摘 要：三維打印，即快速成形技術(shù)的一種，該技術(shù)通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。三維打印技術(shù)可以將虛擬的園林景觀實(shí)體化，實(shí)體展示具有更強(qiáng)的直觀性。本文從三維打印園林景觀所要研究的內(nèi)容，打印的技術(shù)方法，打印的材料及打印的溫度，比例分配等方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵字：三維打?。淮蛴C(jī)；園林景觀

中圖分類號(hào)：TP334.8

園林景觀的可視化是實(shí)現(xiàn)園林設(shè)計(jì)、園林管理、園林仿真的綜合學(xué)科技術(shù)，也是林業(yè)學(xué)科發(fā)展的重要分支，隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)的發(fā)展，電腦三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)園林可視化的做法已經(jīng)成為主流。然而，經(jīng)過(guò)分析建模后制作出的虛擬的三維場(chǎng)景畢竟只是存在于屏幕中，受到種種限制我們無(wú)法切身感受到園林景觀給人的整體感覺(jué)，而三維打印技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問(wèn)題提供了可能。通過(guò)三維打印技術(shù)，園林小景的設(shè)計(jì)者可以在小成本的情況下通過(guò)實(shí)物的角度發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足之處。并且，在把三維虛擬場(chǎng)景實(shí)體化后，真實(shí)的物體展示還可為不懂三維軟件的設(shè)計(jì)者提供極大的便捷。

1 研究?jī)?nèi)容

（1）研究分析各類植物、建筑的打印可行性。須查閱資料，詢問(wèn)相關(guān)專業(yè)人員來(lái)認(rèn)識(shí)各種植物、建筑的特性，然后再實(shí)地考察，近距離地深入了解從而將植物、建筑進(jìn)行分類，再具體逐個(gè)分析是否能夠打印成模型。

（2）對(duì)于不可直接打印的模型，探索分析后將其拆分成最優(yōu)可打印模型的組合。有些植物或者是建筑不符合三維打印機(jī)的打印生成方式，須從各種模擬實(shí)驗(yàn)中找出最節(jié)省成本省時(shí)省力的拆分方式將不可打印模型拆分成一個(gè)個(gè)可以打印的模型組合。

（3）虛擬場(chǎng)景與實(shí)體造型的區(qū)別問(wèn)題。需要解決三維顯示和實(shí)體打印之間的差異性。3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，所以要求被打印的模型必須有實(shí)體。[1]而三維軟件的三維顯示則有些是通過(guò)面片結(jié)合Alpha貼圖的方式表現(xiàn)模型，比如植物的樹(shù)葉。

（4）探索能最大體現(xiàn)模型真實(shí)感的上色方式。試打出幾組模型做實(shí)驗(yàn)，從環(huán)保、低成本、仿真度高、易操作的角度尋找最佳染料和著色方式。

（5）研究模型的可重復(fù)利用性。根據(jù)已打印好的園林小景三維模型分析單體是否可拆卸，是否可局部調(diào)整，如若不能則尋找改善方式，從而提高材料利用率，節(jié)省成本，避免浪費(fèi)。

2 打印技術(shù)方法

打印園林景觀現(xiàn)階段最合適的方式為熔融沉積技術(shù)，當(dāng)前市面上所流行的大部分3D打印機(jī)也是此種類型，原因是技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便，原料相對(duì)廉價(jià)。劣勢(shì)也顯而易見(jiàn)，便是由于重力無(wú)法直接打印角度向下的形體。

由于重力、打印方法的限制，模型懸空部分需要打印出支撐部分以達(dá)到懸空打印的目的。盡管skeinforge算法內(nèi)部有計(jì)算支撐的部分，但仍不足夠達(dá)到在完全平展的平面一樣的精度，所以模型需要盡可能減少懸空部分的長(zhǎng)度、減少高層重疊的部分。

3 打印材料

針對(duì)市面上所流行的熔融沉積法，它的適用材料是PLA、ABS塑料。原因是此類物體熔點(diǎn)相對(duì)較低，且在常溫下處于固態(tài)，易用于融化堆積造型。此外PLA與ABS也有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）是微黃色固體，有一定的韌性，密度約為1.04-1.06g/cm3，熔點(diǎn)為175℃。它抗酸、堿、鹽的腐蝕能力比較強(qiáng)，也可在一定程度上耐受有機(jī)溶劑溶解。常見(jiàn)的樂(lè)高積木就是ABS制品。

聚乳酸（Polylactic Acid，縮寫：PLA），是一種熱塑性脂肪族聚酯，特點(diǎn)是其可再生性和可分解性。生產(chǎn)聚乳酸所需的乳酸和丙交酯可以通過(guò)可再生資源發(fā)酵、脫水、純化后得到，所得的聚乳酸一般具有良好的機(jī)械和加工性能，而聚乳酸產(chǎn)品廢棄后又可以通過(guò)各種方式快速降解，因此聚乳酸被認(rèn)為是一種具備良好的使用性能的綠色塑料。其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大約是65°C，熔點(diǎn)是180°C，拉伸模量大約為3-4GPa，彎曲模量大約為4-5GPa。

