基于3DS MAX的3D打印模型應(yīng)用分析

張榕

摘要：本文簡單介紹3DS MAX，并概述應(yīng)用該軟件的建模程序，探討具體的建模應(yīng)用處理，如倒角模型、曲面模型、網(wǎng)狀模型以及平面模型等。進(jìn)一步討論組合使用3DS MAX和FreeForm的打印建模案例。以供參考。

關(guān)鍵詞：3DS MAX;3D打印;FreeForm

中圖分類號：TB476? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0202-03

0? 引言

3DS MAX建模通常涉及數(shù)據(jù)采集與實(shí)景構(gòu)建兩個(gè)環(huán)節(jié)。其中，數(shù)據(jù)采集是借助激光掃描，此項(xiàng)科技的成長時(shí)間不長，但因?yàn)槠浔旧淼膽?yīng)用特征，受到若干行業(yè)人士的青睞。在實(shí)景構(gòu)建中，利用各部分的拓?fù)潢P(guān)系，把相互獨(dú)立的單元整合成一個(gè)模型。主要的應(yīng)用技術(shù)包括渲染以及紋理貼圖。

1? 3DS MAX

3DS MAX具備極強(qiáng)的立體建模與動(dòng)畫功能，可使用在諸多建模任務(wù)中。其在實(shí)踐應(yīng)用中可提供動(dòng)畫與效果圖制作功能，生成打印資料。在立體建模中，3DS MAX有極為顯著的特征。具體來說，輸入CAD程序生成的DWG文件，也可輸入從PhotoShop中而來的AI資料，給設(shè)備部件以及構(gòu)筑物等進(jìn)行建模。3DS MAX內(nèi)帶有大量的幾何數(shù)據(jù)與AEC對象等，為高效建立模型提供基礎(chǔ)依據(jù)。此外，3DS MAX還具備較優(yōu)的編輯功能，在藝術(shù)類的模型構(gòu)建任務(wù)上也能發(fā)揮作用。由于其帶有支持多項(xiàng)操作的修改裝置，能滿足多元化的建模需要。在模型表面的制作上，可進(jìn)行網(wǎng)狀以及NURBS曲面制作，并能輸出STL文件，給打印設(shè)備提供立體模型命令數(shù)據(jù)[1]。

2? 3DS MAX建模處理程序

逆向項(xiàng)目是在無設(shè)計(jì)圖紙的條件下，借助測量處理，生成設(shè)計(jì)參數(shù)，轉(zhuǎn)換成立體模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行3D打印，制作出與設(shè)想一致的模型。而模型重構(gòu)為此類項(xiàng)目中最為復(fù)雜及關(guān)鍵的步驟，把由CAD生成的平面圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成能進(jìn)行3D打印的STL文件。如今，CAD/CAM的軟件程序較多，但普遍存在應(yīng)用局限，如適用范圍、快捷性等方面，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)的模型構(gòu)建難度較高。上述問題能借助3DS MAX克服。

2.1 建模準(zhǔn)備條件

其一，3DS MAX與CAD需設(shè)置成相同的單位，操作員點(diǎn)擊自定義設(shè)置窗口，選定模型參數(shù)單位。在確定公制毫米級別，3DS MAX能細(xì)化至一微米。利用點(diǎn)擊軟件工具欄，或者直接調(diào)整坐標(biāo)位置，達(dá)到空間上的定位需要。

其二，處理模型圖紙，在完成CAD圖紙輸入處理，3DS MAX上正交視圖的樣條線具有可參考性，滿足機(jī)械制圖的基本標(biāo)準(zhǔn)以及建筑模型打印需要。但應(yīng)當(dāng)消除無價(jià)值的標(biāo)注，簡化圖紙。輸入的CAD圖紙為平面數(shù)據(jù)，能調(diào)整視圖角度，借旋轉(zhuǎn)工具，將整個(gè)圖紙調(diào)轉(zhuǎn)角度，輸出前視圖、俯視圖等。

其三，打印工具。3D打印一般選擇擠出工具，可滿足立體建模需要。在制作標(biāo)準(zhǔn)化的模型中，通常會應(yīng)用此類工具。材料擠出處理中，在模型的外層及第二層之間會構(gòu)成擠出面，三四層之間也會產(chǎn)生擠出面。而非標(biāo)準(zhǔn)化的建模中，需要借助倒角與剖面圖等方法達(dá)到目的。

