3D打印技术制作高质量模型的研究_杨润天.pdf

研 发 应 用INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究105作者简介：杨润天，男，北京人，研究助理；研究方向：信息技术与工程。3D 打印技术制作高质量模型的研究杨润天（多伦多大学电子与计算机工程系，加拿大多伦多 M5S1A1）摘要：3D 打印技术在被应用于艺术模型制作时，对表面光滑度和细节度有较高要求，为满足要求，常需要使用对人体有害的材料和后期处理工序。文章对 3D 打印与模型质量进行了研究，提出了一种无毒、廉价且对设备要求较低的 3D 打印方式，以满足常见的高质量尤其是艺术模型制作需求，并分别从打印前软件中的处理设置、打印后模型实体的表面处理两方面进行讨论，覆盖了热挤出式打印机细节保留及部件无毒后期处理两大核心实操细节。关键词：3D 打印；艺术模型；表面处理；热挤出 3D 打印；层纹处理；快速原型制作一、引言（一）3D 打印3D 打印技术是将材料直接沉积到指定位置，逐步累加形成目标结构的增材制造技术。由于其增材制造的特点，加工过程无需考虑诸如刀具尺寸、结构阻挡、碎屑排出或耗材形状等问题，大大降低了使用难度和工具的维护成本，同时也让3D 打印能够制造传统工艺难以制造的中空结构和复杂纹理1。目前 3D 打印最主流的实现方法为热挤出、光固化以及粉末烧结。粉末烧结所需设备复杂，常只用于金属 3D 打印，而热挤出和光固化是最常见的桌面 3D 打印机种类2。热挤出打印机其结构简单，制造成本低，开源软硬件丰富，因此成了最常见的 3D 打印机2。同时，热挤出打印机常用的耗材聚乳酸（PLA）是一种可由淀粉发酵生产，较易生物降解的环保塑料，聚乳酸在热熔挤出过程中也几乎不产生有害气体3。相对地，因为热挤出的特点，打印时易受到振动和重力干扰，较难打印出微小结构。打印件在竖直方向上的机械强度也较低于同材料水平方向上的强度。光固化打印机通过选择性地照射光固化树脂使其凝固，逐层积累形成立体结构2。由于其打印过程完全在液态树脂中进行且机械部件少，使其避免了许多热挤出打印机的缺点，如易受到振动和重力影响等，同时也拥有极高的打印精度。但相对地，光固化树脂中常包含挥发性溶剂，会危害使用者的健康4，树脂的价格也相对更高，打印机本身也因技术限制难以有很大的打印尺寸，光屏等部件需定期更换而有更高的维护成本。（二）3D 打印在艺术行业的应用随着计算机算力增强和数字建模技术成熟，越来越多的艺术家开始使用建模软件来辅助工作。数字建模与雕刻技术相比传统雕塑有许多优点。数字建模能够完全消除物理材质对塑形的障碍，方便进行版本回退，尺寸与整体造型调整更加灵活，能够通过程序化生成节省大量时间等。但由于艺术模型大多结构复杂且不需大量制造，很难通过诸如数字机床等传统制造方式将其转化为实物。而 3D 打印技术的出现解决了这一难题。3D 打印操作简单，能够制造传统加工难以制造的中空结构和复杂纹理1，且单次生产成本低使其成为制作雕塑原型甚至成品的最佳选择。（三）目前 3D 打印艺术模型的困难在目前常见 3D 打印模型流程中有大量存在健康风险的环节。常见热挤出 3D 打印机难以打印极其微小细节，使其在小型雕塑上受到限制。同时因为其表面留有层纹，在打印后常需大量打磨工作。最后，大部分水性颜料对打印后塑料部件附着力不足，而用于增强附着力的涂料常有挥发性溶剂且需喷涂，对工作室环境有较大污染。本文将针对上述困难，从热挤出打印机保留微小细节以及打印件无毒后期处理方法两方面，结合已完成的研究试验，进行分享与讨论。二、热挤出式打印机的细节保留相比光固化式打印机，热挤出式打印机因维护简单、耗材廉价无毒等优点成了大众使用者的首选。然而热挤出式打印机在细节保留上仍不如光固化式打印机，无法满足许多需研 发 应 用产业创新研究 2023.7 第14 期106求。因此本文针对增强热挤出式打印的成品细节，在模型预处理、切片方向和切片设置方面进行了实验和讨论。