胡佳寧

隨著3D打印技術(shù)的興起和應(yīng)用，文化創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作方式也逐漸豐富起來，結(jié)合數(shù)字雕刻、新材料的3D打印技術(shù)可有效解決產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)方面的問題，為從事文創(chuàng)產(chǎn)品開發(fā)的行業(yè)提供了新的解決方案。

傳統(tǒng)文化創(chuàng)意產(chǎn)品大多數(shù)都是批量化大規(guī)模生產(chǎn)出來的，且開發(fā)周期漫長，不能滿足現(xiàn)代消費(fèi)者個性化、多樣化的消費(fèi)需求。而3D打印技術(shù)具有效率高、可定制化等特點(diǎn)，能讓各種各樣的創(chuàng)意及需求轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)。因此，這一新技術(shù)在當(dāng)今文創(chuàng)產(chǎn)業(yè)中有著巨大的發(fā)展空間。

3D打印技術(shù)簡述

3D打印技術(shù)是一種先進(jìn)的成型技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，該技術(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用快速成型材料，以逐層打印的方式來構(gòu)造物體。依照打印原理可分為選擇性激光燒結(jié)法（SLS）、立體平板印刷法（SLA）、分層實(shí)體制造法（LOM）、熔融沉積式法（FDM）等多種技術(shù)，不同的技術(shù)也決定了各類3D打印機(jī)的特點(diǎn)和成本[ 1 ]。

隨著3D打印技術(shù)的日益發(fā)展，該技術(shù)在各行各業(yè)中發(fā)揮著重要作用。在工程領(lǐng)域已有該技術(shù)制造的新型材料，有的已在實(shí)際中被應(yīng)用；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用該技術(shù)制造的骨骼、器官等已被應(yīng)用到對患者的治療中；在考古、文博行業(yè)也在運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行古生物、文物的復(fù)原與修復(fù)工作。

數(shù)字模型制作

常見建模方式

數(shù)字建模技術(shù)主要有兩種：3D掃描、三維數(shù)字建模。

3D掃描：是使用3D掃描設(shè)備對已有實(shí)物進(jìn)行掃描，將原有物體的結(jié)構(gòu)信息采集并保存下來，再通過專用軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型文件。目前，受掃描設(shè)備的限制，其尚可還原模型外部表面，但精確度通常不高，還需要利用軟件進(jìn)行再加工。

三維數(shù)字建模：數(shù)字建模是從零到有，重新建立完整立體數(shù)字模型的方式。以應(yīng)用廣泛的多邊形（Polygon）建模為例，其主要依靠鼠標(biāo)、參數(shù)對多邊形的點(diǎn)（Vertex）、邊（Edge）、面（Face）等子層級進(jìn)行編輯和修改，從而實(shí)現(xiàn)建模過程。近幾年又發(fā)展出基于數(shù)位壓感技術(shù)的數(shù)字雕刻建模方式，解決了傳統(tǒng)多邊形建模過程中大量使用鼠標(biāo)和命令編輯操作所帶來的效率低下等問題。數(shù)字雕刻過程類似于傳統(tǒng)泥塑造型，結(jié)合多種數(shù)字雕刻工具對模型進(jìn)行雕刻，能夠達(dá)到更加豐富的細(xì)節(jié)效果，這是一種先進(jìn)的數(shù)字模型制作技術(shù)。

數(shù)字建模實(shí)例

本文以卡通角色類文創(chuàng)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)為例。其主要運(yùn)用成熟的Maya多邊形建模、ZBrush數(shù)字雕刻技術(shù)進(jìn)行制作，并分析數(shù)字建模中多種造型技術(shù)的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)方案主要是依據(jù)一件傳統(tǒng)動物形象器具，經(jīng)過擬人化設(shè)計(jì)得到的卡通角色類文創(chuàng)產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)稿中既有對形體的整體設(shè)計(jì)，也有對服飾、紋樣的設(shè)計(jì)，并有完整的設(shè)計(jì)參數(shù)和比例數(shù)據(jù)。

1.低精度模型制作

低精度模型類似于傳統(tǒng)制作，首先要生成模型的雛形，后續(xù)的深入制作是在雛形的基礎(chǔ)上加以裝飾和修改。

在Maya軟件中導(dǎo)入三個視圖的設(shè)計(jì)圖，從角色軀干開始著手制作，建立一個多邊形的立方體，將它的寬度、高度、深度參照軀干設(shè)計(jì)調(diào)整到對應(yīng)位置，適當(dāng)添加Edge Loop（循環(huán)線）使點(diǎn)、線分布對應(yīng)設(shè)計(jì)圖的軀干外輪廓。同理，頭部、四肢等也是通過類似的方式先創(chuàng)建立方體再進(jìn)行編輯修改，對稱部位只制作一邊，另一邊通過鏡像得到。在制作中還可以利用Multi-cut Tool（多切割）工具、Extrude（擠出）工具對模型局部進(jìn)一步編輯，如角色頭部的五官等凸起部位的刻畫就可以使用擠出工具來實(shí)現(xiàn)。

