3D打印技术在文化创意产品设计制作中的应用研究

胡佳宁

随着3D打印技术的兴起和应用，文化创意产品设计与制作方式也逐渐丰富起来，结合数字雕刻、新材料的3D打印技术可有效解决产品开发和生产方面的问题，为从事文创产品开发的行业提供了新的解决方案。

传统文化创意产品大多数都是批量化大规模生产出来的，且开发周期漫长，不能满足现代消费者个性化、多样化的消费需求。而3D打印技术具有效率高、可定制化等特点，能让各种各样的创意及需求转化成现实。因此，这一新技术在当今文创产业中有着巨大的发展空间。

3D打印技术简述

3D打印技术是一种先进的成型技术，又称增材制造技术，该技术以数字模型文件为基础，采用快速成型材料，以逐层打印的方式来构造物体。依照打印原理可分为选择性激光烧结法（SLS）、立体平板印刷法（SLA）、分层实体制造法（LOM）、熔融沉积式法（FDM）等多种技术，不同的技术也决定了各类3D打印机的特点和成本[ 1 ]。

随着3D打印技术的日益发展，该技术在各行各业中发挥着重要作用。在工程领域已有该技术制造的新型材料，有的已在实际中被应用；在医学领域，利用该技术制造的骨骼、器官等已被应用到对患者的治疗中；在考古、文博行业也在运用该技术进行古生物、文物的复原与修复工作。

数字模型制作

常见建模方式

数字建模技术主要有两种：3D扫描、三维数字建模。

3D扫描：是使用3D扫描设备对已有实物进行扫描，将原有物体的结构信息采集并保存下来，再通过专用软件转化为数字模型文件。目前，受扫描设备的限制，其尚可還原模型外部表面，但精确度通常不高，还需要利用软件进行再加工。

三维数字建模：数字建模是从零到有，重新建立完整立体数字模型的方式。以应用广泛的多边形（Polygon）建模为例，其主要依靠鼠标、参数对多边形的点（Vertex）、边（Edge）、面（Face）等子层级进行编辑和修改，从而实现建模过程。近几年又发展出基于数位压感技术的数字雕刻建模方式，解决了传统多边形建模过程中大量使用鼠标和命令编辑操作所带来的效率低下等问题。数字雕刻过程类似于传统泥塑造型，结合多种数字雕刻工具对模型进行雕刻，能够达到更加丰富的细节效果，这是一种先进的数字模型制作技术。

数字建模实例

本文以卡通角色类文创产品的开发设计为例。其主要运用成熟的Maya多边形建模、ZBrush数字雕刻技术进行制作，并分析数字建模中多种造型技术的应用。本设计方案主要是依据一件传统动物形象器具，经过拟人化设计得到的卡通角色类文创产品，在设计稿中既有对形体的整体设计，也有对服饰、纹样的设计，并有完整的设计参数和比例数据。

1.低精度模型制作

低精度模型类似于传统制作，首先要生成模型的雏形，后续的深入制作是在雏形的基础上加以装饰和修改。

在Maya软件中导入三个视图的设计图，从角色躯干开始着手制作，建立一个多边形的立方体，将它的宽度、高度、深度参照躯干设计调整到对应位置，适当添加Edge Loop（循环线）使点、线分布对应设计图的躯干外轮廓。同理，头部、四肢等也是通过类似的方式先创建立方体再进行编辑修改，对称部位只制作一边，另一边通过镜像得到。在制作中还可以利用Multi-cut Tool（多切割）工具、Extrude（挤出）工具对模型局部进一步编辑，如角色头部的五官等凸起部位的刻画就可以使用挤出工具来实现。

多边形建模的优势就在于通过点、线、面的结合快速确定模型外形，不同部位分开建立，既可以直观了解整体与各部位造型之间的关系，又为下一步雕刻制作做好了充分准备。当角色雏形基本完成后，要进一步检查以避免超过4条边的多边形出现，然后再导出三维软件通用的obj格式模型文件。

2.高精度模型制作

本案例使用ZBrush数字雕刻软件制作高精度模型，该软件主要功能都集中在建模部分，界面布局简洁。ZBrush忽略了多边形点、线、面的特性，将模型当作一个整体，在进行塑造时，笔刷可以对局部区域进行调整，并且随着笔刷的移动，受到影响的区域也随时发生变化[ 2 ]。雕刻步骤通常是：雏形制作—局部调整—增加面数—精雕细节，在这个过程中始终能以“整体—局部—整体”的视角进行观察。其制作多边形模型的精度可以高达数亿个多边形面，直接使用数字压感笔进行操作，加上丰富的数字笔刷库，使得建模过程更加直观。

