高曉曉， 江紅霞

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

3D打印技術應用于制造業(yè)具有周期短、成本低、材料利用率高、柔性高效等優(yōu)勢，被稱為是第3次工業(yè)革命的推動者。20世紀80年代中后期，美國麻省理工學院發(fā)明了3D打印技術，1990年，美國Stratasys公司率先推出了基于熔融沉積成型(FDM)的3D打印機，我國對3D打印的研究工作開始于20世紀90年代初[1]。3D打印是以計算機三維設計模型為依據(jù)，將三維實體分為若干個二維平面，利用激光束、電子束等將材料層層累積黏結，最終疊加成型為三維實體[1]。3D打印技術雖然不能完全替代現(xiàn)有傳統(tǒng)制造業(yè)，但其在個性化定制方面有著很大的優(yōu)勢，應用市場開發(fā)潛力巨大[1]。

3D打印的服飾產(chǎn)品有戒指、耳環(huán)、項鏈、眼鏡、鞋等。早在2004年，設計師Philip Delamore采用3D打印制作了鞋子[2]；2010年，法國藝術家與荷蘭時裝設計師合作完成了一系列3D打印服裝；2017年，阿迪達斯計劃利用液態(tài)3D打印技術，批量生產(chǎn)了Futurecraft 4D運動鞋，實現(xiàn)限量的個人定制運動鞋的生產(chǎn)。雖然3D打印已能夠打印某些服飾產(chǎn)品，但是和傳統(tǒng)的紡織材料相比在力學性能上還有很大差距，尤其是拉伸強度，可通過將3D打印技術與傳統(tǒng)紡織品結合來提高其拉伸強度[3]。

市場上的運動文胸主要通過對乳房施加壓力控制乳房的晃動，按號型制作的文胸模杯造型固定，不同個體的女性乳房與模杯形態(tài)、容積的匹配程度不同，模杯壓力分布情況也相應不同。目前，國內外關于3D打印技術在文胸模杯制作中的應用方面的研究較少。為實現(xiàn)運動文胸模杯的個性化定制，本文探索了基于逆向工程對運動文胸模杯建模，運用3D打印技術制作模杯的方法。該模杯以個體的乳房表面為內表面，貼合乳房，壓力分布均勻，更加舒適、健康；同時3D打印技術的應用省去了模具制作的中間流程，從而節(jié)約了資源，簡化了個性化定制運動文胸模杯生產(chǎn)過程。

1 運動文胸模杯概述

模杯是模杯型文胸的罩杯，通常是在一定的溫度和壓力作用下，可塑性材料層(海綿貼布)經(jīng)過模制裝置加工而成的文胸罩杯或文胸整體。

運動文胸模杯一般為覆蓋整個乳房的全罩杯。全罩杯文胸可有效控制乳房的晃動，減少乳房晃動給運動帶來的不便，厚度一般在0.2～0.6 cm之間[4]。運動文胸模杯與普通文胸模杯相比，造型簡單，模杯整體厚度均勻。本文采用厚度均勻的全罩杯模杯作為研究對象。

1.1 運動文胸分類

運動文胸按模杯種類可分為4種，即2片固定型、2片插入型、1片無縫型、無模杯運動文胸。其中：第1種運動文胸是將2片模杯縫合固定在文胸整體中；第2種運動文胸的模杯屬于夾層，可獨立取出；第3種運動文胸的模杯在面積上覆蓋了文胸整體(不包括肩帶部分)的前半部分。

1.2 傳統(tǒng)模杯制作流程

傳統(tǒng)的文胸模杯制作流程一般為模型設計、模具制作、材料準備、模壓定型。使用計算機軟件進行模杯模具的三維立體模型設計過程中，對于造型設計首先需要確定模杯的外表面造型，接著根據(jù)厚度、功能性確定內表面造型，內衣模杯廠的模杯一般通過凹凸模具熱壓制得，所以模杯模具由凹模具與凸模具組成，一般下為凸模具，上為凹模具，模具的制作材料一般為合金鋁；模具設計師制定材料種類、定型工藝等技術參數(shù)；繪圖員編寫數(shù)控鑼機加工指示；技術員操作數(shù)控鑼機加工鋁料得到模具。