其四，確定模型坐標(biāo)。坐標(biāo)系關(guān)系到模型的縮放等，系統(tǒng)默認(rèn)為視圖坐標(biāo)搭配屏幕坐標(biāo)，此外還包括拾取與局部等。坐標(biāo)系的方向設(shè)置，可供模型移動(dòng)及縮放等，在各視圖上能設(shè)定單一方向或者多個(gè)方向。模型規(guī)格直接在鍵盤上敲出即可，達(dá)到精準(zhǔn)定位的效果。

2.2 模型編輯

首先，樣條線。把平面參數(shù)調(diào)整成立體模型數(shù)據(jù)時(shí)，會應(yīng)用到樣條線，具體有線段、線段頂點(diǎn)及樣條。在各子對象中，選用對應(yīng)的卷展欄，以求呈現(xiàn)出豐富的效果。比如在開展平面層次上的布爾運(yùn)算之前，應(yīng)當(dāng)“附加”。修建樣條線期間，能根據(jù)頂點(diǎn)級別多點(diǎn)連接。若想讓打印出的模型線條更加流暢平滑，應(yīng)選中自適應(yīng)。渲染卷展欄內(nèi)選中渲染及視口，以打印出幾何模型。其次，多邊形。在編輯此類模型中，會涉及到頂點(diǎn)及邊界等。編輯的對象既包含常規(guī)的三角形及四邊形，也能設(shè)置成若干節(jié)點(diǎn)的模型面。構(gòu)建多邊形模型，可以適應(yīng)較為繁雜的打印結(jié)構(gòu)，在處理復(fù)雜表面中，能在細(xì)節(jié)局部調(diào)節(jié)線條，對于線條穿插較多的模型上有突出表現(xiàn)。在此類模型中，頂點(diǎn)會設(shè)置法線，通過均勻或分散的法線，使多邊形模型更為平滑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的建模任務(wù)中，可應(yīng)用多邊形編輯。最后，編輯，基于點(diǎn)線面處理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)編輯。操作方法較為靈活，能隨意制作出非標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，并且連接處不會生成直角結(jié)構(gòu)。編輯處理中，應(yīng)先構(gòu)建結(jié)構(gòu)輪廓，從面片物體調(diào)整，或直接設(shè)置NURBS，形成曲面結(jié)構(gòu)。而后彈出變動(dòng)指令窗口，對模型參數(shù)、進(jìn)行細(xì)化處理。該種編輯模式相對符合工業(yè)項(xiàng)目中的建模需要[2]。

2.3 模型修改

一是菜單修改器，具體有網(wǎng)格、參數(shù)化變形單元等。菜單修改器能使用在單個(gè)對象，也能同時(shí)面對數(shù)若干對象，基于模型的具體參數(shù)，確定修改操作。單個(gè)對象能連接數(shù)個(gè)修改器，比較常見的有車削、彎曲等，此類修改是針對外部輪廓與結(jié)構(gòu)加以調(diào)整，生成與設(shè)計(jì)一致的模型。

二是面板修改器，點(diǎn)擊對應(yīng)的修改工具圖表，即世界空間與對象空間兩種。前者無需設(shè)置在特定空間扭曲，可改動(dòng)單一模型對象及選擇集合，后者則作用在局部上。命令面板提供的操作選項(xiàng)，能輔助操作員完成設(shè)定修改，可實(shí)現(xiàn)高效改動(dòng)參數(shù)。堆棧區(qū)內(nèi)，編輯修改器會直接接收到上一步的改動(dòng)參數(shù)，并且修改器安排的順序也會干擾最終模型編輯結(jié)果?；谛薷墓ぞ卟町?，設(shè)置數(shù)個(gè)卷展欄，并且其參數(shù)關(guān)系到修改器的運(yùn)用效果，一般選擇提前設(shè)計(jì)與實(shí)地調(diào)試，完成參數(shù)的最終確定。

三是復(fù)合修改器，通常選擇放樣及布爾修改器。前者是通過截取在選定打印路徑上產(chǎn)生的軌跡圖像，實(shí)際路徑無特殊的要求，開放及封閉均可。相關(guān)參數(shù)能使用距離與百分率等形式表示，完成數(shù)個(gè)截面的放樣處理。圖形及路徑步幅對于豎向及橫向的模型平滑程度均有優(yōu)化作用。模型的變形處理形式包括扭轉(zhuǎn)與倒角等。而布爾運(yùn)算屬于數(shù)學(xué)邏輯，可利用較為簡單的參數(shù)，輸出相對復(fù)雜的內(nèi)容，在單個(gè)和數(shù)個(gè)對象進(jìn)行運(yùn)算中，把若干對象結(jié)合起來，能一次性結(jié)束運(yùn)算。

