复杂场景3D快速建模与打印技术

庞蕴奇 顾霞青 王怡仙 郭晓俐

摘  要：3D建模打印技術在场景设计中应用十分广泛，文章主要针对复杂场景建模打印中存在的效率低的问题，通过多建模软件协同、多建模技术相结合、优化模型和参数配置等措施，研究出一套复杂场景3D快速建模打印的解决方案，提升同等精度要求下的复杂场景建模打印效率。方案应用于盐城师范学院校园图书馆建筑群的3D建模与打印，相比于传统单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，达到预期效果。

关键词：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

近年来，随着人们对于“数字城市”的研究日益增长，3D建模与打印技术应用越来越广泛。传统建模中的矩形成面模型比较简单，但复杂场景下的曲面建模会有一定的难度，其建模与打印效率相对较低。本文针对复杂场景建筑物，探索综合应用3DS MAX、SketchUp等多种建模软件，将多边形建模、四边形剖分法等多种技术相结合，优化打印的技术方案实现模型的快速建模与打印。

1  建模与打印相关软件

1.1  3DS MAX软件简介

3DS MAX是AUTODESK旗下用于PC端三维动画渲染与制作的软件，其广泛应用于工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏制作以及工程可视化等领域。该软件具有可堆叠的建模步骤，使其在制作模型上有非常大的弹性。此外3DS MAX可以渲染出真实性非常高的场景，深受建模设计师的喜爱。

1.2  SketchUp软件简介

SketchUp是一个极受欢迎并且易于使用的3D设计软件，因其有一个全球性的三维模型库，人们可以共享库中的三维模型。SketchUp软件的核心是编辑工具，能进行移动、推拉、旋转、缩放等操作。SketchUp可以快速生成任何位置的剖面，使设计者清楚地了解建筑的内部结构，并可以随意生成二维剖面图并快速导入AUTOCAD进行处理。

1.3  Pango切片软件简介

Pango是PANOWIN公司针对PANOWIN F2等机型开发的切片软件。3D打印模型在设计好之后，需要经过切片计算形成一个打印文件，这个打印文件会精确地“告诉”3D打印机如何控制打印进程。Pango切片软件中菜单栏主要有五个选项，分别是“模型”“编辑”“视图”“参数”与“帮助”，因此操作十分简单。根据需要设计参数之后，点击Pango主界面右下方的“查看分层”按钮;切片完成后，单击Pango主界面右边的保存PCODE文件按钮保存输出打印文件，将其拷贝至SD卡中即可开始3D打印[1]。

2  复杂场景建模解决方案

当建造复杂建筑物的模型时，传统的矩形成面已满足不了需求，在建模之前，先在CAD中获得复杂建筑的图形尺寸，之后采用四边形剖分法将复杂的图纸简单化，从而更便利地进行三维模型的建造。

本文选取盐城师范学院具有典型复杂曲面的图书馆建筑群进行分析，图书馆由主楼、立柱、弧形外廓等部分构成，对于一些曲面部分较少的立柱等采用SketchUp软件进行建模，而对于曲面较为复杂的主楼则采用3DS MAX软件进行建模。

2.1  使用CAD软件修改图纸

在管理软件计算机辅助设计CAD中，将建筑图纸中多余的线条进行修改，留出清晰的外观轮廓，得到修改之后的图书馆前、后、左、右视图。将修改之后的CAD图纸导入SketchUp/3DS MAX软件中，并进行1：100等比例缩小。

2.2  使用SketchUp软件快速创建三维建筑环境模型

（1）SketchUp中面的推/拉：先用矩形工具绘制一个与图纸比例相同的矩形。使用推/拉工具，将绘制的矩形拉成与图纸长、宽、高相同比例的长方体。通常规则的矩形面可以直接绘制，而曲线成面需采用四边形剖分法，先用铅笔工具描出轮廓，将曲面分解成许多不规则的四边形，从而形成不同的面;使用卷尺工具量出所需向内凹陷的宽度，使用推/拉工具依次向内推，形成一个层次效果。

（2）SketchUp中的鏤空：为节省3D打印所使用的材料，本次研究采用镂空技术。在实体的基础上，使用偏移工具与推/拉工具进行镂空。在使用面的推/拉的过程中，要注意所推/拉的标准要与所要镂空的上边距保持等距离，否则将形成一个新的面。

（3）SketchUp中等距离建模：在建模过程中，当出现多个等间距的相同物体模型时，要在功能列表中选择卷尺工具测量出两物体之前实际距离。使用直线工具绘制一条直的线段，利用选择工具选择该线段，将移动工具放在线段任意一端的起始点上，按住Ctrl+M快捷键，并用鼠标点击该端点处，向上移动到合适距离（两物体之前实际距离）;在默认面板下的数值中输入*n，按住回车键即可完成n个相同等间距线条的绘制，从而减少了繁杂冗余的重复步骤，如图1所示。

