基于3DS MAX的3D打印模型应用分析

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  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:
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