基于三維數(shù)字化技術(shù)動物仿生產(chǎn)品模具的應(yīng)用＊

譚永明，袁世鵬，周敬勇，樓上游

（1.機械科學研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044；2.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室，山東青島 266237；3.合肥職業(yè)技術(shù)學院，安徽合肥 238000）

1 引言

傳統(tǒng)動物標本一直以來都是博物館、動物收藏家和學?？破战虒W的熱衷產(chǎn)品[1]，隨著國家經(jīng)濟、科技和教育行業(yè)的發(fā)展，動物標本市場也日趨壯大，但動物標本的制造需要借助動物尸體，并添加防腐藥劑對尸體進行防腐處理[2]。這樣，一方面，增加了不法分子盜獵的行為。另一方面，防腐劑中的毒性成分也會對樣本制造者和收藏者造成身體傷害。近年來，國家加大了對野生動物的保護和動物標本的管控力度，全國人大常委會于2020年2月24日通過《關(guān)于全面禁止非法野生動物交易、革除濫食野生動物陋習、切實保障人民群眾生命健康安全的決定》，對國家保護的野生動物標本追蹤溯源，切斷了非法獲取動物尸體的途徑。另外，也加大了動物標本的環(huán)保指標要求，這也促生了新型環(huán)保防腐藥劑的研發(fā)[3]，但一種穩(wěn)定又具有市場競爭力新型藥劑的研制不能一蹴而就，需要經(jīng)歷一個漫長的過程。動物標本的供需矛盾，促進了新技術(shù)對動物仿生產(chǎn)品的應(yīng)用和發(fā)展。

3D掃描數(shù)字技術(shù)、數(shù)字模塊化建庫和3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，讓動物標本制造者有了更多的嘗試，尤其是動物組織器官打印技術(shù)的研究[4～6]，逐漸走向成熟。3D樣本具有維護方便、環(huán)保、可復(fù)制強和成本低等優(yōu)點，成為標本制造的發(fā)展方向[7～8]，但現(xiàn)階段的3D打印設(shè)備對打印材料有一定局限性，導(dǎo)致直接通過3D打印的標本與需求還存在很大的差距。

三維數(shù)字化技術(shù)動物仿生產(chǎn)品基于3D掃描技術(shù)、數(shù)字化建模及數(shù)字化數(shù)據(jù)庫技術(shù)、3D打印快速制模技術(shù)和仿生新材料技術(shù)為一體的新型產(chǎn)品設(shè)計制造技術(shù)。該方法克服了當前3D打印技術(shù)受打印材料限制的弊端，借助快速成型法制造模具，并通過模具成型實現(xiàn)產(chǎn)品的批量化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的同時，降低了產(chǎn)品成本，為動物仿生產(chǎn)品的研制推廣提供了很好的途徑。

2 三維數(shù)字化技術(shù)動物仿生產(chǎn)品實現(xiàn)流程

動物仿生產(chǎn)品質(zhì)量提升的關(guān)鍵在于產(chǎn)品仿真性，實現(xiàn)全流程全部采用數(shù)字化技術(shù)是提高仿真性的最佳途徑。首先，使用手持跟蹤式三維激光掃描儀對選定的野生動物樣品進行全方位數(shù)據(jù)掃描，獲取的原始數(shù)字模型通過專用軟件對掃描型面遺漏細節(jié)修復(fù)，修復(fù)后的數(shù)字模型按照需求制作標準化模塊并入庫儲存，對需求標準化模塊進行數(shù)字化模具建模，然后，使用3D打印機完成模具制造，最后，采用仿生產(chǎn)品所需的特制材料完成模具成型，制造出最終的仿生產(chǎn)品。其實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字化技術(shù)動物仿生產(chǎn)品的實現(xiàn)流程

3 三維數(shù)字化技術(shù)動物仿生產(chǎn)品的實現(xiàn)

3.1 動物信息3D掃描技術(shù)

目前，動物仿生產(chǎn)品主要分為動物器官和動物仿真產(chǎn)品，如圖2和圖3所示。因為形狀復(fù)雜，通過測繪手段無法保證獲取數(shù)據(jù)的準確性，借助3D激光掃描獲取外形數(shù)據(jù)，自動建模，并可以使用跟蹤技術(shù)對局部重要部位重復(fù)掃描修正，其方法便捷，數(shù)據(jù)也更為準確。掃描數(shù)據(jù)以理論坐標數(shù)字形式進行記錄，修復(fù)時可以自動校正數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)疊加，保證了獲取數(shù)據(jù)的準確性。

