，以及各細胞組織的長度、寬度、壁厚、胞腔直徑，組織比量等構造形態(tài)特征；然后采用Creo Parametric 技術依據(jù)木材三切面的細胞組織排列及形貌特征，確定馬尾松木材微觀模型的外形和尺寸參數(shù)；最后通過實體的混合、掃描、拉伸、旋轉(zhuǎn)、陣列等命令完成木材微觀構造模型創(chuàng)建[12]。

1.2.4 3D 打印

在Creo Parametric 中將馬尾松微觀模型以stl 格式導出，將stl 文件在弘瑞3D 打印系統(tǒng)（Modellight）中打開，模擬狀態(tài)下調(diào)整馬尾松微觀模型的位置，使其放置位置便于打印與取件。調(diào)整完成后進行切片處理，分析其打印過程是否存在缺陷，無誤后以gcode 格式導出切片數(shù)據(jù)。打開弘瑞打印機，將弘瑞Ф1.75 mm PLA 打印絲插入送料器預熱。預熱完成后，在操作界面打開gcode格式，點擊開始打印。

2 建模參數(shù)的確定

2.1 馬尾松整體結(jié)構尺寸的確定

圖1為經(jīng)番紅染色的馬尾松木材三切面顯微圖像。從圖1a 中可以看出，組成馬尾松的主要細胞類型為軸向管胞，軸向管胞在橫切面上呈四邊形或六邊形，沿徑向有序排列。在一個生長周期內(nèi)，早材至晚材過渡急變。正常軸向樹脂道在橫切面單獨分布，靠近晚材帶或早晚材交界處。在弦切面上（圖1b），徑向樹脂道存在于紡錘狀木射線中。木射線在橫切面上呈輻射條狀，在弦切面上呈短線或紡錘狀，以單列木射線為主，通常4～6個細胞高。在徑切面上（圖1c），軸向管胞壁具有具緣紋孔，橫臥的射線薄壁細胞與早材軸向管胞交叉形成井子區(qū)。

圖1 經(jīng)番紅染色的馬尾松木材微觀三切面Fig.1 Microscopic three-sections of Pinus massoniana Lamb.stained with safranin

為獲取建模數(shù)據(jù)對橫切面的特征進行分析。將橫切面進行劃分為晚材（a）、晚材（b）、晚材（c）、早材（a）、早材（b）、早材（c）6 個區(qū)域，如圖2所示。

圖2 橫切面區(qū)域劃分Fig.2 Division of cross-sectional area

采用ImageJ 圖像軟件[18]分別測量6 個區(qū)域管胞的弦向直徑、弦向腔徑、徑向直徑。計算管胞的弦徑直徑比和弦向壁腔比[19]，如表1所示。

通過表1可知，從早材到晚材管胞的弦向直徑、徑向直徑、弦向腔徑均逐漸減小，即管胞直徑在逐漸減小。管胞弦向直徑與徑向直徑的比值由接近于1 逐漸變大，表明管胞在橫切面形態(tài)由正方形向長方形漸變。同時，管胞弦向壁腔比逐漸變大說明從早材至晚材管胞胞壁逐漸變厚。

2.2 組織細胞形態(tài)尺寸的確定

2.2.1 軸向管胞

軸向管胞是針葉樹材最主要的細胞類型，沿主軸方向排列的厚壁細胞，胞壁上具有紋孔，起輸導水分和機械支撐的作用[20]。管胞在橫截面上沿徑向排列，彼此之間有些交錯。早材與晚材管胞形態(tài)略有不同，早材管胞腔大壁薄，橫截面呈六邊形或多邊形，兩端呈鈍闊形。而晚材管胞腔小壁厚，橫截面呈扁平的四邊形，兩端呈尖楔形。采用ImageJ圖像軟件[18]對管胞的外形尺寸進行測量，早材管胞平均直徑為50 μm，平均長度3.3 mm；晚材管胞平均直徑34 μm，平均長度3.6 mm。軸向管胞約占木材體積90%。管胞壁上可觀察到具緣紋孔，在徑切面上可以看到紋孔口呈圓形單列分布，大而多（圖3）。

表1 馬尾松早晚材不同區(qū)域管胞結(jié)構形態(tài)數(shù)據(jù)Table 1 Data of tracheid at different areas of early and late wood of Pinus massoniana Lamb.

