应用3D打印技术的运动文胸模杯个性化定制

高晓晓， 江红霞

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122)

3D打印技术应用于制造业具有周期短、成本低、材料利用率高、柔性高效等优势，被称为是第3次工业革命的推动者。20世纪80年代中后期，美国麻省理工学院发明了3D打印技术，1990年，美国Stratasys公司率先推出了基于熔融沉积成型(FDM)的3D打印机，我国对3D打印的研究工作开始于20世纪90年代初[1]。3D打印是以计算机三维设计模型为依据，将三维实体分为若干个二维平面，利用激光束、电子束等将材料层层累积黏结，最终叠加成型为三维实体[1]。3D打印技术虽然不能完全替代现有传统制造业，但其在个性化定制方面有着很大的优势，应用市场开发潜力巨大[1]。

3D打印的服饰产品有戒指、耳环、项链、眼镜、鞋等。早在2004年，设计师Philip Delamore采用3D打印制作了鞋子[2]；2010年，法国艺术家与荷兰时装设计师合作完成了一系列3D打印服装；2017年，阿迪达斯计划利用液态3D打印技术，批量生产了Futurecraft 4D运动鞋，实现限量的个人定制运动鞋的生产。虽然3D打印已能够打印某些服饰产品，但是和传统的纺织材料相比在力学性能上还有很大差距，尤其是拉伸强度，可通过将3D打印技术与传统纺织品结合来提高其拉伸强度[3]。

市场上的运动文胸主要通过对乳房施加压力控制乳房的晃动，按号型制作的文胸模杯造型固定，不同个体的女性乳房与模杯形态、容积的匹配程度不同，模杯压力分布情况也相应不同。目前，国内外关于3D打印技术在文胸模杯制作中的应用方面的研究较少。为实现运动文胸模杯的个性化定制，本文探索了基于逆向工程对运动文胸模杯建模，运用3D打印技术制作模杯的方法。该模杯以个体的乳房表面为内表面，贴合乳房，压力分布均匀，更加舒适、健康；同时3D打印技术的应用省去了模具制作的中间流程，从而节约了资源，简化了个性化定制运动文胸模杯生产过程。

1 运动文胸模杯概述

模杯是模杯型文胸的罩杯，通常是在一定的温度和压力作用下，可塑性材料层(海绵贴布)经过模制装置加工而成的文胸罩杯或文胸整体。

运动文胸模杯一般为覆盖整个乳房的全罩杯。全罩杯文胸可有效控制乳房的晃动，减少乳房晃动给运动带来的不便，厚度一般在0.2～0.6 cm之间[4]。运动文胸模杯与普通文胸模杯相比，造型简单，模杯整体厚度均匀。本文采用厚度均匀的全罩杯模杯作为研究对象。

1.1 运动文胸分类

运动文胸按模杯种类可分为4种，即2片固定型、2片插入型、1片无缝型、无模杯运动文胸。其中：第1种运动文胸是将2片模杯缝合固定在文胸整体中；第2种运动文胸的模杯属于夹层，可独立取出；第3种运动文胸的模杯在面积上覆盖了文胸整体(不包括肩带部分)的前半部分。

1.2 传统模杯制作流程

传统的文胸模杯制作流程一般为模型设计、模具制作、材料准备、模压定型。使用计算机软件进行模杯模具的三维立体模型设计过程中，对于造型设计首先需要确定模杯的外表面造型，接着根据厚度、功能性确定内表面造型，内衣模杯厂的模杯一般通过凹凸模具热压制得，所以模杯模具由凹模具与凸模具组成，一般下为凸模具，上为凹模具，模具的制作材料一般为合金铝；模具设计师制定材料种类、定型工艺等技术参数；绘图员编写数控锣机加工指示；技术员操作数控锣机加工铝料得到模具。

材料准备和模压定型的工序步骤为：检验布料、海绵等原材料；海绵贴布；裁切海绵贴布；罩杯定型机加热铝模到预定工艺温度，一般在180～200 ℃之间，热压海绵贴布，得到定型模杯[5]。

2 三维模杯建模

为了使模杯贴合人体，增强模杯舒适度，基于逆向工程在人台的拟合曲面上截取乳房曲面创建三维运动文胸模杯模型。逆向工程一般采用非接触式测量仪扫描物体表面获取点云数据，在此基础上构建曲面，得到数字化三维实体模型[6]。

2.1 三维人体NURBS曲面构建

2.1.1点云数据采集

点云数据是由三维数据采集设备对实体表面采样得到的三维空间上的几何点[7]。本文点云数据通过三维人体扫描仪对标准女性扫描人台扫描获取，如图1所示。其中三维人体扫描仪为德国 TECMATH公司的VITUS SMART XXL人体扫描仪，采用alvanon中国扫描系列M号人台。将扫描人台文件以.stl格式输出。

