基于3DS MAX的3D打印模型应用分析

张榕

摘要：本文简单介绍3DS MAX，并概述应用该软件的建模程序，探讨具体的建模应用处理，如倒角模型、曲面模型、网状模型以及平面模型等。进一步讨论组合使用3DS MAX和FreeForm的打印建模案例。以供参考。

关键词：3DS MAX;3D打印;FreeForm

中图分类号：TB476                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0202-03

0  引言

3DS MAX建模通常涉及数据采集与实景构建两个环节。其中，数据采集是借助激光扫描，此项科技的成长时间不长，但因为其本身的应用特征，受到若干行业人士的青睐。在实景构建中，利用各部分的拓扑关系，把相互独立的单元整合成一个模型。主要的应用技术包括渲染以及纹理贴图。

1  3DS MAX

3DS MAX具备极强的立体建模与动画功能，可使用在诸多建模任务中。其在实践应用中可提供动画与效果图制作功能，生成打印资料。在立体建模中，3DS MAX有极为显著的特征。具体来说，输入CAD程序生成的DWG文件，也可输入从PhotoShop中而来的AI资料，给设备部件以及构筑物等进行建模。3DS MAX内带有大量的几何数据与AEC对象等，为高效建立模型提供基础依据。此外，3DS MAX还具备较优的编辑功能，在艺术类的模型构建任务上也能发挥作用。由于其带有支持多项操作的修改装置，能满足多元化的建模需要。在模型表面的制作上，可进行网状以及NURBS曲面制作，并能输出STL文件，给打印设备提供立体模型命令数据[1]。

2  3DS MAX建模处理程序

逆向项目是在无设计图纸的条件下，借助测量处理，生成设计参数，转换成立体模型数据，进行3D打印，制作出与设想一致的模型。而模型重构为此类项目中最为复杂及关键的步骤，把由CAD生成的平面图纸数据转变成能进行3D打印的STL文件。如今，CAD/CAM的软件程序较多，但普遍存在应用局限，如适用范围、快捷性等方面，导致标准化与非标准的模型构建难度较高。上述问题能借助3DS MAX克服。

2.1 建模准备条件

其一，3DS MAX与CAD需设置成相同的单位，操作员点击自定义设置窗口，选定模型参数单位。在确定公制毫米级别，3DS MAX能细化至一微米。利用点击软件工具栏，或者直接调整坐标位置，达到空间上的定位需要。

其二，处理模型图纸，在完成CAD图纸输入处理，3DS MAX上正交视图的样条线具有可参考性，满足机械制图的基本标准以及建筑模型打印需要。但应当消除无价值的标注，简化图纸。输入的CAD图纸为平面数据，能调整视图角度，借旋转工具，将整个图纸调转角度，输出前视图、俯视图等。

其三，打印工具。3D打印一般选择挤出工具，可满足立体建模需要。在制作标准化的模型中，通常会应用此类工具。材料挤出处理中，在模型的外层及第二层之间会构成挤出面，三四层之间也会产生挤出面。而非标准化的建模中，需要借助倒角与剖面图等方法达到目的。

其四，确定模型坐标。坐标系关系到模型的缩放等，系统默认为视图坐标搭配屏幕坐标，此外还包括拾取与局部等。坐标系的方向设置，可供模型移动及缩放等，在各视图上能设定单一方向或者多个方向。模型规格直接在键盘上敲出即可，达到精准定位的效果。