3? 3DS MAX的3D打印建模應(yīng)用探討

3D打印建模中，非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)制作難度較高，而3DS MAX卻可以克服因此帶來的問題。如今3D技術(shù)不斷成熟，在打印結(jié)構(gòu)與材料應(yīng)用上的局限性逐漸弱化。例如，在利用3D打印技術(shù)制作內(nèi)燃機(jī)的連接桿，可以使用碳纖維的復(fù)合型材料加工。相較于傳統(tǒng)的材質(zhì)，連接桿的自重輕于鋼材料10倍左右，并比鋁材料輕6.5倍左右，能承擔(dān)起3000HP以及15000RPM荷載。只要確保打印中傳送的文件格式是STL，便能制作出來。

3.1 倒角模型

使用相應(yīng)的修改器，擠出立體模型，在邊緣區(qū)域采取倒角處理。該修改裝置能用在建立文本及徽標(biāo)方面，對圖形本身無具體的要求。基于正交視圖，生成平面圖形，運(yùn)用對應(yīng)修改工具。實(shí)際參數(shù)包括模型外形，規(guī)格尺寸。在坐標(biāo)系內(nèi)，高度參數(shù)與外形的表示數(shù)據(jù)，正負(fù)均有，需要消除線相交的問題。

3.2 曲面模型

對應(yīng)的修改工具能針對選定的對象，進(jìn)行360°的彎曲處理，模型幾何體內(nèi)都形成彎曲，能借助三個(gè)軸確定修改角度與方向，也可直接采取限額彎曲的方式。該修改工具作用于前視圖上，加工向下開口的弧形角度是180°，方向是90°，以X軸為標(biāo)準(zhǔn)軸。而在開口向上的部分，弧形角度同樣是是180°，方向則記為-90°，參考軸不變[3]。

3.3 復(fù)制加工

應(yīng)用軟件的陳列用具，加工以三維方向的移動(dòng)復(fù)制，設(shè)置各維度實(shí)際復(fù)制量，其中一維對應(yīng)X軸，二維對應(yīng)Y軸，三維則落在Z軸上。假設(shè)加工圓心復(fù)制，需進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)設(shè)置，明確一維總量。全部復(fù)制均選擇實(shí)例類型，提高模型修改的便利性。

3.4 擬合加工

擬合屬于放樣環(huán)節(jié)中的變形指令，需要借助正交視圖，加工出3D模型，其中視圖包括前、側(cè)以及底三個(gè)視角的圖像，而后設(shè)置一個(gè)放樣線。根據(jù)該放樣線，生成前截面的放樣實(shí)體，通過修改命令窗口，選擇擬合，并關(guān)上“均衡”。在X、Y的軸上，拾取側(cè)與底的模型截面，并保持水平方向。假設(shè)方向上有偏差，應(yīng)當(dāng)通過旋轉(zhuǎn)及鏡像處理，微調(diào)方向，以加工出較為復(fù)雜的3D模型。

3.5 容器模型

對于容器類的模型加工，需借助倒角剖面工具，俯視圖上生成平面圖形，作為模型的底部;前視圖加工出的平面圖形則是模型的外形，二者有效融合，構(gòu)建出模型底部與外容器。另外，為保證模型的底部封口效果，前視圖中的圖形應(yīng)當(dāng)向下開口。

3.6 網(wǎng)狀模型

按照加工對象的分段數(shù)據(jù)，使用“晶格”生成網(wǎng)狀架構(gòu)。該修改工具把模型對象設(shè)置成圓柱體結(jié)構(gòu)，模型頂點(diǎn)處形成多面體。借此能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑯?gòu)建出幾何體框架，以達(dá)到網(wǎng)狀線框的處理效果。可用在建筑領(lǐng)域網(wǎng)狀架構(gòu)和生物網(wǎng)狀框架上的建模任務(wù)。

3.7 旋轉(zhuǎn)模型

在具有對稱性的旋轉(zhuǎn)立體模型加工中，可采用車削的修改工具。在制作空心或?qū)嵭模⒃O(shè)有確定厚度的任務(wù)中，應(yīng)通過旋轉(zhuǎn)平面圖形，并組合輪廓加工雙線，進(jìn)行制作。該類模型的旋轉(zhuǎn)角度在0～360°內(nèi)。

3.8 平面模型

模型加工背景可選擇視口背景及貼圖。而借助材質(zhì)編輯工具，確定白色的模型底圖，以及非透明的黑色底圖，制作出設(shè)有場景圖形的模型。如果設(shè)計(jì)模型比較復(fù)雜，能借助該種處理手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，以達(dá)到動(dòng)畫模型。