圖2 海豚骨骼的3D掃描

圖3 海豚的3D掃描

3.2 原始數(shù)字模型及修復(fù)技術(shù)

3D激光掃描儀通過激光對掃描對象外形掃描，并以數(shù)字點陣的形式進行數(shù)據(jù)獲取及儲存，大面掃描效率高且數(shù)據(jù)準確，但對動物身上一些精細處無法掃描的盲區(qū)會出現(xiàn)空白數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致掃描型面出現(xiàn)缺失，結(jié)構(gòu)面不完整，需要通過專用軟件進行片體補面，并對掃描采集的干擾點進行去除，以保證掃描模型的完整性。修復(fù)前后的模型如圖4所示。

圖4 原始數(shù)字模型及修復(fù)后數(shù)字模型

修復(fù)后的數(shù)字模型本身可以作為一個單獨的產(chǎn)品，其不僅僅可以用作數(shù)字產(chǎn)品對外展示，如三維動畫影視素材，數(shù)字展館中的產(chǎn)品等。因為數(shù)字模型的全實物仿真性，數(shù)字模型還可以為動物醫(yī)療和生物教學研究提供準確的數(shù)據(jù)庫。

3.3 數(shù)字模型模塊化及建庫技術(shù)

科普研究對數(shù)字化動物產(chǎn)品要求極高，動物整體的外形尺寸只是其需求的必要參數(shù)之一，動物不同器官建立的數(shù)字化模型庫是對數(shù)字化動物產(chǎn)品更深層次的要求。數(shù)模庫可以為不同分類動物、不同年齡段和不同器官的數(shù)模進行分類存儲和數(shù)據(jù)調(diào)取，更為簡單有效的獲得所需動物詳細信息，其數(shù)據(jù)庫的建立也是一個繁重而有意義的工作。動物數(shù)字模型模塊化及數(shù)模庫如圖5和圖6所示。

圖5 動物數(shù)字模型模塊化

圖6 海洋生物數(shù)模庫

3.4 3D打印模具模型設(shè)計及制造

近5年來，我國3D打印行業(yè)迅速崛起，年增長率始終保持25%以上的增速。2016年規(guī)模以上增材制造企業(yè)總產(chǎn)值為20.3億元，同比增長87.5%；2017年上半年總產(chǎn)值為11.6億元，同比增長超五成[9～11]。目前，中國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)快速增長，但與發(fā)達國家相比，我國增材制造產(chǎn)業(yè)尚存在的問題和短板有[12]：關(guān)鍵技術(shù)滯后、創(chuàng)新能力不足、專用材料性能亟需提高、高端裝備及零部件質(zhì)量可靠性有待提升、應(yīng)用廣度深度有待提高等。3D打印雖然在航天和國防、醫(yī)療設(shè)備、工藝品業(yè)、陶瓷業(yè)、建筑產(chǎn)業(yè)、考古行業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、汽車制造業(yè)、配件以及飾品等多行業(yè)都得到快速推廣，但并不是所有材料都適合3D打印，從而限制了產(chǎn)品的制造空間，3D打印技術(shù)在文旅方面也發(fā)展較慢，尤其是生物3D打印技術(shù)方面，至今沒有突破性進展。

三維數(shù)字化技術(shù)動物仿生產(chǎn)品選用有“人工肌肉”之稱的水凝膠作為產(chǎn)品的制造材料，水凝膠有流動性強、彈性大和抗疲勞強度高等特點，最主要一點是它更符合動物肌肉的組成，最適合仿生動物的制造材料。目前，受到技術(shù)手段的限制，不能通過3D打印直接完成仿生產(chǎn)品的制造，但可以借助模具注射成型的方法來形成產(chǎn)品。