材料準備和模壓定型的工序步驟為：檢驗布料、海綿等原材料；海綿貼布；裁切海綿貼布；罩杯定型機加熱鋁模到預定工藝溫度，一般在180～200 ℃之間，熱壓海綿貼布，得到定型模杯[5]。

2 三維模杯建模

為了使模杯貼合人體，增強模杯舒適度，基于逆向工程在人臺的擬合曲面上截取乳房曲面創(chuàng)建三維運動文胸模杯模型。逆向工程一般采用非接觸式測量儀掃描物體表面獲取點云數(shù)據(jù)，在此基礎上構建曲面，得到數(shù)字化三維實體模型[6]。

2.1 三維人體NURBS曲面構建

2.1.1點云數(shù)據(jù)采集

點云數(shù)據(jù)是由三維數(shù)據(jù)采集設備對實體表面采樣得到的三維空間上的幾何點[7]。本文點云數(shù)據(jù)通過三維人體掃描儀對標準女性掃描人臺掃描獲取，如圖1所示。其中三維人體掃描儀為德國 TECMATH公司的VITUS SMART XXL人體掃描儀，采用alvanon中國掃描系列M號人臺。將掃描人臺文件以.stl格式輸出。

圖1 人臺點云數(shù)據(jù)Fig.1 Point cloud data of body form

2.1.2點云數(shù)據(jù)預處理

受目前三維掃描儀器的制約，掃描過程中設備的震動、儀器校準的精確度等使采集的點云數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和偶然誤差，掃描所得的點云數(shù)據(jù)存在缺陷。點云數(shù)據(jù)的質量直接關系著曲面的質量，數(shù)據(jù)預處理是逆向建模前需進行的必要步驟。將得到的.stl格式的點云數(shù)據(jù)文件讀入逆向工程軟件Geomagic Studio中，從點云數(shù)據(jù)中截取需要的部分，本文只截取胸部的前半部分，然后進行點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，如去除體外孤點，減少噪聲，增補點云等。

2.1.3多邊形的編輯

對優(yōu)化處理后的點云數(shù)據(jù)進行封裝后，進入多邊形編輯階段。首先檢測三角片的相交情況并進行修復，在Geomagic Studio軟件中，曲面是由無數(shù)個小三角片構成的，相交的三角片將導致后期構建錯誤的曲面。然后細化多邊形，使多邊形更加精細，確保之后所構造的曲面的質量。最后松弛多邊形，使多邊形網(wǎng)格趨于平滑[8]。

2.1.4NURBS曲面構建

Geomagic Studio創(chuàng)建NURBS(非統(tǒng)一有理B樣條)曲面過程如下：第1步用構造曲面片功能構建曲面片布局圖；第2步用構造格柵命令在曲面片內創(chuàng)建1個有序的u-v網(wǎng)格，格柵數(shù)量要適中，格柵數(shù)量越多，人體曲面更精確，但不利于后期建模，然后擬合曲面，生成1個NURBS曲面。最后合并曲面，最終構建的NURBS曲面如圖2所示。

圖2 NURBS曲面Fig.2 NURBS surface

將生成的NURBS曲面與原始點云數(shù)據(jù)進行曲面偏差分析，所得偏差色譜圖如圖3所示。偏差分析結果為：最大上偏差2.02 mm，最大下偏差-0.70 mm，平均偏差0.01 mm，標準偏差0.03 mm。從圖3可看出，除了邊緣位置偏差相對較大，曲面整體偏差很小。將文件以.iges的格式輸出。

