3D打印技術在文化創意產品設計制作中的應用研究

胡佳寧

隨著3D打印技術的興起和應用，文化創意產品設計與制作方式也逐漸豐富起來，結合數字雕刻、新材料的3D打印技術可有效解決產品開發和生產方面的問題，為從事文創產品開發的行業提供了新的解決方案。

傳統文化創意產品大多數都是批量化大規模生產出來的，且開發周期漫長，不能滿足現代消費者個性化、多樣化的消費需求。而3D打印技術具有效率高、可定制化等特點，能讓各種各樣的創意及需求轉化成現實。因此，這一新技術在當今文創產業中有著巨大的發展空間。

3D打印技術簡述

3D打印技術是一種先進的成型技術，又稱增材制造技術，該技術以數字模型文件為基礎，采用快速成型材料，以逐層打印的方式來構造物體。依照打印原理可分為選擇性激光燒結法（SLS）、立體平板印刷法（SLA）、分層實體制造法（LOM）、熔融沉積式法（FDM）等多種技術，不同的技術也決定了各類3D打印機的特點和成本[ 1 ]。

隨著3D打印技術的日益發展，該技術在各行各業中發揮著重要作用。在工程領域已有該技術制造的新型材料，有的已在實際中被應用；在醫學領域，利用該技術制造的骨骼、器官等已被應用到對患者的治療中；在考古、文博行業也在運用該技術進行古生物、文物的復原與修復工作。

數字模型制作

常見建模方式

數字建模技術主要有兩種：3D掃描、三維數字建模。

3D掃描：是使用3D掃描設備對已有實物進行掃描，將原有物體的結構信息采集并保存下來，再通過專用軟件轉化為數字模型文件。目前，受掃描設備的限制，其尚可還原模型外部表面，但精確度通常不高，還需要利用軟件進行再加工。

三維數字建模：數字建模是從零到有，重新建立完整立體數字模型的方式。以應用廣泛的多邊形（Polygon）建模為例，其主要依靠鼠標、參數對多邊形的點（Vertex）、邊（Edge）、面（Face）等子層級進行編輯和修改，從而實現建模過程。近幾年又發展出基于數位壓感技術的數字雕刻建模方式，解決了傳統多邊形建模過程中大量使用鼠標和命令編輯操作所帶來的效率低下等問題。數字雕刻過程類似于傳統泥塑造型，結合多種數字雕刻工具對模型進行雕刻，能夠達到更加豐富的細節效果，這是一種先進的數字模型制作技術。

數字建模實例

本文以卡通角色類文創產品的開發設計為例。其主要運用成熟的Maya多邊形建模、ZBrush數字雕刻技術進行制作，并分析數字建模中多種造型技術的應用。本設計方案主要是依據一件傳統動物形象器具，經過擬人化設計得到的卡通角色類文創產品，在設計稿中既有對形體的整體設計，也有對服飾、紋樣的設計，并有完整的設計參數和比例數據。

1.低精度模型制作

低精度模型類似于傳統制作，首先要生成模型的雛形，后續的深入制作是在雛形的基礎上加以裝飾和修改。

在Maya軟件中導入三個視圖的設計圖，從角色軀干開始著手制作，建立一個多邊形的立方體，將它的寬度、高度、深度參照軀干設計調整到對應位置，適當添加Edge Loop（循環線）使點、線分布對應設計圖的軀干外輪廓。同理，頭部、四肢等也是通過類似的方式先創建立方體再進行編輯修改，對稱部位只制作一邊，另一邊通過鏡像得到。在制作中還可以利用Multi-cut Tool（多切割）工具、Extrude（擠出）工具對模型局部進一步編輯，如角色頭部的五官等凸起部位的刻畫就可以使用擠出工具來實現。

多邊形建模的優勢就在于通過點、線、面的結合快速確定模型外形，不同部位分開建立，既可以直觀了解整體與各部位造型之間的關系，又為下一步雕刻制作做好了充分準備。當角色雛形基本完成后，要進一步檢查以避免超過4條邊的多邊形出現，然后再導出三維軟件通用的obj格式模型文件。

2.高精度模型制作

本案例使用ZBrush數字雕刻軟件制作高精度模型，該軟件主要功能都集中在建模部分，界面布局簡潔。ZBrush忽略了多邊形點、線、面的特性，將模型當作一個整體，在進行塑造時，筆刷可以對局部區域進行調整，并且隨著筆刷的移動，受到影響的區域也隨時發生變化[ 2 ]。雕刻步驟通常是：雛形制作—局部調整—增加面數—精雕細節，在這個過程中始終能以“整體—局部—整體”的視角進行觀察。其制作多邊形模型的精度可以高達數億個多邊形面，直接使用數字壓感筆進行操作，加上豐富的數字筆刷庫，使得建模過程更加直觀。