多邊形建模的優(yōu)勢就在于通過點(diǎn)、線、面的結(jié)合快速確定模型外形，不同部位分開建立，既可以直觀了解整體與各部位造型之間的關(guān)系，又為下一步雕刻制作做好了充分準(zhǔn)備。當(dāng)角色雛形基本完成后，要進(jìn)一步檢查以避免超過4條邊的多邊形出現(xiàn)，然后再導(dǎo)出三維軟件通用的obj格式模型文件。

2.高精度模型制作

本案例使用ZBrush數(shù)字雕刻軟件制作高精度模型，該軟件主要功能都集中在建模部分，界面布局簡潔。ZBrush忽略了多邊形點(diǎn)、線、面的特性，將模型當(dāng)作一個整體，在進(jìn)行塑造時(shí)，筆刷可以對局部區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，并且隨著筆刷的移動，受到影響的區(qū)域也隨時(shí)發(fā)生變化[ 2 ]。雕刻步驟通常是：雛形制作—局部調(diào)整—增加面數(shù)—精雕細(xì)節(jié)，在這個過程中始終能以“整體—局部—整體”的視角進(jìn)行觀察。其制作多邊形模型的精度可以高達(dá)數(shù)億個多邊形面，直接使用數(shù)字壓感筆進(jìn)行操作，加上豐富的數(shù)字筆刷庫，使得建模過程更加直觀。

將在Maya中制作的多邊形低模導(dǎo)入ZBrush中，在Geometry（幾何體）面板中對模型進(jìn)行Divide（細(xì)分），隨著細(xì)分級別的提高，模型表面的光滑程度也得到了提高，但局部結(jié)構(gòu)也會受影響而發(fā)生改變，可以依據(jù)設(shè)計(jì)圖做適當(dāng)調(diào)整。

ZBrush筆刷是模型制作中表現(xiàn)細(xì)節(jié)的重要工具，本案例模型制作以幾種常見筆刷為例進(jìn)行分析。其中，Standard用于刻畫模型表面的凸起和凹陷，如角色的關(guān)節(jié)、皮膚與衣服的褶皺；Clay接近雕刻中的黏土，可以增加或減少表面結(jié)構(gòu)；Move通過拖拽方式來改變局部或整體形態(tài)，以快速實(shí)現(xiàn)模型外形結(jié)構(gòu)的調(diào)整；Smooth對模型表面粗糙之處進(jìn)行平滑處理；在模型表面紋樣制作中，還可以利用Alpha筆刷，將事先準(zhǔn)備好的紋樣黑白元素圖導(dǎo)入Alpha筆刷庫中，再通過壓感筆的拖拽與強(qiáng)度設(shè)置得到符合設(shè)計(jì)要求的紋樣效果。

3.合并模型

為了便于對各部分細(xì)節(jié)的雕刻，頭部、軀干和四肢的模型是分開制作的，在制作過程中通過Alt鍵和鼠標(biāo)左鍵的結(jié)合來選擇所要制作的部分。對各部分模型的設(shè)計(jì)完成后，再按設(shè)計(jì)圖對模型整體進(jìn)行調(diào)整，之后就可以使用Zplugin（Z插件）面板中SubTool Master（多重工具大師）調(diào)板的Merge（合并）進(jìn)行整合，為了避免合并中出現(xiàn)結(jié)合問題，還需要提前打開Geometry面板中的Dynamesh（動態(tài)網(wǎng)格）按鈕，它的作用在于可以自動進(jìn)行拓?fù)?，重新?jì)算模型合并后的布線，這樣一個完整的數(shù)字角色模型文件就制作完成了。

輸出數(shù)字模型文件

由于本次角色模型的細(xì)節(jié)較多，完成后的模型多邊形面數(shù)達(dá)到上億個，通過Export工具導(dǎo)出的obj格式模型文件有著龐大的數(shù)據(jù)量，直接導(dǎo)入3D打印機(jī)將無法正常輸出。此時(shí)降低模型數(shù)據(jù)大小的方式就是減少多邊形面數(shù)，常用的減少面數(shù)方式有ZRemesher（自動拓?fù)洌┡cDecimation Master（抽取大師）。