（4）SketchUp模型纹理贴纸：因建好的模型使用的是系统默认的材质贴图，为了使模型更加生动逼真，需要对模型进行纹理贴纸。SketchUp贴纸按照使用需求，可以分为三类：普通贴纸、包裹贴纸和投影贴纸[2]。因圆柱是典型的曲面图，而投影贴纸是在贴图来源平面上截取被附材质的投影形状的贴图，将贴纸包在三角锥上可形成无缝的贴图效果，因此这里选用的是投影贴纸，效果如图2、图3所示。

2.3  使用3DS MAX软件创建高精度三维建筑环境模型

（1）使用基本几何体搭建出附楼的初步模型，并进一步采用多边形建模等方法制作附楼模型。在建模过程中，手动调整模型很难达到完全对齐的状态，所以需要打开捕捉开关。然后在3DS MAX的建模页面选择样条线中的矩形工具，在前视图中创建矩形，并根据导入的CAD图纸，在参数中输入矩形的长宽等基本信息。最后对其进行挤出等操作，完成对应的简单模型。

（2）模型细节创建。在简单模型的基础上，使用高级建模命令修整模型的细节。如在创建窗户模型的过程中，为了使建立的窗户模型更加精确，首先在CAD图纸中确定窗户的长、宽、高;然后选择标准基本体中的复合对象，通过使用超级布尔命令的拾取操作，对简单模型进行交集或差集运算，从而将模型完善成理想效果，如图4所示。

3  模型切片及打印

3.1  模型切片优化

3.1.1  模型最小宽度

常见的打印机喷嘴直径为0.2 mm，故模型的水平方向最小宽度不应小于0.2 mm，且宽度通常情况下应为喷头直径的整数倍以保证打印效果;同时垂直方向上厚度也不应过小，并也要注意打印层高和厚度关系。

3.1.2  模型余量

模型在设计时，应充分考虑打印精度以及材料热膨胀等因素，在孔洞方面设计的孔直径应略大于实际需要的孔的直径，沟槽等结构同理;反之凸起部分的设计尺寸应略小于实际需要的尺寸。

3.1.3  模型大小

建模时要注意模型尺寸，过大或者过小的模型都会使打印机出现问题，若模型过大可能无法打印，而过小则会影响模型质量。其中，对于过大的模型可根据具体情况进行分割，分多次进行打印。

3.1.4  细节处理

若需要在模型表面表现出纹理等装饰，一般应将纹理的厚度设置到0.1 mm以上，以保证纹理可见;纹理尽量不要出现锋利的角，反之应使用倒角等方式平滑直角或者锐角部分。

3.2  打印参数优化

3.2.1  打印精度

对于不同类型的模型可以选用不同的打印精度以兼顾质量与效率，如平面结构较多且各部分结构尺寸较大的模型可选用较低的打印精度;而在打印较为精密或者尺寸较小的模型时则要选择较高的打印质量，每提高一倍打印质量打印时间也随之提高一倍。

3.2.2  支撑

由于3D打印的特殊性，需要在模型架空的位置设置支撑以保证架空位置的打印效果，一般情况下切片软件会根据模型自动生成支撑，如果软件没有生成支撑的功能，则需在建模时自行加入支撑结构。

3.2.3  填充

对于不需要考虑结构强度的模型，可以降低填充密度以节省打印材料和缩短打印时间。而对于结构强度有一定要求时则需要将填充密度提高，以100%填充为宜。

3.2.4  温度

不同的打印材料需要的融化温度不同，PLA打印温度在210 ℃为宜;同时为保证平台的附着力，平台温度应设置为50～60 ℃。

3.2.5  调平

由于打印机工作时在3轴上运动，其中垂直方向会受热床角度影响，若不进行调平，可能会影响打印质量，严重时会损坏喷头和热床。调平时将喷嘴分别移至四个角，使用一张A4纸插入平台，使喷嘴接近平台，直到需要用力拉出A4纸为止。

4  结  论

本文通过研究盐城师范学院部分校园复杂场景的建模、打印方法与材料优化等方面，总结出多软件、多技术优化组合的建模与打印方法，解决复杂场景建模速度慢、效果差、打印耗材多的问题。通过实验证明，该方法具有建模快、打印效果逼真、模型完整、耗材节约等特点，是一套优化组合方案。笔者相信，随着技术的不断提升，建筑物的三维模型将更大型、更复杂，3D打印技术在未来一定会有更加广阔的空间。

参考文献：

[1] 王铭，刘恩涛，刘海川.三维设计与3D打印基础教程 [M].北京：人民邮电出版社，2016.

[2] 余起怡.复杂建筑物的3D建模研究 [J].科技创新与生产力，2018（4）：31-33.

作者简介：庞蕴奇（1999.03—），女，汉族，江苏徐州人，本科在读，研究方向：数字媒体技术应用;通讯作者：郭晓俐（1974.02—），女，汉族，江苏盐城人，副教授，硕士研究生，研究方向：数字媒体技术、教育技术应用。