（一）模型预处理许多艺术模型包含切片软件难以处理的形状，若不预先修正可能会导致切片失败，或无法打印设计中的形状。目前常见艺术类建模软件都使用了多边形建模方式，能制作参数式建模难以表达的复杂不规则曲面，建模也更接近艺术家熟悉的传统工作过程。然而多边形建模并不能保证最终模型流型完整性，取决于建模的操作，模型可能出现反向法线，相交面或破洞等问题，导致无法在切片软件中正确切片。破洞/反向法线：建模时常会手动增加或删减面片。有时会因疏忽而在，模型上留下漏洞。同时取决于新建面片时的顶点顺序，可能出现与四周法线方向相反的面片。当出现这种情况时，一些切片软件将无法正确判断模型的内外侧导致切片失败。其一般可通过在建模软件中重计算法线或填补漏洞修复。过细尖端：在数字雕刻时很易产生细小甚至体积为零的尖端。这类尖端直径小于打印机喷口直径，因此在切片时会被直接忽略，导致细节丢失。这些问题常出现在人物头发或很薄的裙摆部位中。因此在切片时应仔细检查切片预览，出现问题的部位可在建模软件中用膨胀笔刷加粗加宽，一般直径为喷口直径两倍为好。非流形：建模时为了精简模型，有时会融合模型中的相近顶点。但这可能会导致一条边缘被超过两个面共用。这样的面片形状无法被正确分为内侧和外侧，因此导致无法切片。这类问题常出现于将游戏模型修改用于 3D 打印时，因游戏中无需考虑实体，为了节省计算资源常将不必要面片融合。这类问题较难自动修复，常需手动分割相连面片。（二）分件模型预处理完成后，下一步通常是将模型拆分成不同部件以方便打印。分件允许将不同部位以不同方向打印参数进行打印，能够有效提高成品质量，也可将细节较少部分用更厚的层高打印以节省时间。在发生打印失败时也不需重新打印整个模型，有更高容错率。分件时常考虑两个因素：拼装时缝隙是否可见，以及拼装契合度。拼装缝隙指不同零件在拼装后产生微小可见缝隙。这类缝隙在零件拼装时不可避免，因此看在拆分时将其隐藏于不明显处。而契合度是指零件拼装时能否顺利组装并固定至预期位置。在 3D 打印过程中，零件难免产生微小形变，因此可通过留出容错间隙和后期打磨来提高契合度。1.隐藏缝隙。艺术模型本身常带有一些“缝隙”状纹理，在分件时可将拆分的缝隙隐藏在这些纹理中，例如衣服和身体接缝处。这样在分件后无需特殊处理也不会影响视觉效果。在拆分时也可将切面做成类似插口状，这样在拼接后内部突起能将深层遮挡住，避免拼装后有过于明显的深沟。2.契合度。打印和过程中难免会产生微小尺寸差异，导致拼装时零件不契合。为了降低打磨和调整难度，应尽量减少零件拼合处的接触面积。在有大接触面积尤其是接触面并非平面时，打磨难度和所需时间会大大增加。通过将双方接口处的面积适当内凹来形成中空，仅让可见外表面接触可极大提高形变容错率，节省修正时间。零件连接方式可直接将榫卯打印在零件上，或留出空洞通过木签连接，也可预留安装磁铁的凹陷。如直接打印榫卯则需留出少量冗余空间，一种比较方便的做法是将凹孔做成方形，凸起做成圆形或圆角矩形，这样尺寸不适配时也能通过塑料本身的弹性达到容错目的。（三）切片方向分件后即可用切片软件切片打印。切片时常要调整零件朝向来减少竖直尖端，大面积悬空，或难以移除的支撑结构。同时，热挤出打印机在水平方向和竖直方向上的分辨率有显著差异，因此可通过适当摆放来保留高精度纹理。竖直尖端半径小，在打印过程中易摇晃导致打印错位，同时尖端单层打印面积小，喷头在刚刚悬空移动后难以在单层内形成稳定压力，因此易发生欠挤出，导致打印断层。而向下尖端由于和打印平台（或者支撑）接触面积小，易脱落，导致打印失败。因此，遇到细长尖端最好将其水平摆放，并在下方添加支撑。在有支撑的情况下，水平打印尖端一般有较好质量。若不得不竖直打印，则可在其四周手动添加支撑来防止摆动。在打印大面积悬空时，刚挤出的塑料会因重力下垂，形成非常粗糙的下表面。如悬空部分不够厚，上层也会因为没有稳定支撑而晃动或脱落。大面积悬空常可通过倾斜打印来解决，一般热挤出打印机能够很好地打印 50 度悬空（竖直为 0 度，水平为 90 度）。（四）支撑设置支撑在复杂部件打印中不可或缺。