基于3D逆向、3D打印技術(shù)的藝術(shù)外觀產(chǎn)品開發(fā)策略

孫維澤，周家洪，彭勝

（貴州航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563000）

0 引言

逆向設(shè)計是集三維測量技術(shù)、圖形處理技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)為一體的CAD技術(shù)，已經(jīng)成為CAD技術(shù)中的應(yīng)用熱點[1]。尤其是藝術(shù)外觀產(chǎn)品的自由曲面處理，采用逆向技術(shù)可在無參數(shù)的情況下完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計，再利用逆向設(shè)計的結(jié)果運用于產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，最后運用3D打印技術(shù)快速制樣?？煽焖佟⒏咝У赝瓿稍O(shè)計，縮短研發(fā)周期。根據(jù)前人的大量研究和探索，逆向技術(shù)已開始在各行各業(yè)得到一定的應(yīng)用。貴州茅臺鎮(zhèn)白酒酒瓶開發(fā)設(shè)計需求十分龐大，但傳統(tǒng)設(shè)計方法大多都無法滿足客戶在酒瓶上的個性化外觀設(shè)計需求，只能在外包裝文案上做修飾；并且傳統(tǒng)酒瓶設(shè)計方案中，試模成本及周期都很大。以此次貴州XX酒業(yè)有限責(zé)任公司與我校3D打印工作室合作設(shè)計天麻保健酒酒瓶為契機，實現(xiàn)了3D逆向技術(shù)、3D打印與白酒產(chǎn)業(yè)的一次結(jié)合。

1 逆向設(shè)計

1.1 3D掃描

根據(jù)客戶提出的設(shè)計理念，挑選形態(tài)飽滿、優(yōu)質(zhì)新鮮天麻實物進行三維數(shù)據(jù)采集。設(shè)備為win3D單目掃描設(shè)備。由于新鮮天麻表面呈淡黃色，反光效果不佳，故在其表面噴涂顯影劑；為了完整保留天麻表面特征，不宜在天麻表面貼標(biāo)識點，采用轉(zhuǎn)盤貼標(biāo)識點進行正反兩面獨立掃描。獲取正反兩面兩個獨立的點云群，后續(xù)運用Geomagic Studio軟件手動注冊拼接。數(shù)據(jù)采集過程如圖1所示。

1.2 點云處理

為了保證酒瓶天麻外觀部分結(jié)構(gòu)完整，保留天麻表面特征，故掃描時采用了不在實物表面貼標(biāo)識點，將產(chǎn)品正、反面進行獨立的采集，獲得了正、反面2個點云群。需首先對2個獨立的點云群進行分別處理。Geomagic Studio軟件是非參的，首先要先將點云數(shù)據(jù)單位更改為“毫米”，然后再進行著色，去除雜點處理。軟件提供“非連接項”和“體外孤點”功能命令可快速地輔助去除多余雜點。無論正面點云群、還是反面點云群都通過多角度進行了多次掃描；每次掃描獲得的點云文件是通過在轉(zhuǎn)盤上標(biāo)識的標(biāo)識點進行自動拼接的，因此各點云文件間都會有錯層的情況；需要將正、反兩個點云群分別做“全局注冊”處理；全局注冊效果如圖2所示。然后分別將正反兩個點云群“聯(lián)合點對象”，獲得兩個處理好的正反面點云文件。

接著將兩個處理好的正反面點云文件，同時導(dǎo)入到同一個視窗中，采用手動注冊的方式將正反兩面點云群進行拼接；手動注冊采用“n點注冊”模式，將反面設(shè)置為“固定”，正面設(shè)置為“浮動”，依次在兩個點云群中選擇共同特征位置，將兩個點云文件進行拼接，如圖3所示。由于手動選擇相同特征誤差比較大，需再次將兩個點云文件進行自動注冊，通過軟件最佳擬合，將兩個點云文件完美貼合。然后將點云文件聯(lián)合點對象；由于無論正反兩面獨立掃描時都通過多個角度進行了掃描，導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)龐大，點云疏密程度不同，需要采樣處理。Geomagic Studio 中有四種采樣方式：統(tǒng)一采樣、曲率采樣、格柵采樣、隨機采樣[2-5]。這里選擇同一采樣的方式，將其絕對間距設(shè)置為“0.5mm”。最后封裝成三角面片。

1.3 模型構(gòu)建

通過封裝后，點云群轉(zhuǎn)換為三角面片。由于新鮮天麻表面特征特殊性，客戶希望盡量保留細節(jié)特征，封裝后三角面片中出現(xiàn)一部分法向錯誤、高度折射邊等問題，先采用“減少噪音”功能命令對三角面片進行光順處理，參數(shù)“自由曲面”，迭代“3”，偏差限制“0.5”，然后運用“網(wǎng)格醫(yī)生”對三角面片進行分析和修復(fù)；其次是對破口處進行清口、填充補孔，由于掃描過程中為了盡量保留原始特征，會有較多破口需要清理，處理過程中要靈活運用重置回轉(zhuǎn)中心、貫穿等功能。最后再次運用“網(wǎng)格醫(yī)生”對三角面片進行分析和修復(fù)。

