基于3D逆向、3D打印技术的艺术外观产品开发策略

孙维泽，周家洪，彭胜

（贵州航天职业技术学院，贵州 遵义 563000）

0 引言

逆向设计是集三维测量技术、图形处理技术和数据处理技术为一体的CAD技术，已经成为CAD技术中的应用热点[1]。尤其是艺术外观产品的自由曲面处理，采用逆向技术可在无参数的情况下完成结构的设计，再利用逆向设计的结果运用于产品的创新设计，最后运用3D打印技术快速制样。可快速、高效地完成设计，缩短研发周期。根据前人的大量研究和探索，逆向技术已开始在各行各业得到一定的应用。贵州茅台镇白酒酒瓶开发设计需求十分庞大，但传统设计方法大多都无法满足客户在酒瓶上的个性化外观设计需求，只能在外包装文案上做修饰；并且传统酒瓶设计方案中，试模成本及周期都很大。以此次贵州XX酒业有限责任公司与我校3D打印工作室合作设计天麻保健酒酒瓶为契机，实现了3D逆向技术、3D打印与白酒产业的一次结合。

1 逆向设计

1.1 3D扫描

根据客户提出的设计理念，挑选形态饱满、优质新鲜天麻实物进行三维数据采集。设备为win3D单目扫描设备。由于新鲜天麻表面呈淡黄色，反光效果不佳，故在其表面喷涂显影剂；为了完整保留天麻表面特征，不宜在天麻表面贴标识点，采用转盘贴标识点进行正反两面独立扫描。获取正反两面两个独立的点云群，后续运用Geomagic Studio软件手动注册拼接。数据采集过程如图1所示。

1.2 点云处理

为了保证酒瓶天麻外观部分结构完整，保留天麻表面特征，故扫描时采用了不在实物表面贴标识点，将产品正、反面进行独立的采集，获得了正、反面2个点云群。需首先对2个独立的点云群进行分别处理。Geomagic Studio软件是非参的，首先要先将点云数据单位更改为“毫米”，然后再进行着色，去除杂点处理。软件提供“非连接项”和“体外孤点”功能命令可快速地辅助去除多余杂点。无论正面点云群、还是反面点云群都通过多角度进行了多次扫描；每次扫描获得的点云文件是通过在转盘上标识的标识点进行自动拼接的，因此各点云文件间都会有错层的情况；需要将正、反两个点云群分别做“全局注册”处理；全局注册效果如图2所示。然后分别将正反两个点云群“联合点对象”，获得两个处理好的正反面点云文件。

接着将两个处理好的正反面点云文件，同时导入到同一个视窗中，采用手动注册的方式将正反两面点云群进行拼接；手动注册采用“n点注册”模式，将反面设置为“固定”，正面设置为“浮动”，依次在两个点云群中选择共同特征位置，将两个点云文件进行拼接，如图3所示。由于手动选择相同特征误差比较大，需再次将两个点云文件进行自动注册，通过软件最佳拟合，将两个点云文件完美贴合。然后将点云文件联合点对象；由于无论正反两面独立扫描时都通过多个角度进行了扫描，导致点云数据庞大，点云疏密程度不同，需要采样处理。Geomagic Studio 中有四种采样方式：统一采样、曲率采样、格栅采样、随机采样[2-5]。这里选择同一采样的方式，将其绝对间距设置为“0.5mm”。最后封装成三角面片。

1.3 模型构建

通过封装后，点云群转换为三角面片。由于新鲜天麻表面特征特殊性，客户希望尽量保留细节特征，封装后三角面片中出现一部分法向错误、高度折射边等问题，先采用“减少噪音”功能命令对三角面片进行光顺处理，参数“自由曲面”，迭代“3”，偏差限制“0.5”，然后运用“网格医生”对三角面片进行分析和修复；其次是对破口处进行清口、填充补孔，由于扫描过程中为了尽量保留原始特征，会有较多破口需要清理，处理过程中要灵活运用重置回转中心、贯穿等功能。最后再次运用“网格医生”对三角面片进行分析和修复。