2.2 模型编辑

首先，样条线。把平面参数调整成立体模型数据时，会应用到样条线，具体有线段、线段顶点及样条。在各子对象中，选用对应的卷展栏，以求呈现出丰富的效果。比如在开展平面层次上的布尔运算之前，应当“附加”。修建样条线期间，能根据顶点级别多点连接。若想让打印出的模型线条更加流畅平滑，应选中自适应。渲染卷展栏内选中渲染及视口，以打印出几何模型。其次，多边形。在编辑此类模型中，会涉及到顶点及边界等。编辑的对象既包含常规的三角形及四边形，也能设置成若干节点的模型面。构建多边形模型，可以适应较为繁杂的打印结构，在处理复杂表面中，能在细节局部调节线条，对于线条穿插较多的模型上有突出表现。在此类模型中，顶点会设置法线，通过均匀或分散的法线，使多边形模型更为平滑。结构设计比较复杂的建模任务中，可应用多边形编辑。最后，编辑，基于点线面处理实现结构编辑。操作方法较为灵活，能随意制作出非标准化的结构，并且连接处不会生成直角结构。编辑处理中，应先构建结构轮廓，从面片物体调整，或直接设置NURBS，形成曲面结构。而后弹出变动指令窗口，对模型参数、进行细化处理。该种编辑模式相对符合工业项目中的建模需要[2]。

2.3 模型修改

一是菜单修改器，具体有网格、参数化变形单元等。菜单修改器能使用在单个对象，也能同时面对数若干对象，基于模型的具体参数，确定修改操作。单个对象能连接数个修改器，比较常见的有車削、弯曲等，此类修改是针对外部轮廓与结构加以调整，生成与设计一致的模型。

二是面板修改器，点击对应的修改工具图表，即世界空间与对象空间两种。前者无需设置在特定空间扭曲，可改动单一模型对象及选择集合，后者则作用在局部上。命令面板提供的操作选项，能辅助操作员完成设定修改，可实现高效改动参数。堆栈区内，编辑修改器会直接接收到上一步的改动参数，并且修改器安排的顺序也会干扰最终模型编辑结果。基于修改工具差异，设置数个卷展栏，并且其参数关系到修改器的运用效果，一般选择提前设计与实地调试，完成参数的最终确定。

三是复合修改器，通常选择放样及布尔修改器。前者是通过截取在选定打印路径上产生的轨迹图像，实际路径无特殊的要求，开放及封闭均可。相关参数能使用距离与百分率等形式表示，完成数个截面的放样处理。图形及路径步幅对于竖向及横向的模型平滑程度均有优化作用。模型的变形处理形式包括扭转与倒角等。而布尔运算属于数学逻辑，可利用较为简单的参数，输出相对复杂的内容，在单个和数个对象进行运算中，把若干对象结合起来，能一次性结束运算。

3  3DS MAX的3D打印建模应用探讨

3D打印建模中，非标准结构制作难度较高，而3DS MAX却可以克服因此带来的问题。如今3D技术不断成熟，在打印结构与材料应用上的局限性逐渐弱化。例如，在利用3D打印技术制作内燃机的连接杆，可以使用碳纤维的复合型材料加工。相较于传统的材质，连接杆的自重轻于钢材料10倍左右，并比铝材料轻6.5倍左右，能承担起3000HP以及15000RPM荷载。只要确保打印中传送的文件格式是STL，便能制作出来。

3.1 倒角模型

使用相应的修改器，挤出立体模型，在边缘区域采取倒角处理。该修改装置能用在建立文本及徽标方面，对图形本身无具体的要求。基于正交视图，生成平面图形，运用对应修改工具。实际参数包括模型外形，规格尺寸。在坐标系内，高度参数与外形的表示数据，正负均有，需要消除线相交的问题。

3.2 曲面模型

对应的修改工具能针对选定的对象，进行360°的弯曲处理，模型几何体内都形成弯曲，能借助三个轴确定修改角度与方向，也可直接采取限额弯曲的方式。该修改工具作用于前视图上，加工向下开口的弧形角度是180°，方向是90°，以X轴为标准轴。而在开口向上的部分，弧形角度同样是是180°，方向则记为-90°，参考轴不变[3]。

3.3 复制加工

应用软件的陈列用具，加工以三维方向的移动复制，设置各维度实际复制量，其中一维对应X轴，二维对应Y轴，三维则落在Z轴上。假设加工圆心复制，需进行360°的旋转设置，明确一维总量。全部复制均选择实例类型，提高模型修改的便利性。

