基于三维数字化技术动物仿生产品模具的应用＊

谭永明，袁世鹏，周敬勇，楼上游

（1.机械科学研究总院机科发展科技股份有限公司，北京 100044；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东青岛 266237；3.合肥职业技术学院，安徽合肥 238000）

1 引言

传统动物标本一直以来都是博物馆、动物收藏家和学校科普教学的热衷产品[1]，随着国家经济、科技和教育行业的发展，动物标本市场也日趋壮大，但动物标本的制造需要借助动物尸体，并添加防腐药剂对尸体进行防腐处理[2]。这样，一方面，增加了不法分子盗猎的行为。另一方面，防腐剂中的毒性成分也会对样本制造者和收藏者造成身体伤害。近年来，国家加大了对野生动物的保护和动物标本的管控力度，全国人大常委会于2020年2月24日通过《关于全面禁止非法野生动物交易、革除滥食野生动物陋习、切实保障人民群众生命健康安全的决定》，对国家保护的野生动物标本追踪溯源，切断了非法获取动物尸体的途径。另外，也加大了动物标本的环保指标要求，这也促生了新型环保防腐药剂的研发[3]，但一种稳定又具有市场竞争力新型药剂的研制不能一蹴而就，需要经历一个漫长的过程。动物标本的供需矛盾，促进了新技术对动物仿生产品的应用和发展。

3D扫描数字技术、数字模块化建库和3D打印技术的快速发展，让动物标本制造者有了更多的尝试，尤其是动物组织器官打印技术的研究[4～6]，逐渐走向成熟。3D样本具有维护方便、环保、可复制强和成本低等优点，成为标本制造的发展方向[7～8]，但现阶段的3D打印设备对打印材料有一定局限性，导致直接通过3D打印的标本与需求还存在很大的差距。

三维数字化技术动物仿生产品基于3D扫描技术、数字化建模及数字化数据库技术、3D打印快速制模技术和仿生新材料技术为一体的新型产品设计制造技术。该方法克服了当前3D打印技术受打印材料限制的弊端，借助快速成型法制造模具，并通过模具成型实现产品的批量化，提高了产品质量的同时，降低了产品成本，为动物仿生产品的研制推广提供了很好的途径。

2 三维数字化技术动物仿生产品实现流程

动物仿生产品质量提升的关键在于产品仿真性，实现全流程全部采用数字化技术是提高仿真性的最佳途径。首先，使用手持跟踪式三维激光扫描仪对选定的野生动物样品进行全方位数据扫描，获取的原始数字模型通过专用软件对扫描型面遗漏细节修复，修复后的数字模型按照需求制作标准化模块并入库储存，对需求标准化模块进行数字化模具建模，然后，使用3D打印机完成模具制造，最后，采用仿生产品所需的特制材料完成模具成型，制造出最终的仿生产品。其实现流程如图1所示。

图1 三维数字化技术动物仿生产品的实现流程

3 三维数字化技术动物仿生产品的实现

3.1 动物信息3D扫描技术

目前，动物仿生产品主要分为动物器官和动物仿真产品，如图2和图3所示。因为形状复杂，通过测绘手段无法保证获取数据的准确性，借助3D激光扫描获取外形数据，自动建模，并可以使用跟踪技术对局部重要部位重复扫描修正，其方法便捷，数据也更为准确。扫描数据以理论坐标数字形式进行记录，修复时可以自动校正数据，并实现数据叠加，保证了获取数据的准确性。

图2 海豚骨骼的3D扫描

图3 海豚的3D扫描

3.2 原始数字模型及修复技术

3D激光扫描仪通过激光对扫描对象外形扫描，并以数字点阵的形式进行数据获取及储存，大面扫描效率高且数据准确，但对动物身上一些精细处无法扫描的盲区会出现空白数据，从而导致扫描型面出现缺失，结构面不完整，需要通过专用软件进行片体补面，并对扫描采集的干扰点进行去除，以保证扫描模型的完整性。修复前后的模型如图4所示。

图4 原始数字模型及修复后数字模型

修复后的数字模型本身可以作为一个单独的产品，其不仅仅可以用作数字产品对外展示，如三维动画影视素材，数字展馆中的产品等。因为数字模型的全实物仿真性，数字模型还可以为动物医疗和生物教学研究提供准确的数据库。

3.3 数字模型模块化及建库技术

科普研究对数字化动物产品要求极高，动物整体的外形尺寸只是其需求的必要参数之一，动物不同器官建立的数字化模型库是对数字化动物产品更深层次的要求。数模库可以为不同分类动物、不同年龄段和不同器官的数模进行分类存储和数据调取，更为简单有效的获得所需动物详细信息，其数据库的建立也是一个繁重而有意义的工作。动物数字模型模块化及数模库如图5和图6所示。