圖3 曲面偏差分析Fig.3 Analysis of surface deviation

2.2 模杯曲面的獲取

2.2.1模杯結構控制參數(shù)

運動文胸模杯款式如圖4所示，此款運動文胸模杯為一片式模杯，在面積上覆蓋了整個運動文胸除肩帶以外的前半部分，有關此款運動文胸模杯造型的結構控制參數(shù)主要有：下圍線長(確定模杯的寬度，一般到人體側中縫位置)、前中長(確定領口最低點位置，領口不宜過低)、杯高(確定模杯整體高度，與運動文胸減震功能相關，杯高過小，模杯不能完全包裹乳房，導致運動文胸不能達到減震的目的)、側高(確定模杯體側面高度)。文胸模杯結構控制參數(shù)的設計值分別為：下圍線長35 cm；前中長11.5 cm，杯高19 cm，側高6 cm。

圖4 運動文胸模杯款式Fig.4 Cup style of sports bra

2.2.2模杯內表面輪廓線的創(chuàng)建

模杯需貼合人體，因此使用UG軟件直接在人臺曲面上創(chuàng)建輪廓線，截取人臺NURBS曲面作為模杯內表面的曲面。把.iges格式的文件導入UG軟件，把曲面的位置擺正，調整視圖到俯視圖。

模杯底圍線是創(chuàng)建模杯輪廓線的基礎，為了確定底圍線的水平位置，過BP點創(chuàng)建一個以X軸為法向的基準平面a，求得該平面與曲面的交線，該曲線的曲率梳如圖5所示。點A是BP點以下的曲線的曲率峰值點，該曲線的曲率峰值點反映的是乳房過渡到軀干的臨界點，以點A的位置為模杯底圍線的水平位置。過點A創(chuàng)建一個以Y軸為法向的基準平面b，求得平面b與曲面相交的曲線，以中點向左右各取17.5 cm截取曲線，該曲線為模杯底圍線水平參考線。

圖5 曲線曲率分析Fig.5 Curvature analysis of curve

確定底圍線后，在前中心位置創(chuàng)建一個以X軸為法向的c基準平面，并求得曲面與該平面的交線，所得曲線即為前中心線，在前中心線與底圍線的交點處向上截取12.5 cm為模杯的前中心線，由下端向上1 cm標記點。在距離底圍平面b向上19 cm處創(chuàng)建基準水平面d，并求其與曲面的交線，該交線為模杯的上圍線，在曲線中點位置向左右截取9 cm，截得的曲線端點作為罩杯耳仔的上端點，在該端點處創(chuàng)建一個與水平面向下傾斜10°的基準平面，求其與曲面的交線，并從交點處向外截取2.5 cm為模杯耳仔的寬度。在底圍線的端點創(chuàng)建垂直于路徑的基準平面e和f，求得平面與曲面的交線，在與底圍線的相交處向上截取6 cm為模杯的側縫線。在曲面上連接各個相關點并進行調整后形成模杯內表面的外輪廓線。創(chuàng)建模杯外輪廓線過程中所需的各個基準平面、輔助線及模杯外輪廓線如圖6所示。

圖6 模杯內表面的外輪廓線Fig.6 Outline of inner surface of cup

2.2.3模杯曲面截取

創(chuàng)建出完整的輪廓線后，運用UG修剪曲面的功能截取輪廓線以內的曲面，得到模杯內表面的曲面，如圖7所示。在此過程中需注意，修剪曲面的輪廓線必須是封閉的，中間不能存在縫隙。

圖7 模杯內表面的曲面Fig.7 Surface of cup inner surface

2.3 模杯實體模型創(chuàng)建

模杯是三維實體，具有一定的厚度，由于運動文胸需要良好的透氣性，模杯厚度一般相對較小。截取模杯的內表面曲面后，在內表面曲面的基礎上向外加厚2 mm，得到運動文胸模杯的整體模型，如圖8所示。三維運動文胸模杯的整體建模完成。

