淺談3D打印中設(shè)計(jì)模型的導(dǎo)入及相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)*

龔柏茂

(浙江師范大學(xué) 文化創(chuàng)意與傳播學(xué)院,浙江 金華 321004)

隨著科技的發(fā)展，3D打印出現(xiàn)了一些新技術(shù)、新工藝，這些新技藝為設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了全新的革命和旺盛的生命力.與傳統(tǒng)的二維打印相比，3D打印更具備真實(shí)性、直觀性和可塑造性等特點(diǎn).它在給觀眾帶來全新視覺體驗(yàn)的同時(shí)，還為設(shè)計(jì)師們提供了廣闊的創(chuàng)意空間和靈感，它讓設(shè)計(jì)變得更加豐富多彩、魅力無窮[1].但是，3D打印作為一種新技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)領(lǐng)域還需要經(jīng)歷一定階段的摸索才能成功，才能更好地為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)服務(wù).根據(jù)筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在3D打印成形前，必須注意打印前的模型設(shè)置和出樣打印時(shí)的參數(shù)調(diào)節(jié).

1 3D打印模型的設(shè)計(jì)需求

如今，大部分的設(shè)計(jì)離不開設(shè)計(jì)軟件，正是得益于設(shè)計(jì)軟件，才使設(shè)計(jì)行業(yè)披上了飛翔的翅膀.每項(xiàng)設(shè)計(jì)的成功推出，背后都是依靠設(shè)計(jì)軟件強(qiáng)大的繪圖功能.如汽車制造業(yè)的Alias、工業(yè)設(shè)計(jì)的犀牛、影視動(dòng)畫的maya和3dmax等等.不同行業(yè)使用的軟件大小、類型都各不相同，但通過這些設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出的三維作品最終都需要轉(zhuǎn)換成適合3D打印機(jī)所需的stl文件格式[2].這種stl文件模型是以三角形網(wǎng)格來表現(xiàn)立體模型的，其文件格式是RepetierHost、Model Wizard 等3D打印軟件的通用格式.然而，不是所有的三維軟件最終都能成功地轉(zhuǎn)為stl文件，也不是所有的stl文件都能成功地被打印出來，要實(shí)現(xiàn)成功的3D模型打印，在打印之前還必須分清模型的來源和stl文件導(dǎo)出前的參數(shù)校對.

2 3D模型的來源

所謂模型來源，就是為3D打印時(shí)提供的設(shè)計(jì)圖紙.3D打印的模型最初設(shè)計(jì)可以通過任何一個(gè)三維軟件制作生成，但主要的模型來源可歸結(jié)為以下3個(gè)途徑:1)二、三維軟件設(shè)計(jì)出來的建模模型.這里有很多軟件都有這種功能，但比較適合3D打印的建模軟件首推CAD軟件.2)通過三維掃描儀進(jìn)行實(shí)物掃描的模型.一些實(shí)物通過高精度的三維掃描儀將實(shí)物轉(zhuǎn)化為三維軟件可編輯的數(shù)字模型，將這類模型導(dǎo)入電腦后，使用相關(guān)的三維軟件對其進(jìn)行處理和再設(shè)計(jì)，最終也能生成適合3D打印的模型文件.3)借用網(wǎng)絡(luò)模型資源.通過互聯(lián)網(wǎng)，從網(wǎng)絡(luò)上下載部分已經(jīng)設(shè)計(jì)好的三維模型，再對這些模型進(jìn)行加工設(shè)計(jì)和格式轉(zhuǎn)換.

以上3種模型創(chuàng)建方式，都可以通過三維軟件編輯來保證模型數(shù)據(jù)的精確度，但由于RepetierHost、Model Wizard 等3D打印軟件和3D打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是stl文件，這種stl文件對模型的網(wǎng)格精確度要求非常高，所以對模型的交線、法線等都有嚴(yán)格的要求.這也就是說，在某種程度上三維CAD軟件是3D打印中比較好的數(shù)據(jù)模型編輯軟件.因此，建議模型設(shè)計(jì)后使用CAD軟件導(dǎo)出stl文件更為穩(wěn)妥[3].