ZRemesher：打開Geometry面板找到ZRemesher調(diào)板中的Target Polygons Count輸入需要的面數(shù)，這個步驟可執(zhí)行多次，直到達(dá)到合適的面數(shù)。我們來看操作過后的結(jié)果，以模型表面的紋飾為例，對比減面之前的高模，高模中的紋理清晰可見，但在執(zhí)行操作后的紋樣已經(jīng)變得模糊不清。

Decimation Master；在Zplugin面板中的Decimation Master調(diào)板，既可以通過百分比減少面數(shù)，也可以通過指定面數(shù)降低精度。借鑒行業(yè)制作經(jīng)驗(yàn)，在指定多邊形面數(shù)時(shí)一般可以選擇3.5萬個面或7.5萬個面，由于設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是卡通角色類模型，高度的實(shí)際尺寸一般在100mm左右，這般大小的模型其細(xì)微的細(xì)節(jié)是無法打印出來的，需要通過后期著色來彌補(bǔ)，所以可直接點(diǎn)擊3.5萬個面的按鈕進(jìn)行操作，生成低模。執(zhí)行操作后模型表面網(wǎng)格已經(jīng)變得比較稀疏，通過SubTool面板上計(jì)數(shù)工具的統(tǒng)計(jì)的確是3.5萬個面。在模型質(zhì)量上，雖然面數(shù)明顯降低，但紋樣的細(xì)節(jié)依然得到保留。此工具的優(yōu)勢在于它可以直接指定模型多邊形的面數(shù)，避免生成的模型精度具有不確定性。

另外，對比兩種減少面數(shù)的方式還可以通過打開網(wǎng)格顯示工具得以實(shí)現(xiàn)，使用ZRemesher方式得到的模型表面是四邊面，使用Decimation Master方式得到的模型表面是三邊面。按照目前大多數(shù)3D打印機(jī)所接受的格式標(biāo)準(zhǔn)，三邊面形式的模型文件適合大多數(shù)打印機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，模型輸出設(shè)置主要有三點(diǎn)需要注意：第一，使用Decimation Master減少面數(shù)；第二，多邊形的面數(shù)控制在1萬到10萬之間；第三，多邊形需要三角化處理。其中第二、三兩點(diǎn)也是3D打印行業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)。

3D打印設(shè)置與模型輸出

本次使用的3D打印機(jī)型號為小方S130，是一臺桌面級SLA（樹脂激光固化成型）高精度打印機(jī)，最大單次成型范圍為130mm×130mm×180mm﹐打印精度為0.05mm/層。由于光敏樹脂在一定波長和強(qiáng)度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，其材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)，故該打印機(jī)的原理就是利用材料的逐層光固化并疊加的方式完成立體模型。受打印機(jī)成型范圍、方式與材料成本的限制，我們還需要對模型進(jìn)行尺寸、抽殼和支撐的設(shè)置。

尺寸設(shè)置：在這里主要結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)對寬度、高度、深度三個維度的尺寸進(jìn)行調(diào)整。本案例使用Meshmixer軟件對模型的尺寸進(jìn)行等比例縮放，故只要輸入一個維度的參數(shù)，其他兩個維度的尺寸就自動生成了。

模型抽殼：為了提升打印的效率，以及對光敏樹脂材料成本的控制，模型需要制作成空心的，也就是進(jìn)行抽殼操作，同樣使用Meshmixer軟件進(jìn)行這一步驟。經(jīng)過調(diào)查，高度在100mm左右的角色模型產(chǎn)品以壁厚3mm為宜，為了使殘余樹脂不會封閉在打印好的模型體內(nèi)，需要對模型進(jìn)行打孔以方便樹脂流出，一般需要在模型相對隱蔽且水平位置不同的部位添加至少兩個孔洞。

添加支撐：因?yàn)槟Ｐ筒豢赡茉诖蛴∑脚_上被騰空制作出來，所以必須要添加支撐以便于打印材料的逐層固化成型，與打印機(jī)配套的Dazzle3D打印軟件能夠提供自動生成支撐，且基本滿足打印需求。但我們在添加支撐時(shí)還需要注意這樣幾個方面：第一，盡量不要把支撐添加在角色模型的正面，后期支撐的修剪可能會破壞模型的表面，影響模型的美觀；第二，支撐的添加需要避開細(xì)節(jié)，這樣能夠減少修剪支撐的復(fù)雜程度；第三，支撐的密度需要控制，既方便了后期修剪，又節(jié)省了打印材料。