傳統(tǒng)模具主要應(yīng)用于金屬、塑料和橡膠等產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)[13～14]，通常使用模具鋼作為模具制造材料，該材料具有耐高溫和壽命長等特點，通過機械切削完成模具部件的加工制造，模具既可以承受高溫，又具有高的強度及耐磨性。水凝膠成型是一種物理化學的凝合，成型過程不存在熱量變化，而且，仿生動物外形不規(guī)則性強，型面窄小且起伏度大，導(dǎo)致依靠機械加工的傳統(tǒng)模具，無法適用于仿生動物產(chǎn)品的模具要求。

3D打印技術(shù)在水凝膠制品模具制造方面具有一定優(yōu)勢。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)：①可以避免傳統(tǒng)機加工模具的切削清根問題，加工后外形真實性更高，在復(fù)雜外形的仿生產(chǎn)品制造方面更具優(yōu)勢；②可以實現(xiàn)殼體（3～5mm厚度）打印，最大限度的降低模具的用料和加工成本，并且可以減輕模具重量，提高材料利用率；③通過3D打印快速成型的方法可以大幅度縮短模具的加工周期，提高加工效率。三維數(shù)字化技術(shù)動物仿生產(chǎn)品3D打印模型及成型模具如圖7和圖8所示。

圖7 海豚尾巴3D打印模型

圖8 加工完成后的模具

3.5 動物仿生產(chǎn)品的制造

動物仿生產(chǎn)品成型類似于橡膠件的注射成型技術(shù)，不同處在于材料不需要加熱冷卻，產(chǎn)品成型后的變形系數(shù)也更低。將試劑混合的超高強度水凝膠注入加工好的模具中，保持24h膠體固化，開模取出毛坯制件，對制件去除飛邊和后期上色等精細化處理。成型后的產(chǎn)品毛坯件如圖9所示。

圖9 海豚尾巴成型毛坯件

3.6 動物仿生產(chǎn)品的保存

用水凝膠制造完成的動物仿生產(chǎn)品暴露在空氣中，長期接受陽光照射會出現(xiàn)表皮硬化和開裂。其保存方式也比較簡單，在產(chǎn)品保存時，放置在裝滿清水的容器中，可以確保材料性能長期保持穩(wěn)定。如圖10所示。

圖10 水凝膠產(chǎn)品的保存及維護

4 模具制造方式對比分析

通過傳統(tǒng)橡膠件注塑成型模具和3D打印模具的對比分析，獲取動物仿生產(chǎn)品模具選型的優(yōu)勢。動物仿生產(chǎn)品具有類型多、形狀復(fù)雜、產(chǎn)品需求數(shù)量少和成型要求高等特點，所以，在選擇模具制造方式方面，更傾向于制造快捷、成本低、模具使用壽命要求不高和形狀制造貼合度高等要求。海豚尾巴兩種加工方式模具的對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 海豚尾巴兩種加工方式模具的對比數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)對比可以看出3D打印海豚尾巴模具除了在使用壽命上占據(jù)劣勢外，其余方面都保持了絕對競爭優(yōu)勢，尤其是加工周期方面。通過3D打印方式，模具設(shè)計簡單，組成部件少，加工更高效。由于文旅產(chǎn)品具有產(chǎn)品種類多樣，且產(chǎn)品市場面小等特點，2萬套的使用壽命完全可以滿足絕大多數(shù)文旅產(chǎn)品的需求，所以，動物仿生產(chǎn)品采用3D打印模具方式最為合適。

5 總結(jié)

隨著科技發(fā)展和進步，中國在新材料、新技術(shù)和新工藝方面都得到跨越式發(fā)展，這也給中國模具產(chǎn)業(yè)帶來了更多的機會和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的優(yōu)勢行業(yè)需要根據(jù)前沿產(chǎn)品的需求，不斷革新以適應(yīng)新產(chǎn)品的推進步伐。新型動物仿生產(chǎn)品作為國內(nèi)新興文旅市場的發(fā)展方向，具有環(huán)保、高仿真和快捷制造維護等優(yōu)點，受到市場的青睞。其制造材料和加工方式相對傳統(tǒng)文旅制品更加苛刻，經(jīng)過探索和市場驗證，三維數(shù)字化技術(shù)的動物仿生產(chǎn)品和3D打印模具的應(yīng)用，很好的解決了新型動物仿生產(chǎn)品設(shè)計制造的“瓶頸”，為提升其在產(chǎn)品市場中競爭力提供了合理解決方案。