逆向設(shè)計過程中，對于擁有幾何參數(shù)的工業(yè)產(chǎn)品，一般運用Geomagic DX 獲取三角面片特征、數(shù)據(jù)進行設(shè)計。但對于自由曲面，結(jié)構(gòu)復(fù)雜無人為主觀設(shè)計參賽的產(chǎn)品，可直接采用Geomagic Studio精確曲面進行逆向設(shè)計，驅(qū)動精確曲面，將三角面片自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。最后將NURBS曲面轉(zhuǎn)換為CAD模型。模型構(gòu)建效果如圖4所示。

2 天麻酒瓶設(shè)計

采用逆向設(shè)計手段將天麻實物轉(zhuǎn)換為CAD模型后，即可利用天麻模型進行創(chuàng)新設(shè)計。由于從Geomagic Studio 軟件構(gòu)建模型整個過程都沒有對模型進行任何的參數(shù)化處理，故正向設(shè)計過程中，首先要對模型擺正；根據(jù)天麻尾尖與頭部中心創(chuàng)建中心對稱平面，再根據(jù)酒瓶設(shè)計方向創(chuàng)建合適的坐標(biāo)系。根據(jù)客戶要求構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)，天麻模型尾尖向上，左右對稱結(jié)構(gòu)；天麻形狀位置設(shè)計為透明，可直觀顯示藥酒顏色、狀態(tài)；正面及后面大塊面積噴繪產(chǎn)品LOGO。設(shè)計效果如圖5所示。

3 3D打印樣件制作

3.1 打印設(shè)備選擇

目前塑料產(chǎn)品的3D打印制作，主流打印方式有光敏樹脂采用光固化的和FDM的，本產(chǎn)品需要在表面做噴繪處理，對表面質(zhì)量有較高要求。由于 FDM 打印機為噴頭吐絲打印，模型表面有較明顯的條形紋理，尤其對于曲面零件或者有一定坡度的零件其表面會出現(xiàn)比較明顯的“臺階”，對于打印表面光滑度較高的工件來說，光固化 3D 打印機最為適合[6-8]。故本次采用LCD光固化3D打印機。

3.2 打印切片

打印切片是3D打印操作最核心的部分，切片參賽決定成型條件，經(jīng)過分析將產(chǎn)品三種切片方案進行比較，分別采用了三種擺放方向和相應(yīng)方案下的最優(yōu)打印參數(shù)。切片參數(shù)如表1所示。

表1 切片方案對比

三種方案分別采用了三種不同的擺放方向；其中方案一：豎直擺放；優(yōu)點：支撐最少，產(chǎn)品內(nèi)部支撐少，位置主要在產(chǎn)品底部，對產(chǎn)品表面影響最小，底層接觸面大。缺點：高度最高，層數(shù)最多，導(dǎo)致打印時間最長，打印成功率降低（與設(shè)備性能有關(guān)）。方案二：以45°傾斜角擺放；優(yōu)點：內(nèi)部支撐與瓶口方向成45°角，易去除。缺點：外部支撐較多，底層接觸面較窄，必須增加底板，需增加底層曝光時間，將底層曝光時間設(shè)置為60s。方案三：采用90°擺放；優(yōu)點：高度最低，層數(shù)最少，打印時間最短，內(nèi)部支撐最易去除。缺點：支撐面最大，外觀影響最大。由于產(chǎn)品表面質(zhì)量要求高，綜合分析后，采用方案一進行打印[9-11]。

3.3 打印后處理

打印完成后，立即將產(chǎn)品取下，運用95%的工業(yè)酒精進行清洗再置于超聲波清洗槽中清洗干凈；去掉底部支撐；然后置于405波長的UV光固烤箱進行二次固化，打印完成；成功制作天麻特征外觀酒瓶樣品。

4 結(jié)語

本文以天麻酒瓶開發(fā)設(shè)計為案例，利用3D掃描技術(shù)獲取天麻實物表面特征，運用Geomagic Studio“精確曲”直接設(shè)計天麻CAD模型的方法，1比1獲得了天麻實物特征。展現(xiàn)了逆向設(shè)計的優(yōu)勢，彌補了正向設(shè)計藝術(shù)外觀產(chǎn)品困難的問題。在天麻CAD模型的基礎(chǔ)上快速完成了酒瓶的創(chuàng)新設(shè)計，完成客戶的設(shè)計理念。并運用3D打印技術(shù)快速完成了樣品的制作，極大限度地縮短了研發(fā)周期以及試模成本，為藝術(shù)外觀產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計提出了一種高效的設(shè)計策略。同時，實現(xiàn)了3D打印技術(shù)與貴州茅臺鎮(zhèn)白酒產(chǎn)業(yè)的一次高效合作，為后續(xù)私人定制酒市場、本地個性化創(chuàng)新設(shè)計市場提供了借鑒，對類似藝術(shù)外觀產(chǎn)品的3D設(shè)計策略具有參考意義，同時也為職業(yè)院校3D打印教學(xué)項目的開發(fā)提供借鑒價值。