復雜場景3D快速建模與打印技術

龐蘊奇 顧霞青 王怡仙 郭曉俐

摘? 要：3D建模打印技術在場景設計中應用十分廣泛，文章主要針對復雜場景建模打印中存在的效率低的問題，通過多建模軟件協同、多建模技術相結合、優化模型和參數配置等措施，研究出一套復雜場景3D快速建模打印的解決方案，提升同等精度要求下的復雜場景建模打印效率。方案應用于鹽城師范學院校園圖書館建筑群的3D建模與打印，相比于傳統單一工具建模打印方法，在同等精度下建模打印效率提升60%以上，達到預期效果。

關鍵詞：3D建模;3D打印;3DS MAX;SketchUp

Abstract：3D modeling printing technology is widely used in scene design. In this paper，aiming at the problem of low efficiency in complex scene modeling and printing，through the cooperation of multi-modeling software，the combination of multi-modeling technology，optimization of model and parameter configuration，a set of solution for 3D rapid modeling and printing of complex scene is developed to improve the printing efficiency of complex scene modeling under the same precision requirements. The scheme is applied to 3D modeling and printing of campus library building complex of Yancheng Teachers University，compared with the traditional single tool modeling printing method，the modeling printing efficiency is increased by more than 60% under the same precision，and the expected effect is achieved.

Keywords：3D modeling;3D printing;3DS MAX;SketchUp

0? 引? 言

近年來，隨著人們對于“數字城市”的研究日益增長，3D建模與打印技術應用越來越廣泛。傳統建模中的矩形成面模型比較簡單，但復雜場景下的曲面建模會有一定的難度，其建模與打印效率相對較低。本文針對復雜場景建筑物，探索綜合應用3DS MAX、SketchUp等多種建模軟件，將多邊形建模、四邊形剖分法等多種技術相結合，優化打印的技術方案實現模型的快速建模與打印。

1? 建模與打印相關軟件

1.1? 3DS MAX軟件簡介

3DS MAX是AUTODESK旗下用于PC端三維動畫渲染與制作的軟件，其廣泛應用于工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲制作以及工程可視化等領域。該軟件具有可堆疊的建模步驟，使其在制作模型上有非常大的彈性。此外3DS MAX可以渲染出真實性非常高的場景，深受建模設計師的喜愛。

1.2? SketchUp軟件簡介

SketchUp是一個極受歡迎并且易于使用的3D設計軟件，因其有一個全球性的三維模型庫，人們可以共享庫中的三維模型。SketchUp軟件的核心是編輯工具，能進行移動、推拉、旋轉、縮放等操作。SketchUp可以快速生成任何位置的剖面，使設計者清楚地了解建筑的內部結構，并可以隨意生成二維剖面圖并快速導入AUTOCAD進行處理。

1.3? Pango切片軟件簡介

Pango是PANOWIN公司針對PANOWIN F2等機型開發的切片軟件。3D打印模型在設計好之后，需要經過切片計算形成一個打印文件，這個打印文件會精確地“告訴”3D打印機如何控制打印進程。Pango切片軟件中菜單欄主要有五個選項，分別是“模型”“編輯”“視圖”“參數”與“幫助”，因此操作十分簡單。根據需要設計參數之后，點擊Pango主界面右下方的“查看分層”按鈕;切片完成后，單擊Pango主界面右邊的保存PCODE文件按鈕保存輸出打印文件，將其拷貝至SD卡中即可開始3D打印[1]。

2? 復雜場景建模解決方案

當建造復雜建筑物的模型時，傳統的矩形成面已滿足不了需求，在建模之前，先在CAD中獲得復雜建筑的圖形尺寸，之后采用四邊形剖分法將復雜的圖紙簡單化，從而更便利地進行三維模型的建造。

本文選取鹽城師范學院具有典型復雜曲面的圖書館建筑群進行分析，圖書館由主樓、立柱、弧形外廓等部分構成，對于一些曲面部分較少的立柱等采用SketchUp軟件進行建模，而對于曲面較為復雜的主樓則采用3DS MAX軟件進行建模。

2.1? 使用CAD軟件修改圖紙

在管理軟件計算機輔助設計CAD中，將建筑圖紙中多余的線條進行修改，留出清晰的外觀輪廓，得到修改之后的圖書館前、后、左、右視圖。將修改之后的CAD圖紙導入SketchUp/3DS MAX軟件中，并進行1：100等比例縮小。

2.2? 使用SketchUp軟件快速創建三維建筑環境模型

（1）SketchUp中面的推/拉：先用矩形工具繪制一個與圖紙比例相同的矩形。使用推/拉工具，將繪制的矩形拉成與圖紙長、寬、高相同比例的長方體。通常規則的矩形面可以直接繪制，而曲線成面需采用四邊形剖分法，先用鉛筆工具描出輪廓，將曲面分解成許多不規則的四邊形，從而形成不同的面;使用卷尺工具量出所需向內凹陷的寬度，使用推/拉工具依次向內推，形成一個層次效果。

（2）SketchUp中的鏤空：為節省3D打印所使用的材料，本次研究采用鏤空技術。在實體的基礎上，使用偏移工具與推/拉工具進行鏤空。在使用面的推/拉的過程中，要注意所推/拉的標準要與所要鏤空的上邊距保持等距離，否則將形成一個新的面。