4 打印軟件

鑒于各品牌3D打印機(jī)所使用軟件均有差異，此處只著重說(shuō)明流程及核心機(jī)制。首先需要用三維建模軟件構(gòu)造形體，然后導(dǎo)出3D模型標(biāo)準(zhǔn)文件格式STL（Standard Tessellation Language），導(dǎo)入各自品牌的軟件，進(jìn)行g(shù)code化，進(jìn)而生成3D打印機(jī)可以識(shí)別的格式，導(dǎo)入3D打印機(jī)，才可以使用3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

關(guān)鍵技術(shù)在于轉(zhuǎn)gcode的過(guò)程中，在此過(guò)程中使用了一種叫做skeinforge的軟件。Skeinforge的作者是Erik de Bruijn，后來(lái)有很多人加入到優(yōu)化建設(shè)此代碼的過(guò)程中，大部分三維打印工具內(nèi)部核心都是植入此軟件使三維模型轉(zhuǎn)換為gcode。此軟件有一系列的工作流程：carve——fill——comb——tower——raft——stretch——hop——wipe——fillet——export。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，STL文件的標(biāo)準(zhǔn)不適于打印機(jī)的識(shí)別，同時(shí)缺少必須的參數(shù)，所以需要對(duì)STL模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)行切片、計(jì)算填充、識(shí)別外表面等等流程，計(jì)算出打印頭較為合理的運(yùn)行路徑，添加必要的對(duì)打印機(jī)控制的參數(shù)等等，由此生成gcode。[2]

5 建模軟件

園林場(chǎng)景分為建筑和自然植物、石山兩個(gè)方面。由于建筑等人文景物較為規(guī)則，所以我們建模選擇3Ds Max、Maya等具體點(diǎn)控制較強(qiáng)的具有普遍性的三維軟件。而植物和石山均為不規(guī)則物體，我們則選用藝術(shù)性、易于處理較為復(fù)雜模型的Zbrush。

6 檢測(cè)數(shù)字模型完整

由于skeinforge代碼的限制，此軟件的算法無(wú)法精確計(jì)算出完整的理想的模型外輪廓。所以模型不只限于簡(jiǎn)單的堆積，需要精確計(jì)算各個(gè)模型間的契合性。同時(shí)需要保證模型為封閉的有體積的多邊形，不能有單獨(dú)的邊、點(diǎn)，否則可能會(huì)造成整個(gè)模型計(jì)算的錯(cuò)誤，出現(xiàn)無(wú)法預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題。

7 打印溫度

3D打印機(jī)噴頭溫度對(duì)打印模型精度的控制有很大的影響。不同材料使用溫度不同，通常設(shè)定溫度在200°C到220°C之間。過(guò)低的溫度會(huì)使材料不易于從噴頭中擠出，而過(guò)高的溫度則使擠出的材料不易及時(shí)凝固，進(jìn)而降低打印模型的精度、可控性。

但僅僅考慮噴頭溫度完全不夠，因?yàn)榄h(huán)境溫度對(duì)模型也有影響。過(guò)低的環(huán)境以及構(gòu)造平面溫度會(huì)使模型快速冷卻，急劇收縮。由于熱脹冷縮的作用，附著于構(gòu)造平面的材料會(huì)翹起，造成模型的走樣。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出40°C左右的平面溫度既可以使模型凝固速度適當(dāng)且不易翹起變形。

8 概括化與比例分配

由于現(xiàn)有打印方法、精度的問(wèn)題以及經(jīng)濟(jì)條件的原因，在建筑模型與樹(shù)木模型同比例縮放的情況下，樹(shù)木的打印會(huì)十分艱難，尤其是樹(shù)葉部分。所以可以將模型的樹(shù)葉部分做適當(dāng)?shù)母爬ǎ瑫r(shí)適當(dāng)增大樹(shù)木縮放的比例，使樹(shù)木更易于被打印。

9 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)秀的園林系統(tǒng)離不開(kāi)合理的植物配置，水體建設(shè)，以及環(huán)境友好的設(shè)計(jì)，因此三維打印技術(shù)對(duì)園林景觀發(fā)展的重要性是不言而喻的。但是現(xiàn)在三維打印技術(shù)尚未成熟、而且成本較高，我們?nèi)孕枰鄬?duì)于3D打印方法的探索，努力地降低此產(chǎn)業(yè)的成本，克服重重打印方法中遇到的困難，才能更好地運(yùn)用于園林景觀的實(shí)體化構(gòu)建中，從而為林業(yè)科學(xué)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王冰.3D打印技術(shù)：給制造業(yè)帶來(lái)無(wú)限生機(jī)出處[J].資源再生，2013.

[2]史偉軍.Mac OS X上基于CUPS的PostScript Plug-in打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2006.

作者單位：北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083