圖1 非流形圖

3 模型導(dǎo)出前的校對

從前面的分析可以知道，不是所有的三維模型最后都能通過3D打印機(jī)打印成型，這些模型在最終輸出前還必須校對一些細(xì)節(jié)參數(shù),稍有失誤，模型就無法打印或者打印出完全與模型不一樣的形體.所以，在導(dǎo)出前必須注意以下幾個(gè)方面的檢查:1)數(shù)字模型必須為封閉模型.這就是說模型的線與面都是相連封閉的，不能出現(xiàn)單一的斷頭和空缺的表面，如果有斷頭線或者某個(gè)面破損，模型文件就無法實(shí)現(xiàn)3D打印.這些檢查會(huì)有一定的難度，尤其是對線與線之間是否連接在一起的檢查.如果實(shí)在檢查不出什么問題，最后還可以嘗試使用AccuTrans插件功能——此功能將會(huì)為你標(biāo)記出存在此問題的區(qū)域，從而方便全方位檢查.2)數(shù)字模型自身屬性必須是流形(manifold).這里的“流形”簡單地理解就是模型的網(wǎng)格相交線，這些相交線都是兩個(gè)面相交所得.換句話說，就是一個(gè)模型網(wǎng)格中存在著多個(gè)面共享一條邊線，那么這個(gè)數(shù)字模型就是非流形 (non-manifold).如圖1所示模型的4個(gè)面相交于一條線，該模型為非流形模型，即不可3D打印的模型.3)檢查模型的法線是否正確，是否統(tǒng)一.在導(dǎo)出模型前必須檢查模型中所有表面的法向是否指向一個(gè)正確的方向和統(tǒng)一的方向.如果數(shù)字模型中各表面的法向正反不一，那么3D打印機(jī)在打印時(shí)就不能辨別模型的表面是內(nèi)部面還是外部面[4].

綜上所述，3D打印的模型設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的二維模型設(shè)計(jì)有很多不同之處，如果在模型設(shè)計(jì)時(shí)能把握住以上這些限制，那么3D模型打印就成功了一半.

4 設(shè)計(jì)模型輸出時(shí)的參數(shù)調(diào)節(jié)

目前，通常使用的3D打印軟件有RepetierHost,Model Wizard 等.根據(jù)個(gè)人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就以RepetierHost 3D打印軟件為例來詳細(xì)分析一項(xiàng)設(shè)計(jì)作品在3D打印前所做的基本配置參數(shù)調(diào)節(jié).

1)需要在連接3D打印機(jī)的電腦上先安裝RepetierHost上機(jī)位軟件.安裝RepetierHost上機(jī)位軟件之前需要注意兩點(diǎn):一是在32位的XP系統(tǒng)環(huán)境下，必須先安裝Net framework支持庫，win7系統(tǒng)不作此要求;二是關(guān)閉相關(guān)的殺毒軟件攔截功能.有了此前提后才可以雙擊setupRepetierHost.exe 文件開始安裝.安裝過程跟其他軟件一樣，根據(jù)個(gè)人喜好選擇相關(guān)語言和安裝路徑等.

2)導(dǎo)出設(shè)計(jì)模型為stl文件.在相關(guān)的設(shè)計(jì)軟件中，將設(shè)計(jì)好的三維模型通過保存或?qū)С龅姆绞?，保存為stl文件即可.但是從autoCAD中導(dǎo)出stl文件需注意以下幾個(gè)問題：①CAD中輸出的模型必須為三維實(shí)體，且XYZ坐標(biāo)都必須為正值;②在CAD軟件的命令行輸入“faceters”，設(shè)定“faceters”為1～10之間的一個(gè)值(值越小模型精度就越低，值越大模型精度就越高)，然后在命令行輸入命令“stlout”,選擇CAD中的實(shí)體模型，選擇“Y”，輸入二進(jìn)制文件，選擇文件名保存即可.