以上這些設(shè)置全部完成后就可以開始打印了，打印時(shí)間會受到模型的復(fù)雜程度、樹脂型號和打印精度等因素的影響。待打印完成之后取下模型，利用修剪工具去除模型的支撐，再經(jīng)過酒精清洗及晾干，這樣一個經(jīng)過數(shù)字軟件設(shè)計(jì)和3D打印制作的白模就完成了。結(jié)合設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對比，打印輸出模型與其基本保持一致，角色五官、肢體、服飾完整，細(xì)節(jié)清晰可見，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。

3D打印技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)角色類文創(chuàng)產(chǎn)品通常是個人或團(tuán)隊(duì)經(jīng)過設(shè)計(jì)、塑型、翻模、澆注、修模、上色等工藝制作出來的，這些對制作者的綜合素質(zhì)要求非常高，他們需要同時(shí)具備多種專業(yè)知識和工藝能力。特別是傳統(tǒng)的制作過程中還有大量繁瑣的步驟，如支架的制作、細(xì)節(jié)紋理的刻畫﹑翻模模具的制作等，消耗了大量的人力和物力。相比之下，利用數(shù)字雕刻技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合的制作工藝有以下三點(diǎn)優(yōu)勢：

高效率

使用傳統(tǒng)雕刻方法制作復(fù)雜的角色模型一般需要數(shù)十天的時(shí)間，但利用數(shù)字雕刻技術(shù)，制作效率會成倍提高，雕刻完整的角色模型只要幾天，甚至只需幾個小時(shí)就可完成。例如，在數(shù)字模型制作中利用軟件的編輯工具，一步操作就能完成復(fù)制、對稱等工作，重復(fù)的工作量大幅度減少，而類似翻模和澆注的環(huán)節(jié)則被3D打印機(jī)替代完成。

高質(zhì)量

傳統(tǒng)制作中最主要的原稿只有一份，即使用翻模制作去復(fù)制，受制作工藝的限制可能會偏離最初的設(shè)計(jì)；而數(shù)字雕刻的模型文件沒有原稿和復(fù)制品之間的差別，可以精準(zhǔn)呈現(xiàn)作品最初的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)的品質(zhì)得到了保證。一件復(fù)雜的數(shù)字雕刻作品的多邊形面數(shù)通常能達(dá)到數(shù)億個級別，可以雕刻出傳統(tǒng)雕刻方式難以呈現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。隨著新材料不斷被開發(fā)，主流的3D打印機(jī)的精度已到達(dá)0.1～0.2mm，配合3D掃描、數(shù)字雕刻等技術(shù)，可以呈現(xiàn)出傳統(tǒng)雕刻中的各種工具、技法的效果。

低成本

在過去，批量化生產(chǎn)模式與個性化需求定制模式是無法相互融合的，而受成本的影響，設(shè)計(jì)師、生產(chǎn)者也很少去思考市場真正需要什么樣的產(chǎn)品。數(shù)字雕刻技術(shù)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是數(shù)字的形式，因此，它的調(diào)整和改變幾乎不受成本的限制，這能夠?yàn)橄M(fèi)者帶來“所見即所得”的體驗(yàn)，而消費(fèi)者也將有機(jī)會參與到產(chǎn)品生產(chǎn)前期的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。雖然3D打印的設(shè)備和耗材的價(jià)格昂貴，但將其應(yīng)用在模型樣品開發(fā)測試和個性化定制的小批量生產(chǎn)中的成本優(yōu)勢明顯，不失為一個恰當(dāng)選擇。

本案例通過數(shù)字建模、3D打印技術(shù)制作卡通角色類模型產(chǎn)品，探索3D打印技術(shù)在文化創(chuàng)意產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的興起，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)字產(chǎn)品能突破時(shí)空限制，讓更多人體驗(yàn)文化與科技結(jié)合的魅力。數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)制作技術(shù)相輔相成，相互促進(jìn)，數(shù)字技術(shù)雖是新生事物，但本質(zhì)上只是制作工具、方法和材料等方面的進(jìn)步。隨著數(shù)字技術(shù)在行業(yè)中的普及與發(fā)展，從事這個行業(yè)的設(shè)計(jì)師不需要花費(fèi)太多的精力學(xué)習(xí)一個或多個復(fù)雜的制作軟件，而是有更多的時(shí)間投入到產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中，從而真正提高產(chǎn)品的藝術(shù)性和功能性。如此，行業(yè)才能培養(yǎng)出設(shè)計(jì)理念更全面的文化創(chuàng)意產(chǎn)品和設(shè)計(jì)人才。

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