将在Maya中制作的多边形低模导入ZBrush中，在Geometry（几何体）面板中对模型进行Divide（细分），随着细分级别的提高，模型表面的光滑程度也得到了提高，但局部结构也会受影响而发生改变，可以依据设计图做适当调整。

ZBrush笔刷是模型制作中表现细节的重要工具，本案例模型制作以几种常见笔刷为例进行分析。其中，Standard用于刻画模型表面的凸起和凹陷，如角色的关节、皮肤与衣服的褶皱；Clay接近雕刻中的黏土，可以增加或减少表面结构；Move通过拖拽方式来改变局部或整体形态，以快速实现模型外形结构的调整；Smooth对模型表面粗糙之处进行平滑处理；在模型表面纹样制作中，还可以利用Alpha笔刷，将事先准备好的纹样黑白元素图导入Alpha笔刷库中，再通过压感笔的拖拽与强度设置得到符合设计要求的纹样效果。

3.合并模型

为了便于对各部分细节的雕刻，头部、躯干和四肢的模型是分开制作的，在制作过程中通过Alt键和鼠标左键的结合来选择所要制作的部分。对各部分模型的设计完成后，再按设计图对模型整体进行调整，之后就可以使用Zplugin（Z插件）面板中SubTool Master（多重工具大师）调板的Merge（合并）进行整合，为了避免合并中出现结合问题，还需要提前打开Geometry面板中的Dynamesh（动态网格）按钮，它的作用在于可以自动进行拓扑，重新计算模型合并后的布线，这样一个完整的数字角色模型文件就制作完成了。

输出数字模型文件

由于本次角色模型的细节较多，完成后的模型多边形面数达到上亿个，通过Export工具导出的obj格式模型文件有着庞大的数据量，直接导入3D打印机将无法正常输出。此时降低模型数据大小的方式就是减少多边形面数，常用的减少面数方式有ZRemesher（自动拓扑）与Decimation Master（抽取大师）。

ZRemesher：打开Geometry面板找到ZRemesher调板中的Target Polygons Count输入需要的面数，这个步骤可执行多次，直到达到合适的面数。我们来看操作过后的结果，以模型表面的纹饰为例，对比减面之前的高模，高模中的纹理清晰可见，但在执行操作后的纹样已经变得模糊不清。

Decimation Master；在Zplugin面板中的Decimation Master调板，既可以通过百分比减少面数，也可以通过指定面数降低精度。借鉴行业制作经验，在指定多边形面数时一般可以选择3.5万个面或7.5万个面，由于设计的产品是卡通角色类模型，高度的实际尺寸一般在100mm左右，这般大小的模型其细微的细节是无法打印出来的，需要通过后期着色来弥补，所以可直接点击3.5万个面的按钮进行操作，生成低模。执行操作后模型表面网格已经变得比较稀疏，通过SubTool面板上计数工具的统计的确是3.5万个面。在模型质量上，虽然面数明显降低，但纹样的细节依然得到保留。此工具的优势在于它可以直接指定模型多边形的面数，避免生成的模型精度具有不确定性。

另外，对比两种减少面数的方式还可以通过打开网格显示工具得以实现，使用ZRemesher方式得到的模型表面是四边面，使用Decimation Master方式得到的模型表面是三边面。按照目前大多数3D打印机所接受的格式标准，三边面形式的模型文件适合大多数打印机的标准要求。

综上所述，模型输出设置主要有三点需要注意：第一，使用Decimation Master减少面数；第二，多边形的面数控制在1万到10万之间；第三，多边形需要三角化处理。其中第二、三两点也是3D打印行业中的标准。

3D打印设置与模型输出

本次使用的3D打印机型号为小方S130，是一台桌面级SLA（树脂激光固化成型）高精度打印机，最大单次成型范围为130mm×130mm×180mm﹐打印精度为0.05mm/层。由于光敏树脂在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，其材料也就从液态转变成固态，故该打印机的原理就是利用材料的逐层光固化并叠加的方式完成立体模型。受打印机成型范围、方式与材料成本的限制，我们还需要对模型进行尺寸、抽壳和支撑的设置。

尺寸设置：在这里主要结合产品设计对宽度、高度、深度三个维度的尺寸进行调整。本案例使用Meshmixer软件对模型的尺寸进行等比例缩放，故只要输入一个维度的参数，其他两个维度的尺寸就自动生成了。