圖3 馬尾松木材早材(a)與晚材(b)管胞形態(tài)Fig.3 Morphology of earlywood tracheid(a) and latewood tracheid(b) of Pinus massoniana Lamb.

2.2.2 薄壁細胞

軸向薄壁細胞相互串聯(lián)形成軸向薄壁組織。經(jīng)離析后得到的馬尾松軸向薄壁細胞，軸向薄壁細胞壁薄腔大，數(shù)量較少，細胞較短，兩端水平，壁上為單紋孔，與軸向管胞形成鮮明的對比（圖4）。采用ImageJ 圖像軟件[18]對薄壁細胞的外形尺寸進行測量，薄壁細胞的平均長度為96 um，平均直徑為17 um。

圖4 經(jīng)離析得到的馬尾松木材薄壁細胞Fig.4 Pinus massoniana Lamb.parenchyma cell obtained by isolation

橫向分布的薄壁細胞是位于木射線中的射線薄壁細胞。射線薄壁細胞形體大，呈矩形或者不規(guī)則形狀，壁上具單紋孔，是組成木射線的主體。木射線是組成針葉木材的主要成分，約占總體積的7%[21]，在弦切面上可以觀察到木射線主要有單列木射線和紡錘形木射線兩種形態(tài)。泌脂細胞是一種薄壁細胞，細胞壁薄，細胞腔較大，泌脂細胞壁上無紋孔，少而小。樹脂道是由泌脂細胞、死細胞、伴生薄壁細胞和管胞所構成的一種孔道結(jié)構，平均占木材體積的0.1%～0.7%[22]。

3 馬尾松建模與成型

3.1 細胞參數(shù)化建模

Creo Parametric 參數(shù)化是根據(jù)零件或組件的特點，對各部分進行形體分析，并賦予其特征值，通過改變特征值來進行快速建模和幾何模型修改[23]。參數(shù)化建模最重要的是建立參數(shù)化的草繪，每一個草圖需獨立存在，彼此之間建立約束，固定其位置。當控制參數(shù)改變時，可保證各草繪圖形不發(fā)生交錯或重疊。下面以單列木射線為例建立草繪約束圖，如圖5所示。

在建模過程中可充分利用尺寸約束與關系式，對于尺寸相同的基元建立尺寸約束，如長度、寬度、直徑等可變參數(shù)，通過修改其中一個尺寸，相同尺寸也會隨著改變。同時為保證各基元之間的相對位置，可建立如平行、垂直、對稱等位置約束。尺寸約束與關系式是尺寸驅(qū)動建模的前提，通過尺寸修改從而達到快速建模的要求。

圖5 單列木射線草繪約束圖Fig.5 Sketch constraint diagram of uniseriate ray

根據(jù)各細胞組織的特點及形貌尺寸參數(shù)，分別完成木射線模型、紡錘形木射線、樹脂道模型、軸向薄壁組織模型的創(chuàng)建，如圖6所示。

圖6 4 種細胞組織模型的創(chuàng)建Fig.6 Establishment of four kinds of cell tissue models

3.2 細胞零件庫建立及族表應用

細胞零件庫的建立為馬尾松木材微觀模型的快速建模提供了基礎。為有效提高建模速度，可以將創(chuàng)建好的零件存儲在系統(tǒng)中，建模過程中如果需要此零件可以直接從零件庫中進行調(diào)用。下面以軸向管胞為例，對利用族表創(chuàng)建零件庫的方法進行說明。軸向管胞的橫切面整體呈矩形，在草繪圖形中以d20、d19、d18、d17 作為主要驅(qū)動尺寸[24]進行參數(shù)化設置，如圖7a所示。d20 代表內(nèi)壁長，d19 代表內(nèi)壁寬，d18 代表外壁寬，d17代表外壁長。草繪完成后將對象拉伸并倒圓角，如圖7b所示。族表是一種將相似的模型特征、參數(shù)、尺寸進行歸納的表格。表格的每一行代表一種新的模型，每一列代表相對應模型的參數(shù)特征，在使用族表前首先要建立母模型，然后通過修改母模型相對應的參數(shù)從而獲得新的子模型[25-26]。使用Creo Parametric 工具下的族表按鈕，選定行插入新的實例，插入新的表列，通過輸入d20、d19、d18、d17 新的數(shù)值來改變軸向管胞形態(tài)。圖8為通過改變數(shù)據(jù)構建的6 組軸向管胞示例。