逆向设计过程中，对于拥有几何参数的工业产品，一般运用Geomagic DX 获取三角面片特征、数据进行设计。但对于自由曲面，结构复杂无人为主观设计参赛的产品，可直接采用Geomagic Studio精确曲面进行逆向设计，驱动精确曲面，将三角面片自动转换为NURBS曲面。最后将NURBS曲面转换为CAD模型。模型构建效果如图4所示。

2 天麻酒瓶设计

采用逆向设计手段将天麻实物转换为CAD模型后，即可利用天麻模型进行创新设计。由于从Geomagic Studio 软件构建模型整个过程都没有对模型进行任何的参数化处理，故正向设计过程中，首先要对模型摆正；根据天麻尾尖与头部中心创建中心对称平面，再根据酒瓶设计方向创建合适的坐标系。根据客户要求构建模型结构，天麻模型尾尖向上，左右对称结构；天麻形状位置设计为透明，可直观显示药酒颜色、状态；正面及后面大块面积喷绘产品LOGO。设计效果如图5所示。

3 3D打印样件制作

3.1 打印设备选择

目前塑料产品的3D打印制作，主流打印方式有光敏树脂采用光固化的和FDM的，本产品需要在表面做喷绘处理，对表面质量有较高要求。由于 FDM 打印机为喷头吐丝打印，模型表面有较明显的条形纹理，尤其对于曲面零件或者有一定坡度的零件其表面会出现比较明显的“台阶”，对于打印表面光滑度较高的工件来说，光固化 3D 打印机最为适合[6-8]。故本次采用LCD光固化3D打印机。

3.2 打印切片

打印切片是3D打印操作最核心的部分，切片参赛决定成型条件，经过分析将产品三种切片方案进行比较，分别采用了三种摆放方向和相应方案下的最优打印参数。切片参数如表1所示。

表1 切片方案对比

三种方案分别采用了三种不同的摆放方向；其中方案一：竖直摆放；优点：支撑最少，产品内部支撑少，位置主要在产品底部，对产品表面影响最小，底层接触面大。缺点：高度最高，层数最多，导致打印时间最长，打印成功率降低（与设备性能有关）。方案二：以45°倾斜角摆放；优点：内部支撑与瓶口方向成45°角，易去除。缺点：外部支撑较多，底层接触面较窄，必须增加底板，需增加底层曝光时间，将底层曝光时间设置为60s。方案三：采用90°摆放；优点：高度最低，层数最少，打印时间最短，内部支撑最易去除。缺点：支撑面最大，外观影响最大。由于产品表面质量要求高，综合分析后，采用方案一进行打印[9-11]。

3.3 打印后处理

打印完成后，立即将产品取下，运用95%的工业酒精进行清洗再置于超声波清洗槽中清洗干净；去掉底部支撑；然后置于405波长的UV光固烤箱进行二次固化，打印完成；成功制作天麻特征外观酒瓶样品。

4 结语

本文以天麻酒瓶开发设计为案例，利用3D扫描技术获取天麻实物表面特征，运用Geomagic Studio“精确曲”直接设计天麻CAD模型的方法，1比1获得了天麻实物特征。展现了逆向设计的优势，弥补了正向设计艺术外观产品困难的问题。在天麻CAD模型的基础上快速完成了酒瓶的创新设计，完成客户的设计理念。并运用3D打印技术快速完成了样品的制作，极大限度地缩短了研发周期以及试模成本，为艺术外观产品的工业设计提出了一种高效的设计策略。同时，实现了3D打印技术与贵州茅台镇白酒产业的一次高效合作，为后续私人定制酒市场、本地个性化创新设计市场提供了借鉴，对类似艺术外观产品的3D设计策略具有参考意义，同时也为职业院校3D打印教学项目的开发提供借鉴价值。