基于3D 打印的三維模型優化研究

毛 斌， 張金誠， 楊 旸

（山東建筑大學 藝術學院， 濟南250101）

0 引 言

隨著經濟和技術的飛速發展，3D 打印技術也在不斷提高，3D 打印的成本日趨降低，應用的領域也越來越廣泛，在小批量的原型制作和私人定制領域表現尤為突出。 3D 打印技術正在逐步改變傳統制造業，進一步改變著人們的生活。

3D 打印的關鍵是如何給出3D 打印機能讀取的數據。 因此，三維模型的設計顯得尤為重要。 如今能夠構建三維模型的軟件大致可分為兩種：一是基于數學公式的Nurbs 曲面軟件，主要運用在工業生產領域；另一種則是基于近似造型曲面的Mesh曲面軟件，主要運用在視覺設計領域。 雖然兩種軟件做出的模型都可以進行打印，但打印之前都必須要經過基于3D 打印的三維模型優化，才能達到最佳效果。

1 3D 打印概述

3D 打印技術又叫增材制造技術。 相比于傳統的制造工藝，3D 打印能完成一些傳統制造業無法制造的產品［1］。 簡單來說，現有的3D 打印是一個不斷重復的2D 打印技術，利用切面軟件將三維模型分割成一層層的二維數據，再把這些數據輸入到打印機器里，從模型的最底層開始打印，層層疊加就形成了3D 模型。

從應用的深度來講，現在的3D 打印技術已經可以打印多種材料。 例如，塑料、金屬、以及一些特殊材料。 成型方式多種多樣。 例如固體的有熔融沉積，液體的有光固化、粉末的有激光燒結等等。 從應用的廣度來講，隨著技術的進步，3D 打印技術除了打印產品的原型外，還可以直接運用到更多領域。例如，生物醫療領域：可以打印牙齒和骨骼，甚至可以打印人體器官；建筑領域：可以用水泥打印樓房，效率可以得到很大的提升；航天和汽車工業領域：可以打印出復雜的散熱系統等等。

目前應用較為廣泛的3D 打印技術主要分4種，其原理、優劣勢、特點均有所不同。

FDM（熔融沉積快速成型）：基于熔融沉積技術，原料主要為PLA（生物分解性塑料）與ABS。 原理是將固體材料融化成液體擠出，一層一層堆積上去，最后成型［2］。 具有成形尺寸大、成本低等優點，而缺點在于成型較慢、精度相對較低、后期處理較為困難。

SLA（光固化快速成型）：原料主要為光敏樹脂，基于光固化技術。 利用激光束路徑畫出物體的每一層，讓固化層不斷的浸入液態樹脂中。 其優勢在于成型尺寸較大、成型快、精度高、后期處理簡單；缺點在于成本較高。 SLA 已逐漸成為3D 打印的主流技術。

DLP（數字光投影成型）：原料主要為光敏樹脂，在光固化技術的基礎上，利用投影儀的數字光源，每次成型為一層，主要受制于投影儀及圖片的分辨率。優點在于成型較快、精度高、后期處理較為簡單；缺點在于成型尺寸小、成本較高。 DLP 主要應用于游戲動畫等領域，多為小型人物模型的打印。

SLS（選擇性激光燒結工藝）：原料主要為粉末材質，基于激光燒結技術。 使用激光逐層加熱粉末至熔化點，燒結形成粘接，直至成型。 SLS 是目前唯一可以加工金屬等特殊材料的3D 打印技術，但存在后期處理困難、成本高、技術難度大等缺點。

2 三維模型與3D 打印之間的銜接問題

3D 打印技術與三維模型是密不可分的，打印效果除了選擇打印技術以外，最主要的影響因素就是三維模型本身。 影響三維模型3D 打印效果的原因有很多，從整體上來看可分為3 類：

（1）三維模型與切片軟件的銜接。 三維模型的3D 打印需要使用專業的切片軟件，將三維數據轉化為一層一層的二維數據，并形成路徑代碼或圖片設備才能識別。 切片軟件能識別的模型格式有限，無法識別的模型格式是沒辦法進行3D 打印的。

（2）三維模型本身存在的問題。 三維模型各式各樣，很多設計只注重產品的表現而忽視模型的真實性。 例如，在三維模型中可以存在獨立的點線面，而在現實世界中，所有的物都是以體的形式存在的，就算最薄的紙都有厚度。 3D 打印的切片軟件只能對實體進行切片，對于片面等則會默認為是錯誤的圖形。 因此當三維模型中出現單面、破面等情況，會直接影響3D 打印的成功率。

（3）3D 打印設備的限制。 3D 打印設備在尺寸、厚度、材料等方面都存在限制。 打印三維模型時，如果不考慮設備所帶來的局限性，同樣也會降低打印的成功率。

3 基于3D 打印的三維模型優化

針對三維模型與3D 打印之間存在的銜接問題，本文以Rhino 建模軟件為例，通過優化三維模型來提高3D 打印的成功率。 三維模型可以從模型格式、模型水密性、打印壁厚、分解模型、預留公差、重疊模型、空心模型等7 個方面入手，進行三維模型的檢查與優化。

3.1 優化模型格式

3D 打印所需的軟件為切片軟件，識別格式有限，但STL 格式基本都可識別。 因此，可以把模型保存為STL 格式文件［3］。

（1）設置打印精度。 STL 文件是由多重三角曲面組成的實體，多重三角曲面的數量決定了模型精度。 因此，Rhino 在導出為STL 格式時，需根據需求修改參數。 一般情況下精度設置為0.01 mm 即可。