3.9 沿路徑復(fù)制

使用軟件操作菜單中，對齊單元的間隔工具，能順著路徑完成模型復(fù)制，同時(shí)設(shè)置“跟隨”功能。此外，間隔工具也能按照設(shè)定的網(wǎng)格進(jìn)行復(fù)制，在3D模型開展網(wǎng)格編輯時(shí)，選擇構(gòu)建圖形，輸出樣條線，而模型能直接載入到樣條線上。

4? 3DS MAX的3D打印建模實(shí)例應(yīng)用分析

將3DS MAX與FreeForm組合運(yùn)用，達(dá)到高效及準(zhǔn)確建模的效果，適應(yīng)立體打印處理的訴求。FreeForm屬于具備可堆積特點(diǎn)的形態(tài)制作系統(tǒng)，為操作者提供如同手臂操作以及隨意改變形態(tài)的數(shù)字化黏土，讓操作者基于虛擬觸感與設(shè)計(jì)靈感，快速制作出立體模型。使用FreeForm系統(tǒng)，在精度方面的標(biāo)準(zhǔn)較低，若僅依靠該系統(tǒng)進(jìn)行建模，不能適應(yīng)3D打印設(shè)備對模型參數(shù)的要求。為克服此類問題，需結(jié)合3DS MAX軟件，導(dǎo)出3D模型，完成參數(shù)編輯及修改。同時(shí)，3DS MAX是專業(yè)的建模程序，能使用不同的格式，和FreeForm系統(tǒng)能搭配使用。下文以蘋果模型為例，進(jìn)行分析。

4.1 系統(tǒng)建模

使用FreeForm系統(tǒng)內(nèi)的EditPlane以及Sketch工具，生成模型的平面封閉外形線，借助ConstructClay單元內(nèi)的Inflate工具，將模型的平面外形輪廓實(shí)施雙向的膨脹處理，輸出類似的立體模型。鑒于本實(shí)踐中所用的3D打印設(shè)備在曲面制作上的局限性，借助Select with Plane工具，劃定出冗余部分，把膨脹輸出的模型曲面，調(diào)整成平面輪廓。FreeForm在修改模型的細(xì)節(jié)部分，有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。為達(dá)到立體模型能直接放置的需求，把模型底部也設(shè)置成平面。另外，為提升模型表面的平滑程度，可借助SmoothArea，優(yōu)化模型表面，使最終打印出的模型具有清晰的輪廓，保障打印過程的順暢性[4]。

4.2 格式調(diào)整

在完成基礎(chǔ)建模后，導(dǎo)出黏土模型。鑒于立體模型需通過3DS MAX處理，因?yàn)樵贔reeForm內(nèi)，便需把參數(shù)格式調(diào)整成STL。假設(shè)模型是根據(jù)原規(guī)格下的STL格式輸出，3DS MAX幾乎無法完全導(dǎo)進(jìn)模型，所以應(yīng)提前實(shí)施縮減處理。操作者可使用該系統(tǒng)下的ReduceForExport工具，在不改變模型外形輪廓及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變網(wǎng)格量以及比例等，實(shí)現(xiàn)縮減處理，也能直接輸入具體參數(shù)要求，進(jìn)行精準(zhǔn)縮減。通過數(shù)次的實(shí)踐操作后，確定縮減比例是10%，而后按照STL的格式輸出。借此不能對模型的外形以及結(jié)構(gòu)造成影響。

4.3 模型制作

向3DS MAX軟件導(dǎo)進(jìn)經(jīng)過FreeForm處理的STL模型，以開展之后的制作處理環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，模型內(nèi)部應(yīng)留有部分空間，方便裝載。在3DS MAX內(nèi)把兩個(gè)規(guī)格尺寸不同模型，采取復(fù)合建模方式下的布爾處理，確定差值，生成空心結(jié)構(gòu)的蘋果模型。但由于在透光程度設(shè)計(jì)上的需要，應(yīng)在打印出基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的前提下，讓模型壁變薄，所以應(yīng)當(dāng)把握好厚度，讓模型展現(xiàn)出較優(yōu)的透光性。實(shí)際操作中，為保障打印效率，把模型進(jìn)行平方處理，通過多次試驗(yàn)，底面設(shè)成兩層，頂面是五層的情況下，打印出的模型可以兼顧完整性與透光性。而為滿足此標(biāo)準(zhǔn)，把兩個(gè)一致的模型信息，錄入3DS MAX軟件內(nèi)，任選其一。根據(jù)坐標(biāo)系X：98%、Y：98%、Z：96%的比例，完成縮放處理，并以Z軸為標(biāo)準(zhǔn)線加以微調(diào)。而后運(yùn)用MakerBotDesktop切片程序，把模型進(jìn)行切片，而后查看底面和頂面情況，由此掌握Z軸中相對點(diǎn)位。在確定好空心模型后，應(yīng)設(shè)計(jì)裝載口。運(yùn)用3DS MAX軟件，把規(guī)格是20*20*20mm的正方體，安排在比較適宜的位置，開展布爾運(yùn)算，獲取差值，完成裝載口的設(shè)計(jì)處理。