模型抽壳：为了提升打印的效率，以及对光敏树脂材料成本的控制，模型需要制作成空心的，也就是进行抽壳操作，同样使用Meshmixer软件进行这一步骤。经过调查，高度在100mm左右的角色模型产品以壁厚3mm为宜，为了使残余树脂不会封闭在打印好的模型体内，需要对模型进行打孔以方便树脂流出，一般需要在模型相对隐蔽且水平位置不同的部位添加至少两个孔洞。

添加支撑：因为模型不可能在打印平台上被腾空制作出来，所以必须要添加支撑以便于打印材料的逐层固化成型，与打印机配套的Dazzle3D打印软件能够提供自动生成支撑，且基本满足打印需求。但我们在添加支撑时还需要注意这样几个方面：第一，尽量不要把支撑添加在角色模型的正面，后期支撑的修剪可能会破坏模型的表面，影响模型的美观；第二，支撑的添加需要避开细节，这样能够减少修剪支撑的复杂程度；第三，支撑的密度需要控制，既方便了后期修剪，又节省了打印材料。

以上这些设置全部完成后就可以开始打印了，打印时间会受到模型的复杂程度、树脂型号和打印精度等因素的影响。待打印完成之后取下模型，利用修剪工具去除模型的支撑，再经过酒精清洗及晾干，这样一个经过数字软件设计和3D打印制作的白模就完成了。结合设计图进行对比，打印输出模型与其基本保持一致，角色五官、肢体、服饰完整，细节清晰可见，达到了设计的预期要求。

3D打印技术优势

传统角色类文创产品通常是个人或团队经过设计、塑型、翻模、浇注、修模、上色等工艺制作出来的，这些对制作者的综合素质要求非常高，他们需要同时具备多种专业知识和工艺能力。特别是传统的制作过程中还有大量繁琐的步骤，如支架的制作、细节纹理的刻画﹑翻模模具的制作等，消耗了大量的人力和物力。相比之下，利用数字雕刻技术和3D打印技术结合的制作工艺有以下三点优势：

高效率

使用传统雕刻方法制作复杂的角色模型一般需要数十天的时间，但利用数字雕刻技术，制作效率会成倍提高，雕刻完整的角色模型只要几天，甚至只需几个小时就可完成。例如，在数字模型制作中利用软件的编辑工具，一步操作就能完成复制、对称等工作，重复的工作量大幅度减少，而类似翻模和浇注的环节则被3D打印机替代完成。

高质量

传统制作中最主要的原稿只有一份，即使用翻模制作去复制，受制作工艺的限制可能会偏离最初的设计；而数字雕刻的模型文件没有原稿和复制品之间的差别，可以精准呈现作品最初的设计，生产的品质得到了保证。一件复杂的数字雕刻作品的多边形面数通常能达到数亿个级别，可以雕刻出传统雕刻方式难以呈现的复杂结构。随着新材料不断被开发，主流的3D打印机的精度已到达0.1～0.2mm，配合3D扫描、数字雕刻等技术，可以呈现出传统雕刻中的各种工具、技法的效果。

低成本

在过去，批量化生产模式与个性化需求定制模式是无法相互融合的，而受成本的影响，设计师、生产者也很少去思考市场真正需要什么样的产品。数字雕刻技术的产品在设计环节是数字的形式，因此，它的调整和改变几乎不受成本的限制，这能够为消费者带来“所见即所得”的体验，而消费者也将有机会参与到产品生产前期的设计环节。虽然3D打印的设备和耗材的价格昂贵，但将其应用在模型样品开发测试和个性化定制的小批量生产中的成本优势明显，不失为一个恰当选择。

本案例通过数字建模、3D打印技术制作卡通角色类模型产品，探索3D打印技术在文化创意产品领域中的应用。随着虚拟现实（VR）技术的兴起，利用互联网技术，数字产品能突破时空限制，让更多人体验文化与科技结合的魅力。数字化技术与传统制作技术相辅相成，相互促进，数字技术虽是新生事物，但本质上只是制作工具、方法和材料等方面的進步。随着数字技术在行业中的普及与发展，从事这个行业的设计师不需要花费太多的精力学习一个或多个复杂的制作软件，而是有更多的时间投入到产品的概念设计中，从而真正提高产品的艺术性和功能性。如此，行业才能培养出设计理念更全面的文化创意产品和设计人才。

参考文献

[1]缪克佳.3D打印技术在古生物复原领域应用的初探[J].科学教育与博物馆，2015，1（05）：365-368.

[2]于伟，纪芳.基于ZBrush的数字雕塑综合实验研究[J].实验技术与管理，2015，32（05）：180-183.