3)設(shè)置RepetierHost上機(jī)位軟件的相關(guān)打印參數(shù).將3D打印機(jī)器連接，打開RepetierHost軟件.首先點(diǎn)擊右上角的打印機(jī)設(shè)置，選擇對應(yīng)的窗口，把波特率調(diào)到115 000以上(波特率即為調(diào)制速率，指信號(hào)被調(diào)制以后在單位時(shí)間內(nèi)的變化情況，也就是說單位時(shí)間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù))，要記得勾選“使用ping-pong通訊”按鈕.接著設(shè)置ABS溫度控制，把“缺省擠出頭溫度”設(shè)置在230～250 ℃之間，“缺省加熱床溫度”設(shè)置在100～120 ℃之間，切記要勾選“任務(wù)中斷結(jié)束后關(guān)閉馬達(dá)”的按鈕.如圖2所示.

圖2 RepetierHost設(shè)置面板圖

接著再進(jìn)行配置切片設(shè)置，找到“切片配置目錄”下的“slic3r目錄”，將此目錄文件復(fù)制到C:usersadministratorappdata oaming替換系統(tǒng)原先自動(dòng)生成的slic3r文件，然后點(diǎn)擊配置，并查看新生成的配置參數(shù).有了上一步的操作，才可以進(jìn)行配置代碼生成器.第1步先設(shè)置打印速度，為了安全和準(zhǔn)確，最理想的速度是30 mm/s,如圖3所示.第2步設(shè)置耗材.將耗材輸出直徑設(shè)為3 mm，ABS擠出溫度為230 ℃，熱床溫度為110 ℃;PLA擠出溫度為190 ℃，熱床溫度為60 ℃.第3步設(shè)置打印噴嘴.這里根據(jù)個(gè)人需要設(shè)置，噴嘴越細(xì)精度越高，但對耗材和溫度的要求也越高，一般是系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置.第4步檢驗(yàn)設(shè)置是否生效.到代碼編輯器內(nèi)檢查layer_height=0.3;nozzle_diameter=0.4;filament_diameter=1.75,這些設(shè)置是否與原先設(shè)置一致；檢查m190 s110;wait for bed temperature to be reached,m104 s230;set temperature這些溫度設(shè)置是否也和耗材設(shè)置的一致.若這些參數(shù)都一致，則說明配置切片設(shè)置成功，可以進(jìn)行打印測試.

圖3 切片設(shè)置參數(shù)圖

4)輸入stl文件，進(jìn)行測試打印.在RepetierHost軟件中選擇輸入文件，找到前面導(dǎo)出的三維模型——stl文件，導(dǎo)入后會(huì)在軟件的右下角顯示這個(gè)stl文件.再到輸入按鈕的旁邊點(diǎn)擊“連接”，看到連接按鈕變綠后就可以點(diǎn)擊旁邊的“運(yùn)行任務(wù)”按鈕.按鈕按下后，3D打印機(jī)器會(huì)根據(jù)前面設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行復(fù)位調(diào)整，這需要幾十秒甚至更長的時(shí)間來準(zhǔn)備，注意此時(shí)別誤以為是設(shè)置失敗而反復(fù)關(guān)閉或再次調(diào)解參數(shù).

5 小 結(jié)

經(jīng)過一番設(shè)計(jì)、配置調(diào)整參數(shù)和耐心等待后，設(shè)計(jì)模型將會(huì)以全方位的真實(shí)物體呈現(xiàn)在我們的面前.這是設(shè)計(jì)革命的開端，也是3D打印技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合的成果.但是，設(shè)計(jì)軟件仍然是3D打印技術(shù)的核心.從CAM、CAD、二維軟件，到更多的3D軟件，無不是呈現(xiàn)設(shè)計(jì)軟件在3D打印技術(shù)中扮演的重要角色.3D打印技術(shù)和設(shè)計(jì)軟件的完美組合改變了人類設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品的方式，展現(xiàn)了新技術(shù)的魅力[5].

參考文獻(xiàn)：

[1]黃健,姜山.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”[J].新材料產(chǎn)業(yè),2013(1):62-67.

[2]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2012(26):3-5.

[3]李曉紅.利用3D打印技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)過程[J].國防制造技術(shù),2010(3):69-70.

[4]王忠宏,李揚(yáng)帆,張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫,2013(1):90-93.

[5]殷媛媛.全球3D打印技術(shù)發(fā)展的新趨勢[N].科技日報(bào),2013-06 -02(04).