图1 人台点云数据Fig.1 Point cloud data of body form

2.1.2点云数据预处理

受目前三维扫描仪器的制约，扫描过程中设备的震动、仪器校准的精确度等使采集的点云数据存在系统误差和偶然误差，扫描所得的点云数据存在缺陷。点云数据的质量直接关系着曲面的质量，数据预处理是逆向建模前需进行的必要步骤。将得到的.stl格式的点云数据文件读入逆向工程软件Geomagic Studio中，从点云数据中截取需要的部分，本文只截取胸部的前半部分，然后进行点云数据优化处理，如去除体外孤点，减少噪声，增补点云等。

2.1.3多边形的编辑

对优化处理后的点云数据进行封装后，进入多边形编辑阶段。首先检测三角片的相交情况并进行修复，在Geomagic Studio软件中，曲面是由无数个小三角片构成的，相交的三角片将导致后期构建错误的曲面。然后细化多边形，使多边形更加精细，确保之后所构造的曲面的质量。最后松弛多边形，使多边形网格趋于平滑[8]。

2.1.4NURBS曲面构建

Geomagic Studio创建NURBS(非统一有理B样条)曲面过程如下：第1步用构造曲面片功能构建曲面片布局图；第2步用构造格栅命令在曲面片内创建1个有序的u-v网格，格栅数量要适中，格栅数量越多，人体曲面更精确，但不利于后期建模，然后拟合曲面，生成1个NURBS曲面。最后合并曲面，最终构建的NURBS曲面如图2所示。

图2 NURBS曲面Fig.2 NURBS surface

将生成的NURBS曲面与原始点云数据进行曲面偏差分析，所得偏差色谱图如图3所示。偏差分析结果为：最大上偏差2.02 mm，最大下偏差-0.70 mm，平均偏差0.01 mm，标准偏差0.03 mm。从图3可看出，除了边缘位置偏差相对较大，曲面整体偏差很小。将文件以.iges的格式输出。

图3 曲面偏差分析Fig.3 Analysis of surface deviation

2.2 模杯曲面的获取

2.2.1模杯结构控制参数

运动文胸模杯款式如图4所示，此款运动文胸模杯为一片式模杯，在面积上覆盖了整个运动文胸除肩带以外的前半部分，有关此款运动文胸模杯造型的结构控制参数主要有：下围线长(确定模杯的宽度，一般到人体侧中缝位置)、前中长(确定领口最低点位置，领口不宜过低)、杯高(确定模杯整体高度，与运动文胸减震功能相关，杯高过小，模杯不能完全包裹乳房，导致运动文胸不能达到减震的目的)、侧高(确定模杯体侧面高度)。文胸模杯结构控制参数的设计值分别为：下围线长35 cm；前中长11.5 cm，杯高19 cm，侧高6 cm。

图4 运动文胸模杯款式Fig.4 Cup style of sports bra

2.2.2模杯内表面轮廓线的创建

模杯需贴合人体，因此使用UG软件直接在人台曲面上创建轮廓线，截取人台NURBS曲面作为模杯内表面的曲面。把.iges格式的文件导入UG软件，把曲面的位置摆正，调整视图到俯视图。

模杯底围线是创建模杯轮廓线的基础，为了确定底围线的水平位置，过BP点创建一个以X轴为法向的基准平面a，求得该平面与曲面的交线，该曲线的曲率梳如图5所示。点A是BP点以下的曲线的曲率峰值点，该曲线的曲率峰值点反映的是乳房过渡到躯干的临界点，以点A的位置为模杯底围线的水平位置。过点A创建一个以Y轴为法向的基准平面b，求得平面b与曲面相交的曲线，以中点向左右各取17.5 cm截取曲线，该曲线为模杯底围线水平参考线。

图5 曲线曲率分析Fig.5 Curvature analysis of curve

确定底围线后，在前中心位置创建一个以X轴为法向的c基准平面，并求得曲面与该平面的交线，所得曲线即为前中心线，在前中心线与底围线的交点处向上截取12.5 cm为模杯的前中心线，由下端向上1 cm标记点。在距离底围平面b向上19 cm处创建基准水平面d，并求其与曲面的交线，该交线为模杯的上围线，在曲线中点位置向左右截取9 cm，截得的曲线端点作为罩杯耳仔的上端点，在该端点处创建一个与水平面向下倾斜10°的基准平面，求其与曲面的交线，并从交点处向外截取2.5 cm为模杯耳仔的宽度。在底围线的端点创建垂直于路径的基准平面e和f，求得平面与曲面的交线，在与底围线的相交处向上截取6 cm为模杯的侧缝线。在曲面上连接各个相关点并进行调整后形成模杯内表面的外轮廓线。创建模杯外轮廓线过程中所需的各个基准平面、辅助线及模杯外轮廓线如图6所示。