將在Maya中制作的多邊形低模導入ZBrush中，在Geometry（幾何體）面板中對模型進行Divide（細分），隨著細分級別的提高，模型表面的光滑程度也得到了提高，但局部結構也會受影響而發生改變，可以依據設計圖做適當調整。

ZBrush筆刷是模型制作中表現細節的重要工具，本案例模型制作以幾種常見筆刷為例進行分析。其中，Standard用于刻畫模型表面的凸起和凹陷，如角色的關節、皮膚與衣服的褶皺；Clay接近雕刻中的黏土，可以增加或減少表面結構；Move通過拖拽方式來改變局部或整體形態，以快速實現模型外形結構的調整；Smooth對模型表面粗糙之處進行平滑處理；在模型表面紋樣制作中，還可以利用Alpha筆刷，將事先準備好的紋樣黑白元素圖導入Alpha筆刷庫中，再通過壓感筆的拖拽與強度設置得到符合設計要求的紋樣效果。

3.合并模型

為了便于對各部分細節的雕刻，頭部、軀干和四肢的模型是分開制作的，在制作過程中通過Alt鍵和鼠標左鍵的結合來選擇所要制作的部分。對各部分模型的設計完成后，再按設計圖對模型整體進行調整，之后就可以使用Zplugin（Z插件）面板中SubTool Master（多重工具大師）調板的Merge（合并）進行整合，為了避免合并中出現結合問題，還需要提前打開Geometry面板中的Dynamesh（動態網格）按鈕，它的作用在于可以自動進行拓撲，重新計算模型合并后的布線，這樣一個完整的數字角色模型文件就制作完成了。

輸出數字模型文件

由于本次角色模型的細節較多，完成后的模型多邊形面數達到上億個，通過Export工具導出的obj格式模型文件有著龐大的數據量，直接導入3D打印機將無法正常輸出。此時降低模型數據大小的方式就是減少多邊形面數，常用的減少面數方式有ZRemesher（自動拓撲）與Decimation Master（抽取大師）。

ZRemesher：打開Geometry面板找到ZRemesher調板中的Target Polygons Count輸入需要的面數，這個步驟可執行多次，直到達到合適的面數。我們來看操作過后的結果，以模型表面的紋飾為例，對比減面之前的高模，高模中的紋理清晰可見，但在執行操作后的紋樣已經變得模糊不清。

Decimation Master；在Zplugin面板中的Decimation Master調板，既可以通過百分比減少面數，也可以通過指定面數降低精度。借鑒行業制作經驗，在指定多邊形面數時一般可以選擇3.5萬個面或7.5萬個面，由于設計的產品是卡通角色類模型，高度的實際尺寸一般在100mm左右，這般大小的模型其細微的細節是無法打印出來的，需要通過后期著色來彌補，所以可直接點擊3.5萬個面的按鈕進行操作，生成低模。執行操作后模型表面網格已經變得比較稀疏，通過SubTool面板上計數工具的統計的確是3.5萬個面。在模型質量上，雖然面數明顯降低，但紋樣的細節依然得到保留。此工具的優勢在于它可以直接指定模型多邊形的面數，避免生成的模型精度具有不確定性。

另外，對比兩種減少面數的方式還可以通過打開網格顯示工具得以實現，使用ZRemesher方式得到的模型表面是四邊面，使用Decimation Master方式得到的模型表面是三邊面。按照目前大多數3D打印機所接受的格式標準，三邊面形式的模型文件適合大多數打印機的標準要求。

綜上所述，模型輸出設置主要有三點需要注意：第一，使用Decimation Master減少面數；第二，多邊形的面數控制在1萬到10萬之間；第三，多邊形需要三角化處理。其中第二、三兩點也是3D打印行業中的標準。

3D打印設置與模型輸出

本次使用的3D打印機型號為小方S130，是一臺桌面級SLA（樹脂激光固化成型）高精度打印機，最大單次成型范圍為130mm×130mm×180mm﹐打印精度為0.05mm/層。由于光敏樹脂在一定波長和強度的紫外光照射下能迅速發生光聚合反應，其材料也就從液態轉變成固態，故該打印機的原理就是利用材料的逐層光固化并疊加的方式完成立體模型。受打印機成型范圍、方式與材料成本的限制，我們還需要對模型進行尺寸、抽殼和支撐的設置。

尺寸設置：在這里主要結合產品設計對寬度、高度、深度三個維度的尺寸進行調整。本案例使用Meshmixer軟件對模型的尺寸進行等比例縮放，故只要輸入一個維度的參數，其他兩個維度的尺寸就自動生成了。

