淺析ZBrush數字雕刻與3D打印在手辦玩具設計中的應用

摘要：數字雕刻結合3D打印技術正在改變手辦玩具制作行業。如孩之寶公司國際一線玩具設計師將ZBrush數字雕刻及3D打印技術作為手辦玩具設計的重要解決方案。這樣的研發經驗值得國內的相關行業以及專業教學采納或借鑒。本文列舉了3D打印技術在玩具行業中的應用案例并且重點剖析了ZBrush數字雕刻在手辦制作中的一些技術難點。希望能為從事手辦制作的相關人士提供技術借鑒或參考。

關鍵詞：手辦玩具;ZBrush數字打印機技術;3D打印;關節設計

根據智研咨詢發布的《2018—2024年中國玩具行業市場深度調研及投資前景分析報告》指出我國是玩具出口大國，全球約75%的玩具在中國生產，隨著二胎政策的實施未來中國有著巨大的玩具內需市場。手辦作為玩具的高端消費市場，據報道日本一家40多人的手辦公司年營業額可達約4 000萬元。業內普遍認為，手辦在國內的前景廣闊，待市場成熟后，將是一個百億規模的市場藍海。

一、3D打印技正在改變玩具制造業

以著名的孩之寶玩具公司為例，早期工廠的生產線大多采用的是壓制成形設備。大部分模具通過注入材料壓制成型。壓制部件的基本原理簡單高效，缺點但是咬邊的處理僵硬，ABS零件會鎖在模具中或在彈出時撕裂。較軟的塑料，如PVS，如果咬邊空間不足夠小，可能會從模具中彎曲出來。這決定了有些造型的玩具是很被難生產的。

而且需要針對不同的結構設計不同的壓制部件，這個導致生產一個玩具的流水線需要大量的模具設備，同時需要更換模具產生的成本就更為高昂。例如孩之寶玩具公司更換一個金屬壓制模具需要花費1萬美元的成本，且時常生銹磨損需要不斷更換。而如果結構復雜關節零碎的玩具，則需要龐大的模具庫，大大增加制作成本。而目前個性化的專屬玩具需求不斷增加。面臨的矛盾是玩具公司不可能為個人需求建立生產線。在3D打印技術日益熟后的時代我們可以借助3D打印技術打造個性化的玩具模型。

所謂3D打印就是在平面打印基礎上，逐層堆疊材料，成為三維中的實體。原來的工業社會用的生產制造方式為減材制造，就是把材料一點點的減下去，就是把原材料中我們不需要的部分摳除掉，減材制造的工業母機就是機床?；镜墓ぷ鞣绞骄褪钦蹚?、切削、鉆孔、磨，再通過組合形成最終的工業品。3D打印的原理與之相反，使用的是增材制造的原理，從零開始一點點堆出實體。高精度的專業3D打印機面對結構異常復雜的模型也是可以輕松應對，對于上面提到壓制成型中出現的問題可以在3D打印中得到較好解決。節省成本也是3D打印的一大優點，由密歇根科技大學材料科學與電氣工程系教授Joshua Pearce領導的該研究小組經過研究認為：3D打印機到最多為消費者節省90%的費用。3D打印機的普及讓生產變得簡單會有越來越多的設計師和愛好者使用自家的3D打印機制作個性化的玩具。無需設計復雜的模具且節省成本的基礎上，設計師可將更多的精力放到創意設計本身。

二、工業造型軟件不適用于手辦開發制作

玩具造型設計的解決方案主要兩種即工業造型軟件和數字雕刻技術。簡單可以理解為前者的定位更像是工程師，而后者更像造型師。

目前主流的國內玩具造型使用的是Auto CAD，Pro/Engineer或UG或Solidwork等工業造型軟件。此類軟件對于參數化的玩具造型有較好的表現，主要使用NURBS曲面建模方式，通過繪制曲線、擠出、倒角、等方式生成曲面在通過焊接、布爾等方式生成復雜結構。制作的前提是了解模型各項參數例如邊角的倒角度數，厚度，孔的半徑。往往生成一個簡單形體需要輸出很多數據。而如果是非參數化的生物模型就較難使用此類軟件制作。例如人形、怪物手辦，這些模型需要更加靈活形體塑形方式。除非使用逆向工程否則在設計之初我們并不可能獲得每個部件的參數，并且整個設計過程需要反復的調試，所以對形體調節的靈活性要求很高?？偨Y一下使用工業設計軟件更適合參數式的玩具造型設計，且適合工業設計專業人士操作。對于愛好者同設計師而言這種軟件操作適應難度大。而對于結構復雜多變手辦玩具而言并不適合。