3.4 拟合加工

拟合属于放样环节中的变形指令，需要借助正交视图，加工出3D模型，其中视图包括前、侧以及底三个视角的图像，而后设置一个放样线。根据该放样线，生成前截面的放样实体，通过修改命令窗口，选择拟合，并关上“均衡”。在X、Y的轴上，拾取侧与底的模型截面，并保持水平方向。假设方向上有偏差，应当通过旋转及镜像处理，微调方向，以加工出较为复杂的3D模型。

3.5 容器模型

对于容器类的模型加工，需借助倒角剖面工具，俯视图上生成平面图形，作为模型的底部;前视图加工出的平面图形则是模型的外形，二者有效融合，构建出模型底部与外容器。另外，为保证模型的底部封口效果，前视图中的图形应当向下开口。

3.6 网状模型

按照加工对象的分段数据，使用“晶格”生成网状架构。该修改工具把模型对象设置成圆柱体结构，模型顶点处形成多面体。借此能根据网络拓扑，构建出几何体框架，以达到网状线框的处理效果。可用在建筑领域网状架构和生物网状框架上的建模任务。

3.7 旋转模型

在具有对称性的旋转立体模型加工中，可采用车削的修改工具。在制作空心或实心，并设有确定厚度的任务中，应通过旋转平面图形，并组合轮廓加工双线，进行制作。该类模型的旋转角度在0～360°内。

3.8 平面模型

模型加工背景可选择视口背景及贴图。而借助材質编辑工具，确定白色的模型底图，以及非透明的黑色底图，制作出设有场景图形的模型。如果设计模型比较复杂，能借助该种处理手段进行结构简化，以达到动画模型。

3.9 沿路径复制

使用软件操作菜单中，对齐单元的间隔工具，能顺着路径完成模型复制，同时设置“跟随”功能。此外，间隔工具也能按照设定的网格进行复制，在3D模型开展网格编辑时，选择构建图形，输出样条线，而模型能直接载入到样条线上。

4  3DS MAX的3D打印建模实例应用分析

将3DS MAX与FreeForm组合运用，达到高效及准确建模的效果，适应立体打印处理的诉求。FreeForm属于具备可堆积特点的形态制作系统，为操作者提供如同手臂操作以及随意改变形态的数字化黏土，让操作者基于虚拟触感与设计灵感，快速制作出立体模型。使用FreeForm系统，在精度方面的标准较低，若仅依靠该系统进行建模，不能适应3D打印设备对模型参数的要求。为克服此类问题，需结合3DS MAX软件，导出3D模型，完成参数编辑及修改。同时，3DS MAX是专业的建模程序，能使用不同的格式，和FreeForm系统能搭配使用。下文以苹果模型为例，进行分析。

4.1 系统建模

使用FreeForm系统内的EditPlane以及Sketch工具，生成模型的平面封闭外形线，借助ConstructClay单元内的Inflate工具，将模型的平面外形轮廓实施双向的膨胀处理，输出类似的立体模型。鉴于本实践中所用的3D打印设备在曲面制作上的局限性，借助Select with Plane工具，划定出冗余部分，把膨胀输出的模型曲面，调整成平面轮廓。FreeForm在修改模型的细节部分，有显著的应用优势。为达到立体模型能直接放置的需求，把模型底部也设置成平面。另外，为提升模型表面的平滑程度，可借助SmoothArea，优化模型表面，使最终打印出的模型具有清晰的轮廓，保障打印过程的顺畅性[4]。

4.2 格式调整

在完成基础建模后，导出黏土模型。鉴于立体模型需通过3DS MAX处理，因为在FreeForm内，便需把参数格式调整成STL。假设模型是根据原规格下的STL格式输出，3DS MAX几乎无法完全导进模型，所以应提前实施缩减处理。操作者可使用该系统下的ReduceForExport工具，在不改变模型外形轮廓及结构的基础上，改变网格量以及比例等，实现缩减处理，也能直接输入具体参数要求，进行精准缩减。通过数次的实践操作后，确定缩减比例是10%，而后按照STL的格式输出。借此不能对模型的外形以及结构造成影响。