模型抽殼：為了提升打印的效率，以及對光敏樹脂材料成本的控制，模型需要制作成空心的，也就是進行抽殼操作，同樣使用Meshmixer軟件進行這一步驟。經過調查，高度在100mm左右的角色模型產品以壁厚3mm為宜，為了使殘余樹脂不會封閉在打印好的模型體內，需要對模型進行打孔以方便樹脂流出，一般需要在模型相對隱蔽且水平位置不同的部位添加至少兩個孔洞。

添加支撐：因為模型不可能在打印平臺上被騰空制作出來，所以必須要添加支撐以便于打印材料的逐層固化成型，與打印機配套的Dazzle3D打印軟件能夠提供自動生成支撐，且基本滿足打印需求。但我們在添加支撐時還需要注意這樣幾個方面：第一，盡量不要把支撐添加在角色模型的正面，后期支撐的修剪可能會破壞模型的表面，影響模型的美觀；第二，支撐的添加需要避開細節，這樣能夠減少修剪支撐的復雜程度；第三，支撐的密度需要控制，既方便了后期修剪，又節省了打印材料。

以上這些設置全部完成后就可以開始打印了，打印時間會受到模型的復雜程度、樹脂型號和打印精度等因素的影響。待打印完成之后取下模型，利用修剪工具去除模型的支撐，再經過酒精清洗及晾干，這樣一個經過數字軟件設計和3D打印制作的白模就完成了。結合設計圖進行對比，打印輸出模型與其基本保持一致，角色五官、肢體、服飾完整，細節清晰可見，達到了設計的預期要求。

3D打印技術優勢

傳統角色類文創產品通常是個人或團隊經過設計、塑型、翻模、澆注、修模、上色等工藝制作出來的，這些對制作者的綜合素質要求非常高，他們需要同時具備多種專業知識和工藝能力。特別是傳統的制作過程中還有大量繁瑣的步驟，如支架的制作、細節紋理的刻畫﹑翻模模具的制作等，消耗了大量的人力和物力。相比之下，利用數字雕刻技術和3D打印技術結合的制作工藝有以下三點優勢：

高效率

使用傳統雕刻方法制作復雜的角色模型一般需要數十天的時間，但利用數字雕刻技術，制作效率會成倍提高，雕刻完整的角色模型只要幾天，甚至只需幾個小時就可完成。例如，在數字模型制作中利用軟件的編輯工具，一步操作就能完成復制、對稱等工作，重復的工作量大幅度減少，而類似翻模和澆注的環節則被3D打印機替代完成。

高質量

傳統制作中最主要的原稿只有一份，即使用翻模制作去復制，受制作工藝的限制可能會偏離最初的設計；而數字雕刻的模型文件沒有原稿和復制品之間的差別，可以精準呈現作品最初的設計，生產的品質得到了保證。一件復雜的數字雕刻作品的多邊形面數通常能達到數億個級別，可以雕刻出傳統雕刻方式難以呈現的復雜結構。隨著新材料不斷被開發，主流的3D打印機的精度已到達0.1～0.2mm，配合3D掃描、數字雕刻等技術，可以呈現出傳統雕刻中的各種工具、技法的效果。

低成本

在過去，批量化生產模式與個性化需求定制模式是無法相互融合的，而受成本的影響，設計師、生產者也很少去思考市場真正需要什么樣的產品。數字雕刻技術的產品在設計環節是數字的形式，因此，它的調整和改變幾乎不受成本的限制，這能夠為消費者帶來“所見即所得”的體驗，而消費者也將有機會參與到產品生產前期的設計環節。雖然3D打印的設備和耗材的價格昂貴，但將其應用在模型樣品開發測試和個性化定制的小批量生產中的成本優勢明顯，不失為一個恰當選擇。

本案例通過數字建模、3D打印技術制作卡通角色類模型產品，探索3D打印技術在文化創意產品領域中的應用。隨著虛擬現實（VR）技術的興起，利用互聯網技術，數字產品能突破時空限制，讓更多人體驗文化與科技結合的魅力。數字化技術與傳統制作技術相輔相成，相互促進，數字技術雖是新生事物，但本質上只是制作工具、方法和材料等方面的進步。隨著數字技術在行業中的普及與發展，從事這個行業的設計師不需要花費太多的精力學習一個或多個復雜的制作軟件，而是有更多的時間投入到產品的概念設計中，從而真正提高產品的藝術性和功能性。如此，行業才能培養出設計理念更全面的文化創意產品和設計人才。

參考文獻

[1]繆克佳.3D打印技術在古生物復原領域應用的初探[J].科學教育與博物館，2015，1（05）：365-368.

[2]于偉，紀芳.基于ZBrush的數字雕塑綜合實驗研究[J].實驗技術與管理，2015，32（05）：180-183.