圖8 運動文胸模杯模型Fig.8 Cup model of sports bra

3 3D打印運動文胸模杯

模杯建模完成后，下一步就是打印模杯模型。目前，文胸模杯的主要材質是海綿，企業(yè)常用的海綿材質有三明治材質、立綿材質、普通海綿材質[9]，受目前3D打印材料的限制，還不能打印海綿材質，有待于后續(xù)3D打印材料的相關研發(fā)。

3D打印技術的工藝有光固化成型(SLA、DLP)、熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光燒結(SLS)、聚合物噴射(PolyJet)等。目前已可打印柔性材質的模型，本文沒有采用柔性材料，使用了SLA型3D打印機，打印耗材為光固化材料光敏樹脂，該材料主要成分有低聚物、活性稀釋劑、光敏劑等，光敏劑可在相應波長的紫外光照射下固化。

對模型進行3D打印前，需要完成相關的前期準備工作，主要有以下2步：運用amber 3D軟件對模型布局，將.stl格式的模杯模型文件打開，模型放入指定尺寸的長方體平臺中后，保存文件格式為.atl；之后對已布局好的模型進行切片，把模型分為無數(shù)個厚度為0.03 mm的二維圖形，切片完成后，文件保存為.atj格式。最后把.atj格式的文件存入3D打印機進行打印。3D打印運動文胸模杯成品如圖9所示。

圖9 3D打印運動文胸模杯Fig.9 3-D Printed sports bra cup

4 誤差分析

在制作3D打印運動文胸模杯的過程中由于偶然誤差及系統(tǒng)誤差的存在，3D打印運動文胸模杯與掃描人體不會達到完全貼合，誤差來源主要有點云數(shù)據(jù)誤差、曲面重構誤差、3D打印誤差等。

4.1 點云數(shù)據(jù)誤差

由三維掃描儀掃描得到的點云數(shù)據(jù)誤差主要來源于三維掃描儀機器自身、外界干擾因素。

就三維掃描儀自身而言，其在進行激光掃描時發(fā)出的激光光斑大小、儀器的穩(wěn)定性、設備校準定位情況等都直接影響掃描精度。同時，有限的掃描角度、被測物自身某些部位遮擋等使激光無法到達或回到接收器從而造成掃描數(shù)據(jù)缺失。

外界干擾因素主要有外界光的干擾、被測物體的反光性。通常情況下，掃描在暗室進行，外界光線會對掃描儀發(fā)出的激光造成干擾。反光性不佳或太強的物體表面都需涂顯像劑[10]。

4.2 曲面重構誤差

曲面重構誤差主要源于對原始點云數(shù)據(jù)的處理、多邊形編輯、曲面擬合等。3D軟件通常采用最小二乘逼近的方法實現(xiàn)曲面擬合。在對多邊形進行松弛等處理時將造成與原始點云數(shù)據(jù)的偏差。

4.3 3D打印誤差

3D打印技術的誤差主要來自于三維模型的切片處理，切片處理會造成模型的層與層之間的過渡信息丟失，導致X-Y方向的尺寸存在偏差、模型表面光滑度下降。層厚越小，3D打印的精度越高，但是打印時間會隨之增加。

5 結束語

本文探討的3D打印運動文胸模杯的方法，與傳統(tǒng)的使用模具熱壓制得模杯的方法相比，生產(chǎn)批量號型模杯效率較低，但在制作個性化定制模杯方面擁有明顯的優(yōu)勢，省略了模具制作環(huán)節(jié)，節(jié)省了原材料，模杯更加合體。使用相關建模軟件，模杯可呈現(xiàn)鏤空等結構設計，能夠很大程度上滿足運動文胸對透氣性的需求，但是受目前3D打印材料的限制，3D打印模杯的服用性能差強人意，有待于3D打印材料的進一步發(fā)展。

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