三、全新的ZBrush數字雕刻技術在手辦玩具設計中的應用

ZBrush數字雕刻技術為玩具制作者提供一套全新的獨立性與創造性解決方案。

（一）ZBush有著不俗的快速搭形與細節表現能力

ZBrush首先于1999年推出的第一個版本，創造性的提供了一種雕刻式的建模方式。期間20年不斷更新功能到目前最新的2020版針對玩具模型設計與3D打印功模塊進行深度優化。這也順應了3D打印與玩具設計兩者結合的技術趨勢。

球鏈+ ALPHAL遮罩 +筆刷雕刻組合是ZBrush塑形的獨特方式。這點相較于傳統的3DMAX等建模軟件需要進過復雜的點線面拓撲不同?？梢酝ㄟ^ZBrush獨創的球鏈迅速制作大體形態，這個過程往往只要幾分鐘甚至更短。而且只需要調整球鏈上的關節球就可以迅速調整比例形態，而且調整的過程非常類似調玩偶的關節。Z球鏈也是ZBrush相對于其他雕刻軟件的一項獨特技能。而在塑形的中期可以使用軟件中自帶仿真筆刷對形體進行凹凸處理，并且可以靈活的調整筆刷的大小硬度雕刻精度等參數。配合數位筆的壓感可以模擬正式雕刻的創作體驗。

在細節處理上ZBrush也有不俗的表現。它可以輕松實現細致入微的紋理效果。軟件中支持ALPHAL遮罩投射，通過筆刷雕刻或擠壓成立體結構，例如龍鱗，轉紋等這些細節在傳統建模軟件中都是將是非常繁瑣的工作，而在ZBrush中需要將這些紋理的黑白貼圖投射在模型上或制作成特定的筆刷即可。

其次ZBrush可以同數位筆完美結合，更適合藝術專業設計師進行創意造型設計。雕刻后的形體可以使用ZBRUSH中變形器不斷調試，獲得更多造型創意啟發。

（二）使用ZBrush進行手辦的關節設計

ZBrush除具備造型雕刻的功能外，還能完成關節以及內部構造的設計。如圖1所示，孩之寶玩具設計師使用ZBrush數字雕刻解決方案為手辦模型設計的外觀及關節。

絕大部分關節都可以使用ZBrush中的球體和圓柱體構建。制作模型關節的關鍵步驟主要有以下幾個步驟。這里我們以簡單的手臂為例。

步驟1結構切分。使用切割工具切分出形體，如在胳膊處切分出大小胳膊。此時關節出會顯得非常平整，可以使用插入球體并進行布爾差值運算的方式得到一個中空為球形的結構，且結構邊緣預留足夠的厚度。為了避免切割的邊緣過于生硬，建議使用筆刷制作一些柔和的過度。步驟2制作插入關節。在工具中添加球關節，并將這些關節移動到中空位置內，并與內壁盡量貼合。為了方便固定可以使用細小柱形將關節固定在中空結構內，這里任可以使用布爾方式實現。步驟3調節關節之間的咬合結構。這個步驟往往會被人忽視。為了達到令人滿意的關節旋轉效果，在該軟件中測試肘部關節的旋轉角度是非常必要的。如圖2所示手臂原始的狀態可以進行90度的彎曲，此時上下胳膊的邊緣產生碰撞，已經達到關節旋轉極限的狀態。為了實現更好的效果，我們可以調整大胳膊關節邊緣形態，實現110度的彎曲效果。這種關節的優化會涉及到復雜形態的變化，例如褶皺、紋飾等部分。相對于其他建模軟件需要進行復雜的點線面操作，使用雕刻筆刷可以輕松調整關節周圍的形態。

經過以上三個步驟可以實現關節的制作。設想一下如果是手工制作的話，這樣的雕刻的容錯率會顯得非常低一旦出錯就必須重新制作費時費力。由于該軟件操作的靈活性，我們可以創造性的給形體增加各種類型的關節且方便的得到測試效果。