4.4 細(xì)節(jié)處理

本模型外部設(shè)置浮雕圖。把3DS MAX中的模型，以STL的格式輸出。使用相應(yīng)的操作工具，確定導(dǎo)入格式是Clay，選定黏土的粗糙程度，采用黏土的呈現(xiàn)形式，把設(shè)計(jì)好的浮雕樣式投影到模型上，加工浮雕。把浮雕圖樣錄入到系統(tǒng)內(nèi)，按照模型尺寸與外形，調(diào)整圖樣長寬?；诖?，確定浮雕加工高度。在本打印實(shí)踐中，結(jié)合黏土和打印情況設(shè)施，把Distance調(diào)整成3mm，便能在模型表面制作出凸起高度是3mm的浮雕[5]。

4.5 模型打印

通過上述處理步驟，完成3D模型的參數(shù)設(shè)計(jì)，開始產(chǎn)品打印加工。在進(jìn)行打印前，應(yīng)把設(shè)計(jì)好的STL模型實(shí)施切片操作，調(diào)整成能加工的格式后，再開始打印。

第一步，切片處理。該操作行為是借助MakerBotDesktop程序達(dá)到目的，切片之前，匹配好該程序和打印裝置。本實(shí)踐案例，使用雙噴頭的打印設(shè)備，把MakerBotDesktop設(shè)置成Replicator，完成匹配處理。而后把設(shè)計(jì)好的模型錄入在MakerBot內(nèi)，先選擇右噴頭進(jìn)行加工，模型使用的材料是PLA?；赑LA和打印設(shè)備的特點(diǎn)，把打印填充度設(shè)定成10%，制作的精度是0.2mm，加工噴頭的溫度參數(shù)是230℃，模型底板的溫度設(shè)成110℃。在打印加工的基本參數(shù)設(shè)置好后，應(yīng)借助ExportPrintFlie把模型調(diào)整為分層結(jié)構(gòu)，形成制作文件。可調(diào)整成預(yù)覽模式，提前查看制作出的效果，并掌握加工層數(shù)和使用的材料量、制作時(shí)長等數(shù)據(jù)。完成模型切片，生成打印資料，傳送至打印裝置上，開始模型打印。

第二步，打印加工模型。在啟動(dòng)打印裝置前，操作人員需先連接電源，查看設(shè)備以及材料添加量，保證噴頭能連續(xù)吐絲。而后人工調(diào)整設(shè)備底座，設(shè)置和噴頭之間的相對關(guān)系，以免噴頭損害設(shè)備底座，確保吐絲可以完整貼在作業(yè)面上，選中模型文件。完成上述操作，啟動(dòng)打印裝置，按照文件中的參數(shù)操作打印設(shè)備，具體下達(dá)的指令內(nèi)容有底座溫度、移動(dòng)速度等。

5? 結(jié)束語

3DS MAX帶有模型數(shù)據(jù)庫，能完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印任務(wù)，縮短加工時(shí)間。在簡單的制作任務(wù)中，能使用幾何體等，若結(jié)構(gòu)達(dá)到復(fù)雜程度，能采取AEC以及粒子系統(tǒng)等。合理設(shè)計(jì)擠出材質(zhì)與貼圖，能加工出較優(yōu)的模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉艷榮.基于3DS MAX 2016建模技術(shù)的研究[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2021（03）：151-153.

[2]趙濤.3DS MAX中二維圖形轉(zhuǎn)三維模型的常用建模方法[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（36）：185-186，191.

[3]徐金財(cái)，李朝奎，陳建輝.一種基于3DS MAX與Smart 3D的三維模型構(gòu)建方法[J].測繪通報(bào)，2020（11）：61-65.

[4]王二盟，吳晨，王鈞，等.3D打印技術(shù)在產(chǎn)品模型制作中的應(yīng)用研究[J].數(shù)碼世界，2020（10）：185-186.

[5]倪漢富.基于ArcGIS與3DS MAX的三維地形可視化[J].北京測繪，2020，34（06）：784-787.