4.3 模型制作

向3DS MAX软件导进经过FreeForm处理的STL模型，以开展之后的制作处理环节。根据设计标准，模型内部应留有部分空间，方便装载。在3DS MAX内把两个规格尺寸不同模型，采取复合建模方式下的布尔处理，确定差值，生成空心结构的苹果模型。但由于在透光程度设计上的需要，应在打印出基本设计结构的前提下，让模型壁变薄，所以应当把握好厚度，让模型展现出较优的透光性。实际操作中，为保障打印效率，把模型进行平方处理，通过多次试验，底面设成两层，顶面是五层的情况下，打印出的模型可以兼顾完整性与透光性。而为满足此标准，把两个一致的模型信息，录入3DS MAX软件内，任选其一。根据坐标系X：98%、Y：98%、Z：96%的比例，完成缩放处理，并以Z轴为标准线加以微调。而后运用MakerBotDesktop切片程序，把模型进行切片，而后查看底面和顶面情况，由此掌握Z轴中相对点位。在确定好空心模型后，应设计装载口。运用3DS MAX软件，把规格是20*20*20mm的正方体，安排在比较适宜的位置，开展布尔运算，获取差值，完成装载口的设计处理。

4.4 细节处理

本模型外部设置浮雕图。把3DS MAX中的模型，以STL的格式输出。使用相应的操作工具，确定导入格式是Clay，选定黏土的粗糙程度，采用黏土的呈现形式，把设计好的浮雕样式投影到模型上，加工浮雕。把浮雕图样录入到系统内，按照模型尺寸与外形，调整图样长宽。基于此，确定浮雕加工高度。在本打印实践中，结合黏土和打印情况设施，把Distance调整成3mm，便能在模型表面制作出凸起高度是3mm的浮雕[5]。

4.5 模型打印

通过上述处理步骤，完成3D模型的参数设计，开始产品打印加工。在进行打印前，应把设计好的STL模型实施切片操作，调整成能加工的格式后，再开始打印。

第一步，切片处理。该操作行为是借助MakerBotDesktop程序达到目的，切片之前，匹配好该程序和打印装置。本实践案例，使用双喷头的打印设备，把MakerBotDesktop设置成Replicator，完成匹配处理。而后把设计好的模型录入在MakerBot内，先选择右喷头进行加工，模型使用的材料是PLA。基于PLA和打印设备的特点，把打印填充度设定成10%，制作的精度是0.2mm，加工喷头的温度参数是230℃，模型底板的温度设成110℃。在打印加工的基本参数设置好后，应借助ExportPrintFlie把模型调整为分层结构，形成制作文件。可调整成预览模式，提前查看制作出的效果，并掌握加工层数和使用的材料量、制作时长等数据。完成模型切片，生成打印资料，传送至打印装置上，开始模型打印。

第二步，打印加工模型。在启动打印装置前，操作人员需先连接电源，查看设备以及材料添加量，保证喷头能连续吐丝。而后人工调整设备底座，设置和喷头之间的相对关系，以免喷头损害设备底座，确保吐丝可以完整贴在作业面上，选中模型文件。完成上述操作，启动打印装置，按照文件中的参数操作打印设备，具体下达的指令内容有底座温度、移动速度等。

5  结束语

3DS MAX帶有模型数据库，能完成复杂结构打印任务，缩短加工时间。在简单的制作任务中，能使用几何体等，若结构达到复杂程度，能采取AEC以及粒子系统等。合理设计挤出材质与贴图，能加工出较优的模型。

参考文献：

[1]刘艳荣.基于3DS MAX 2016建模技术的研究[J].电脑编程技巧与维护，2021（03）：151-153.

[2]赵涛.3DS MAX中二维图形转三维模型的常用建模方法[J].电脑知识与技术，2020，16（36）：185-186，191.

[3]徐金财，李朝奎，陈建辉.一种基于3DS MAX与Smart 3D的三维模型构建方法[J].测绘通报，2020（11）：61-65.

[4]王二盟，吴晨，王钧，等.3D打印技术在产品模型制作中的应用研究[J].数码世界，2020（10）：185-186.

[5]倪汉富.基于ArcGIS与3DS MAX的三维地形可视化[J].北京测绘，2020，34（06）：784-787.