支撑既能够增强部件与托盘间的粘接防止脱落，也能在打印悬空部分时为耗材提供粘接点，防止下垂或者翘边。设置支撑时主要考虑部件形状需要，支撑移除难度，以及支撑体积。过多支撑浪费耗材，延长打印时间，也会增加去除支撑工作量。大多切片软件同时拥有自动生成支撑和手动添加支撑的功能，但移除自动支撑较为困难，因此应将自动支撑调至较少，并在必要地方手动增加支撑。支撑的主要作用是托举在其上方部件，因此其内部结构和底面并不重要，可在设置中只保留支撑外壁和顶面。如使用大面积支撑，则需适当添加内部填充防止顶面坍塌。支撑的移除难度主要取决于支撑缝隙大小以及支撑密度。低密度支撑很易被挤压变形，从而和部件分离。而缝隙大小的最佳设置取决于喷口宽度，在使用 0.4mm 喷口打印时，0.2mm 到 0.3mm 的支撑缝隙有较好效果。研 发 应 用INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究107三、3D 打印部件无毒后期处理的研究受限于 3D 打印逐层累积的成型方式，部件表面常留有层纹和瑕疵，这在热挤出式打印机中尤其明显，对其在艺术领域应用受到了限制。许多后期处理方法应运而生，例如有机溶剂浸泡，水补土喷涂等5。这些方法大多伴随有害溶剂，会对使用者造成健康危害。因此本文研究和尝试了使用无毒材料进行 3D 打印后期处理方法，并总结了一套适用于个人使用者的低成本处理流程。鉴于艺术模型在 3D 打印后大多要求表面光洁平整，易于上色，本文将从修复瑕疵，去除层纹，以及增强颜料附着性三方面分别进行讨论。（一）修复瑕疵在拆除支撑后，首先需要处理的是打印中产生的瑕疵。3D 打印中常见瑕疵大致可分为凸瑕疵和凹瑕疵。凸瑕疵包含如支撑残留，拐角处耗材堆积，耗材溢出等等。凹瑕疵包含欠挤出，划痕等。除此之外还存在凹凸混合瑕疵，如零件断裂后粘接缝隙和耗材下坠导致的粗糙下表面等。凸瑕疵常见处理方法是打磨和切削。对于如支撑残留或耗材粘连这类连接点小，突出明显瑕疵可直接用刻刀切掉。而较为平缓，难以切掉的瑕疵则需通过打磨去除。经过对比，电磨工具、砂纸以及沙海绵三种常见打磨工具中，沙海绵最适合打磨带有复杂曲面的部件，电摩工具易因摩擦熔化塑料表面，其磨头形状也易破坏部件原有平滑曲面，砂纸打磨效率低且难以适应较为复杂的曲面结构，而沙海绵既能较好地贴合曲面，也不会因力度过大而破坏微小纹路。经过对比，打磨 PLA 时低目数（80200）的砂纸海绵有较好效果和较高效率。凹瑕疵则需用填缝剂填补。较小和较大凹瑕疵，需用不同材质填充。如用过软或过硬的填充物，在打磨时被填充部分侵蚀速度与部件本身差异太大，很难形成平整表面。（二）消除层纹层纹是 3D 打印中不可避免的问题，在热挤出打印机中更为明显。层纹问题虽然能通过降低切片厚度来减少，但这样会大幅增加打印时长，过低的层高也易造成质量问题。当前解决方法包括使用抛光液轻微溶解模型来去除层纹或喷涂水补土。抛光液挥发产生的气体对人体有害，而且较难使用，易破坏部件，而喷涂水补土价格昂贵，同时也会产生有害气体。因此本文尝试使用水性补土来填充微小缝隙。水性补土，商品名常为“水性腻子”“木地板填缝剂”“美缝剂”“woodfiller”等，主要成分为水性树脂和木粉的混合物。此类填缝剂大多对塑料附着力较弱，因此在使用前需先在塑料表面刷一层石膏底料（gesso）。石膏底料常由树脂和石粉组成，对各种塑料也有较强附着力，干燥后有粗糙表面，能与各种涂料粘连。涂抹石膏底料时不需非常均匀，后续还会涂补并打磨，这时只要将完整覆盖表面即可。刷过石膏底料后，填缝剂就能很好地附着在模型表面了。大部分填缝剂需加水稀释才能均匀涂在部件上。当填缝剂完全干燥后便可开始打磨。此时可选用中等目数（200300）砂纸海绵打磨。（三）颜料附着表面处理后，模型表面应已光滑，可开始为涂色做准备。由于上一步经打磨，部分塑料表面外露，需再刷一层石膏底料，也遮盖填缝剂，使颜色统一。涂抹时应尽可能平整，否则笔痕会影响最终外观。为了减少笔痕，应加水稀释石膏底料，程度为刚刚不拉丝为宜。除