图5 动物数字模型模块化

图6 海洋生物数模库

3.4 3D打印模具模型设计及制造

近5年来，我国3D打印行业迅速崛起，年增长率始终保持25%以上的增速。2016年规模以上增材制造企业总产值为20.3亿元，同比增长87.5%；2017年上半年总产值为11.6亿元，同比增长超五成[9～11]。目前，中国增材制造产业规模实现快速增长，但与发达国家相比，我国增材制造产业尚存在的问题和短板有[12]：关键技术滞后、创新能力不足、专用材料性能亟需提高、高端装备及零部件质量可靠性有待提升、应用广度深度有待提高等。3D打印虽然在航天和国防、医疗设备、工艺品业、陶瓷业、建筑产业、考古行业、食品产业、汽车制造业、配件以及饰品等多行业都得到快速推广，但并不是所有材料都适合3D打印，从而限制了产品的制造空间，3D打印技术在文旅方面也发展较慢，尤其是生物3D打印技术方面，至今没有突破性进展。

三维数字化技术动物仿生产品选用有“人工肌肉”之称的水凝胶作为产品的制造材料，水凝胶有流动性强、弹性大和抗疲劳强度高等特点，最主要一点是它更符合动物肌肉的组成，最适合仿生动物的制造材料。目前，受到技术手段的限制，不能通过3D打印直接完成仿生产品的制造，但可以借助模具注射成型的方法来形成产品。

传统模具主要应用于金属、塑料和橡胶等产品的批量化生产[13～14]，通常使用模具钢作为模具制造材料，该材料具有耐高温和寿命长等特点，通过机械切削完成模具部件的加工制造，模具既可以承受高温，又具有高的强度及耐磨性。水凝胶成型是一种物理化学的凝合，成型过程不存在热量变化，而且，仿生动物外形不规则性强，型面窄小且起伏度大，导致依靠机械加工的传统模具，无法适用于仿生动物产品的模具要求。

3D打印技术在水凝胶制品模具制造方面具有一定优势。其优势主要体现：①可以避免传统机加工模具的切削清根问题，加工后外形真实性更高，在复杂外形的仿生产品制造方面更具优势；②可以实现壳体（3～5mm厚度）打印，最大限度的降低模具的用料和加工成本，并且可以减轻模具重量，提高材料利用率；③通过3D打印快速成型的方法可以大幅度缩短模具的加工周期，提高加工效率。三维数字化技术动物仿生产品3D打印模型及成型模具如图7和图8所示。

图7 海豚尾巴3D打印模型

图8 加工完成后的模具

3.5 动物仿生产品的制造

动物仿生产品成型类似于橡胶件的注射成型技术，不同处在于材料不需要加热冷却，产品成型后的变形系数也更低。将试剂混合的超高强度水凝胶注入加工好的模具中，保持24h胶体固化，开模取出毛坯制件，对制件去除飞边和后期上色等精细化处理。成型后的产品毛坯件如图9所示。

图9 海豚尾巴成型毛坯件

3.6 动物仿生产品的保存

用水凝胶制造完成的动物仿生产品暴露在空气中，长期接受阳光照射会出现表皮硬化和开裂。其保存方式也比较简单，在产品保存时，放置在装满清水的容器中，可以确保材料性能长期保持稳定。如图10所示。

图10 水凝胶产品的保存及维护

4 模具制造方式对比分析

通过传统橡胶件注塑成型模具和3D打印模具的对比分析，获取动物仿生产品模具选型的优势。动物仿生产品具有类型多、形状复杂、产品需求数量少和成型要求高等特点，所以，在选择模具制造方式方面，更倾向于制造快捷、成本低、模具使用寿命要求不高和形状制造贴合度高等要求。海豚尾巴两种加工方式模具的对比数据如表1所示。

表1 海豚尾巴两种加工方式模具的对比数据

通过数据对比可以看出3D打印海豚尾巴模具除了在使用寿命上占据劣势外，其余方面都保持了绝对竞争优势，尤其是加工周期方面。通过3D打印方式，模具设计简单，组成部件少，加工更高效。由于文旅产品具有产品种类多样，且产品市场面小等特点，2万套的使用寿命完全可以满足绝大多数文旅产品的需求，所以，动物仿生产品采用3D打印模具方式最为合适。

5 总结

随着科技发展和进步，中国在新材料、新技术和新工艺方面都得到跨越式发展，这也给中国模具产业带来了更多的机会和挑战。传统的优势行业需要根据前沿产品的需求，不断革新以适应新产品的推进步伐。新型动物仿生产品作为国内新兴文旅市场的发展方向，具有环保、高仿真和快捷制造维护等优点，受到市场的青睐。其制造材料和加工方式相对传统文旅制品更加苛刻，经过探索和市场验证，三维数字化技术的动物仿生产品和3D打印模具的应用，很好的解决了新型动物仿生产品设计制造的“瓶颈”，为提升其在产品市场中竞争力提供了合理解决方案。