四、ZBrush結合3D打印完成手辦模型的輸出

配合桌面級3D打印機的輸出，我們可以得到玩具模型的實物。

相同的模型如果設置不得當獲得效果截然不同，也就是我們從ZBrush中生成一個STL文件必須經過良好的優化和設置才能打印。3D打印機采用的事增材制造的原理，利用噴頭根據設定的軌跡一層層的噴涂材質最終實現體積的堆積效果。而要保證形體在打印中不出現斷裂變形的情況發生，就需要生成很多支撐結構，事后也需要手動拆除這些結構。避免在拆除支撐結構時出現問題例如結構交錯，邊緣不平滑等問題，我們需要在ZBrush以及專業的3D打印中進行模型設置。下面我將結合個人制作經驗總結如下。

（一）減少模型空隙并調整模型的分辨率輸出STL文件

模型結構之間的空隙太大打印出來會呈現一些錯誤的咬邊。例如手和袖口之間往往有一些空隙，這里我們需要在ZBrush中將這些空隙做一些收縮處理。我們可以直接使用筆刷進行移動調整，以及使用變形器對形體進行微調。在ZBrush中制作的模型常常面數高達千萬級的面數，這會形成巨大的數據量，直接輸出打印會消耗大量的計算時間，而且由于3D 打印機的精度限制很多細節體現的并不明顯。使用ZBRUSH軟件的Z插件下的抽取減免功能，該功能預設了從2萬到25萬的面數設置，為了保證打印精度推薦使用25萬的面數設置。設置后模型的面數會得到優化，精簡不必要的點線面。并且借助ZBrush軟件中的3D打印工具集功能輸出適合大小尺寸的STL文件。

（二）借助第三方軟件優化軟件調整錯誤

即使我們通過手動設置減少模型結構的空隙和面數外，在打印模型時還是容易出現破面的情況。借鑒孩之寶的經驗，我們可以借助第三方具有糾錯功能的軟件進行模型調整，如歐特克公司的Meshmixer?？梢栽谠撥浖袑隨TL模型，容易發生錯誤的地方會自動用顏色標注。在該軟件中無需手動調整，可以直接使用界面左側工具欄中的Analyse（分析）——Inspector（檢查員）命令調整錯誤的面結構。此時得到的模型可以直接用于打印。在3D打印程序中設置合適的打印精度和填充樣式便可打印輸出。受到結3D打印的尺寸限制，很多大的體塊需要進分段打印后再進行結構的組裝，這一點需要在ZBRUSH中進行切割。

（三）打印輸出

將優化后的STL文件導入3D打印程序，選擇合適的參數。例如模型填充在20%—50%之間的填充率一方面可以節省材質同時也保證了必須要的結構韌性。并且在軟件中預覽大概的打印效果。整個模型的輸出的時間取決于模型的精度，從十幾分鐘到幾個小時都是可調的。打印完畢后我們需要手動地拆除部件上的支撐結構并經過打磨，噴漆，組裝等工序從而得到一個完整的手辦玩具。

以上介紹的是ZBrush在手辦模型制作中一些案例及技術分析。重要的是這項技術適合所有具備一定美術造型功底的人士使用。當這種類似堆泥巴的建模方式與靈活省錢的3D打印結合起來后會極大提高效率的并降低模型制作成本。這樣的經驗也非常適合相關專業在教學中予以借鑒。并且隨著二者本身的技術在不斷進步，我們有理由相信ZBrush數字雕刻與3D打印技術在手辦玩具設計中有著更為廣泛的應用。

參考文獻：

[1]陳鋒.3D打印背景下數字雕刻在動漫衍生品開發中的應用研究[J].藝術與設計（理論），2019（5）.

[2]施雨晗，余日季.3D數字雕刻技術在三維角色設計與模型制作中的應用研究[J]傳播力研究，2019（33）.

[3]張瓏薈.基于3D打印技術在文創產品設計中的應用研究[D].武漢：湖北工業大學碩士論文，2018.

[4]陳澤鋒.3D打印進入玩具零售業，或引發行業變革[J].玩具世界，2016（3）.

基金項目：校級課題《ZBRUSH數字雕刻技術在3D打印中的應用研究》（2017ZDY05）。

作者簡介：吳永康（1986—），男，江蘇鎮江人，安徽商貿職業技術學院助教，碩士，主要從事卡通形象設計研究。