图6 模杯内表面的外轮廓线Fig.6 Outline of inner surface of cup

2.2.3模杯曲面截取

创建出完整的轮廓线后，运用UG修剪曲面的功能截取轮廓线以内的曲面，得到模杯内表面的曲面，如图7所示。在此过程中需注意，修剪曲面的轮廓线必须是封闭的，中间不能存在缝隙。

图7 模杯内表面的曲面Fig.7 Surface of cup inner surface

2.3 模杯实体模型创建

模杯是三维实体，具有一定的厚度，由于运动文胸需要良好的透气性，模杯厚度一般相对较小。截取模杯的内表面曲面后，在内表面曲面的基础上向外加厚2 mm，得到运动文胸模杯的整体模型，如图8所示。三维运动文胸模杯的整体建模完成。

图8 运动文胸模杯模型Fig.8 Cup model of sports bra

3 3D打印运动文胸模杯

模杯建模完成后，下一步就是打印模杯模型。目前，文胸模杯的主要材质是海绵，企业常用的海绵材质有三明治材质、立绵材质、普通海绵材质[9]，受目前3D打印材料的限制，还不能打印海绵材质，有待于后续3D打印材料的相关研发。

3D打印技术的工艺有光固化成型(SLA、DLP)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、聚合物喷射(PolyJet)等。目前已可打印柔性材质的模型，本文没有采用柔性材料，使用了SLA型3D打印机，打印耗材为光固化材料光敏树脂，该材料主要成分有低聚物、活性稀释剂、光敏剂等，光敏剂可在相应波长的紫外光照射下固化。

对模型进行3D打印前，需要完成相关的前期准备工作，主要有以下2步：运用amber 3D软件对模型布局，将.stl格式的模杯模型文件打开，模型放入指定尺寸的长方体平台中后，保存文件格式为.atl；之后对已布局好的模型进行切片，把模型分为无数个厚度为0.03 mm的二维图形，切片完成后，文件保存为.atj格式。最后把.atj格式的文件存入3D打印机进行打印。3D打印运动文胸模杯成品如图9所示。

图9 3D打印运动文胸模杯Fig.9 3-D Printed sports bra cup

4 误差分析

在制作3D打印运动文胸模杯的过程中由于偶然误差及系统误差的存在，3D打印运动文胸模杯与扫描人体不会达到完全贴合，误差来源主要有点云数据误差、曲面重构误差、3D打印误差等。

4.1 点云数据误差

由三维扫描仪扫描得到的点云数据误差主要来源于三维扫描仪机器自身、外界干扰因素。

就三维扫描仪自身而言，其在进行激光扫描时发出的激光光斑大小、仪器的稳定性、设备校准定位情况等都直接影响扫描精度。同时，有限的扫描角度、被测物自身某些部位遮挡等使激光无法到达或回到接收器从而造成扫描数据缺失。

外界干扰因素主要有外界光的干扰、被测物体的反光性。通常情况下，扫描在暗室进行，外界光线会对扫描仪发出的激光造成干扰。反光性不佳或太强的物体表面都需涂显像剂[10]。

4.2 曲面重构误差

曲面重构误差主要源于对原始点云数据的处理、多边形编辑、曲面拟合等。3D软件通常采用最小二乘逼近的方法实现曲面拟合。在对多边形进行松弛等处理时将造成与原始点云数据的偏差。

4.3 3D打印误差

3D打印技术的误差主要来自于三维模型的切片处理，切片处理会造成模型的层与层之间的过渡信息丢失，导致X-Y方向的尺寸存在偏差、模型表面光滑度下降。层厚越小，3D打印的精度越高，但是打印时间会随之增加。

5 结束语

本文探讨的3D打印运动文胸模杯的方法，与传统的使用模具热压制得模杯的方法相比，生产批量号型模杯效率较低，但在制作个性化定制模杯方面拥有明显的优势，省略了模具制作环节，节省了原材料，模杯更加合体。使用相关建模软件，模杯可呈现镂空等结构设计，能够很大程度上满足运动文胸对透气性的需求，但是受目前3D打印材料的限制，3D打印模杯的服用性能差强人意，有待于3D打印材料的进一步发展。

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