（2）刪除多余模型。 在模型建造過程中，可能會存在模型被隱藏的情況，即使它們不可見，但在轉換為STL 格式時，這些隱藏的模型也會被導出。 因此，在轉換為STL 格式之前，需要刪除隱藏的模型。

3.2 優化模型水密性

Rhino 作為建模軟件，優點在于操作簡單、曲面造型的表現效果突出。 但是，Rhino 的缺點也在于此。由于它的曲面可以獨立存在，沒有實體厚度，往往在建模時只是用面來拼接出形狀，若只針對產品的表達效果，這種片面沒有問題。 但是，打印軟件會認為這些片面是錯誤的，無法識別。 比較精確的方法是利用Rhino 提供的外露邊緣命令，如果曲面不封閉或者存在單一的曲面，都會呈現出不同的顏色。 外露邊緣命令能準確的找出物件所出現的不封閉邊緣，從而針對錯誤邊緣進行修改，進一步優化模型的構建。

3.3 優化打印壁厚

目前，3D 打印機的打印壁厚存在一定限制。 例如：常見的FDM 打印機在垂直方向的壁厚一般不小于0.8 mm，SLA 打印機最薄在0.6 mm 左右。 究其原因主要分為兩種：其一， SLA 打印機所使用的材料為樹脂，壁厚小于0.6 mm 雖可打印，但由于樹脂材料質地較軟，在小于0.6 mm 的情況下極易出現變形；FDM 打印所使用的材料一般為PLA 或者ABS材質，壁厚太薄，打印出的產品易損壞，在后期處理上也很容易出現問題。 其二，FDM 打印機的工作原理為熔融沉積，壁厚受制于擠出頭的直徑，現在普遍使用的擠出頭尺寸為0.4 mm，而0.8 mm 的壁厚恰好是擠出頭行走兩層的厚度。 如果打印在0.5 ～0.7 mm的壁厚，切面軟件很難識別，在打印時會出現虛打層，即只走路徑而不擠出材料。

3.4 優化分解模型

不同的打印機擁有不同的成型尺寸。 例如，通常FDM 打印機在XYZ 軸的成型尺寸分別在300 ～400 mm 之間；工業級SLA 機器的成型尺寸為600 mm×600 mm×400 mm 等等。 因此，如果要打印模型超過了機器的成型尺寸，則要進行分模處理。 需將模型分拆成可打印的小部件，后期再將拆分的部件粘貼起來。 一些模型修復軟件（如Magics）可以進行一些簡單的模型分割，但在一些特殊情況下，還是要通過Rhino 軟件提前進行結構分割。 如在長桌腿的打印中，模型的大小超過了機器的打印尺寸。 通過拆分成兩個現代榫的形式，既保證了打印尺寸，又保證了模型強度。

3.5 優化預留公差

模型之間如果需要配合組裝的話，要提前預留公差。 主要的原因在于機器的精度和材料的特性。FDM 機器所打印的模型單邊誤差在0.2 mm 左右，同時材料在熔融沉積的過程中也會出現變形的現象，這也在很大程度上影響了打印模型的精度。SLA 的機器打印精度較高，基本不存在打印誤差，但是要考慮模型之間的摩擦。 因此，在打印需要相互配合的模型時，要根據具體情況在接觸的位置預留出空隙。 FDM 的機器一般留有0.2 mm 的公差，SLA的機器則為0.05－0.1 mm 的公差。 如果接觸表面需要上色處理，還要多留出0.05－0.1 mm 的上色公差。

3.6 優化重疊模型

在導出STL 格式之前，需要將多重曲面進行布爾合集運算，這樣可有效減少重疊現象。 但在建模時，也會出現穿模現象，即模型的曲面會重疊在物體內。 這種情況常見于由曲線建立圓管命令中，當轉彎半徑小于圓管半徑時，圓管內側的曲面會重疊在圓管內。 這類模型在檢測時為正確的多重曲面，轉換為STL 模型時也不會出錯。 但在上機打印時會出現殼體內打印的邊緣的情況，有時還會使得連接位置出現斷裂現象。 這是因為切面軟件在切片時會識別曲面，賦予曲面壁厚，剩下的內側部分為填充，如果模型出現曲面重疊在物體內側的情況，切面軟件無法智能的分辨。 因此，在設計模型時要盡量避免這種情況，必要時可以將重疊的部位截取出來，用其它形式替換，以免產生不必要的麻煩。

3.7 優化空心模型

在打印中難免會碰到打印封閉空心模型的情況。 FDM 打印的模型，中空頂面如果角度過大會有支撐；SLA 打印的模型中空部分則會留有液體。 兩種情況都會使模型打印不理想，造成材料的浪費。因此，在3D 打印之前需要提前處理好模型。 FDM打印之前需要將頂部的模型拆分出來打印，以便于減少支撐；SLA 打印時則需要預留出4 ～6 mm 左右流出液體的孔洞，后期再將孔洞補齊。

4 結束語

建模軟件與3D 打印切片軟件的銜接，是三維模型與真實模型之間存在的問題，需要考慮模型格式、材料、打印精度、打印工藝、打印尺寸等諸多因素。 本文所總結的銜接注意事項只是在3D 打印中比較常見的問題，并不能全部涵蓋。 三維模型的打印還需要在打印實踐中不斷的探索和總結。