基于3D逆向、3D打印技術的藝術外觀產品開發策略

孫維澤，周家洪，彭勝

（貴州航天職業技術學院，貴州 遵義 563000）

0 引言

逆向設計是集三維測量技術、圖形處理技術和數據處理技術為一體的CAD技術，已經成為CAD技術中的應用熱點[1]。尤其是藝術外觀產品的自由曲面處理，采用逆向技術可在無參數的情況下完成結構的設計，再利用逆向設計的結果運用于產品的創新設計，最后運用3D打印技術快速制樣。可快速、高效地完成設計，縮短研發周期。根據前人的大量研究和探索，逆向技術已開始在各行各業得到一定的應用。貴州茅臺鎮白酒酒瓶開發設計需求十分龐大，但傳統設計方法大多都無法滿足客戶在酒瓶上的個性化外觀設計需求，只能在外包裝文案上做修飾；并且傳統酒瓶設計方案中，試模成本及周期都很大。以此次貴州XX酒業有限責任公司與我校3D打印工作室合作設計天麻保健酒酒瓶為契機，實現了3D逆向技術、3D打印與白酒產業的一次結合。

1 逆向設計

1.1 3D掃描

根據客戶提出的設計理念，挑選形態飽滿、優質新鮮天麻實物進行三維數據采集。設備為win3D單目掃描設備。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識點，采用轉盤貼標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，后續運用Geomagic Studio軟件手動注冊拼接。數據采集過程如圖1所示。

1.2 點云處理

為了保證酒瓶天麻外觀部分結構完整，保留天麻表面特征，故掃描時采用了不在實物表面貼標識點，將產品正、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，首先要先將點云數據單位更改為“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盤上標識的標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，將反面設置為“固定”，正面設置為“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，導致點云數據龐大，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，將其絕對間距設置為“0.5mm”。最后封裝成三角面片。

1.3 模型構建

通過封裝后，點云群轉換為三角面片。由于新鮮天麻表面特征特殊性，客戶希望盡量保留細節特征，封裝后三角面片中出現一部分法向錯誤、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“自由曲面”，迭代“3”，偏差限制“0.5”，然后運用“網格醫生”對三角面片進行分析和修復；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中心、貫穿等功能。最后再次運用“網格醫生”對三角面片進行分析和修復。

逆向設計過程中，對于擁有幾何參數的工業產品，一般運用Geomagic DX 獲取三角面片特征、數據進行設計。但對于自由曲面，結構復雜無人為主觀設計參賽的產品，可直接采用Geomagic Studio精確曲面進行逆向設計，驅動精確曲面，將三角面片自動轉換為NURBS曲面。最后將NURBS曲面轉換為CAD模型。模型構建效果如圖4所示。

2 天麻酒瓶設計

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

3 3D打印樣件制作

3.1 打印設備選擇

目前塑料產品的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，本產品需要在表面做噴繪處理，對表面質量有較高要求。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，經過分析將產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方案下的最優打印參數。切片參數如表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；優點：支撐最少，產品內部支撐少，位置主要在產品底部，對產品表面影響最小，底層接觸面大。缺點：高度最高，層數最多，導致打印時間最長，打印成功率降低（與設備性能有關）。方案二：以45°傾斜角擺放；優點：內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，將底層曝光時間設置為60s。方案三：采用90°擺放；優點：高度最低，層數最少，打印時間最短，內部支撐最易去除。缺點：支撐面最大，外觀影響最大。由于產品表面質量要求高，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，立即將產品取下，運用95%的工業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 結語

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