通過Creo Parametric 的特征編輯和自帶的族表功能可以快速的編輯和修改特征，通過族表改變參數(shù)的數(shù)值來改變軸向管胞的長度、寬度、壁厚和高度等參數(shù)，從而創(chuàng)建不同形態(tài)尺寸規(guī)格的軸向管胞并將其進行分類保存。圖9為早材管胞與晚材管胞的細胞模型。

3.3 裝配與打印

細胞組織設計完成后可以通過零件之間配合關系建立約束條件，按照細胞的排布規(guī)律進行裝配，形成一個完整的馬尾松木材微觀模型。在Creo Parametric 中裝配約束可分為剛性約束和用戶自定義約束兩種類型[27]。剛性約束主要針對固定連接模型并限制其6 個自由度，裝配方式主要為匹配、插入、對齊等。而用戶自定義約束主要針對活動模型并使其自由度大于等于1，主要裝配連接方式有銷、滑塊、圓柱、槽等[28]。新建裝配文件，從文件外調(diào)入要裝配的零件、子組件或者骨架模型，其后再增加其他的細胞組織從而形成整體。馬尾松木材的微觀模型如圖10所示，并與實際觀察的微觀圖像進行對比。

圖7 軸向管胞的參數(shù)化模型Fig.7 Parametric model of longitudinal tracheids

圖8 族表調(diào)節(jié)后的軸向管胞模型Fig.8 Longitudinal tracheids model after adjustment of family table

采用熔融層積成型技術[29]，該技術具有成型速度快，生產(chǎn)周期短，制造成本和材料成本較低等優(yōu)點，因此得到廣泛的應用。將creo 模型導入弘瑞3D 打印系統(tǒng)（Modellight）中設計打印參數(shù)（填充密度、角度、外殼等）并進行模擬和切片分析，如圖11a—b所示。模擬分析完成后，預熱打印機，將弘瑞Ф1.75 mm PLA 打印絲進行熔融，打印過程如圖11c所示。采用弘瑞Ф1.75 mm PLA 打印絲，因其具有好的剛度，可顯著的提高模型的硬度，使模型不易破損，經(jīng)久耐用，馬尾松木材微觀實體模型如圖11d所示。

圖9 早材管胞（左）和晚材管胞（右）模型Fig.9 Early wood tracheids (left) and late wood tracheids (right) models

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本研究通過顯微觀測和木材細胞組織離析獲取了馬尾松木材的微觀構造特征，利用Creo Parametric 技術對木材微觀構造進行建模，并通過3D 打印技術將虛擬的模型物化獲得馬尾松木材微觀構造的實物模型。該研究為木材微觀構造立體模型的創(chuàng)建和木材微觀結(jié)構的可視化提供探索性思路。同時根據(jù)Creo Parametric 技術也可進行其他針葉材或者內(nèi)部微觀結(jié)構更加復雜的闊葉材模型的構建。這種木材微觀構造的立體模型，讓人們更加直觀、方便地認識木材的微觀結(jié)構特征，對木材科學研究與教學具有實際意義。

圖10 基于Creo Parametric 技術的馬尾松木材微觀三維模型構建Fig.10 Construction of microscopic 3D model of Pinus massoniana Lamb.based on Creo parametric technology

圖11 馬尾松木材微觀結(jié)構3D 打印流程Fig.11 3D printing process of microstructure of Pinus massoniana Lamb.

4.2 討 論

因木材內(nèi)部微觀結(jié)構的復雜多樣性，本研究只對馬尾松木材的主要微觀結(jié)構特征進行分析觀察，對胞壁的超微結(jié)構形態(tài)特征未能全面分析。3D 建?？闪Ⅲw展示木材微觀構造，但還未達到1∶1完整復制。此外受打印機的打印精度限制，胞壁厚無法等比例放大，壁厚應大于等于1 mm，模型內(nèi)部走絲過程，略顯粗糙，最終打印的木材微觀構造立體模型實物與設計模型存在些許誤差。這些不足將隨著3D 建模和打印技術的成熟而逐漸改進，更具體形象的針葉材，闊葉材等微觀模型將展現(xiàn)于人們面前。