（3）SketchUp中等距離建模：在建模過程中，當出現多個等間距的相同物體模型時，要在功能列表中選擇卷尺工具測量出兩物體之前實際距離。使用直線工具繪制一條直的線段，利用選擇工具選擇該線段，將移動工具放在線段任意一端的起始點上，按住Ctrl+M快捷鍵，并用鼠標點擊該端點處，向上移動到合適距離（兩物體之前實際距離）;在默認面板下的數值中輸入*n，按住回車鍵即可完成n個相同等間距線條的繪制，從而減少了繁雜冗余的重復步驟，如圖1所示。

（4）SketchUp模型紋理貼紙：因建好的模型使用的是系統默認的材質貼圖，為了使模型更加生動逼真，需要對模型進行紋理貼紙。SketchUp貼紙按照使用需求，可以分為三類：普通貼紙、包裹貼紙和投影貼紙[2]。因圓柱是典型的曲面圖，而投影貼紙是在貼圖來源平面上截取被附材質的投影形狀的貼圖，將貼紙包在三角錐上可形成無縫的貼圖效果，因此這里選用的是投影貼紙，效果如圖2、圖3所示。

2.3? 使用3DS MAX軟件創建高精度三維建筑環境模型

（1）使用基本幾何體搭建出附樓的初步模型，并進一步采用多邊形建模等方法制作附樓模型。在建模過程中，手動調整模型很難達到完全對齊的狀態，所以需要打開捕捉開關。然后在3DS MAX的建模頁面選擇樣條線中的矩形工具，在前視圖中創建矩形，并根據導入的CAD圖紙，在參數中輸入矩形的長寬等基本信息。最后對其進行擠出等操作，完成對應的簡單模型。

（2）模型細節創建。在簡單模型的基礎上，使用高級建模命令修整模型的細節。如在創建窗戶模型的過程中，為了使建立的窗戶模型更加精確，首先在CAD圖紙中確定窗戶的長、寬、高;然后選擇標準基本體中的復合對象，通過使用超級布爾命令的拾取操作，對簡單模型進行交集或差集運算，從而將模型完善成理想效果，如圖4所示。

3? 模型切片及打印

3.1? 模型切片優化

3.1.1? 模型最小寬度

常見的打印機噴嘴直徑為0.2 mm，故模型的水平方向最小寬度不應小于0.2 mm，且寬度通常情況下應為噴頭直徑的整數倍以保證打印效果;同時垂直方向上厚度也不應過小，并也要注意打印層高和厚度關系。

3.1.2? 模型余量

模型在設計時，應充分考慮打印精度以及材料熱膨脹等因素，在孔洞方面設計的孔直徑應略大于實際需要的孔的直徑，溝槽等結構同理;反之凸起部分的設計尺寸應略小于實際需要的尺寸。

3.1.3? 模型大小

建模時要注意模型尺寸，過大或者過小的模型都會使打印機出現問題，若模型過大可能無法打印，而過小則會影響模型質量。其中，對于過大的模型可根據具體情況進行分割，分多次進行打印。

3.1.4? 細節處理

若需要在模型表面表現出紋理等裝飾，一般應將紋理的厚度設置到0.1 mm以上，以保證紋理可見;紋理盡量不要出現鋒利的角，反之應使用倒角等方式平滑直角或者銳角部分。

3.2? 打印參數優化

3.2.1? 打印精度

對于不同類型的模型可以選用不同的打印精度以兼顧質量與效率，如平面結構較多且各部分結構尺寸較大的模型可選用較低的打印精度;而在打印較為精密或者尺寸較小的模型時則要選擇較高的打印質量，每提高一倍打印質量打印時間也隨之提高一倍。

3.2.2? 支撐

由于3D打印的特殊性，需要在模型架空的位置設置支撐以保證架空位置的打印效果，一般情況下切片軟件會根據模型自動生成支撐，如果軟件沒有生成支撐的功能，則需在建模時自行加入支撐結構。

3.2.3? 填充

對于不需要考慮結構強度的模型，可以降低填充密度以節省打印材料和縮短打印時間。而對于結構強度有一定要求時則需要將填充密度提高，以100%填充為宜。

3.2.4? 溫度

不同的打印材料需要的融化溫度不同，PLA打印溫度在210 ℃為宜;同時為保證平臺的附著力，平臺溫度應設置為50～60 ℃。

3.2.5? 調平

由于打印機工作時在3軸上運動，其中垂直方向會受熱床角度影響，若不進行調平，可能會影響打印質量，嚴重時會損壞噴頭和熱床。調平時將噴嘴分別移至四個角，使用一張A4紙插入平臺，使噴嘴接近平臺，直到需要用力拉出A4紙為止。

4? 結? 論

本文通過研究鹽城師范學院部分校園復雜場景的建模、打印方法與材料優化等方面，總結出多軟件、多技術優化組合的建模與打印方法，解決復雜場景建模速度慢、效果差、打印耗材多的問題。通過實驗證明，該方法具有建模快、打印效果逼真、模型完整、耗材節約等特點，是一套優化組合方案。筆者相信，隨著技術的不斷提升，建筑物的三維模型將更大型、更復雜，3D打印技術在未來一定會有更加廣闊的空間。

參考文獻：

[1] 王銘，劉恩濤，劉海川.三維設計與3D打印基礎教程 [M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2] 余起怡.復雜建筑物的3D建模研究 [J].科技創新與生產力，2018（4）：31-33.

作者簡介：龐蘊奇（1999.03—），女，漢族，江蘇徐州人，本科在讀，研究方向：數字媒體技術應用;通訊作者：郭曉俐（1974.02—），女，漢族，江蘇鹽城人，副教授，碩士研究生，研究方向：數字媒體技術、教育技術應用。