高曉曉， 江紅霞

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫 214122)

3D打印技術(shù)應(yīng)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(shì)，被稱為是第3次工業(yè)革命的推動(dòng)者。20世紀(jì)80年代中后期，美國麻省理工學(xué)院發(fā)明了3D打印技術(shù)，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(jī)，我國對(duì)3D打印的研究工作開始于20世紀(jì)90年代初[1]。3D打印是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為依據(jù)，將三維實(shí)體分為若干個(gè)二維平面，利用激光束、電子束等將材料層層累積黏結(jié)，最終疊加成型為三維實(shí)體[1]。3D打印技術(shù)雖然不能完全替代現(xiàn)有傳統(tǒng)制造業(yè)，但其在個(gè)性化定制方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用市場(chǎng)開發(fā)潛力巨大[1]。

3D打印的服飾產(chǎn)品有戒指、耳環(huán)、項(xiàng)鏈、眼鏡、鞋等。早在2004年，設(shè)計(jì)師Philip Delamore采用3D打印制作了鞋子[2]；2010年，法國藝術(shù)家與荷蘭時(shí)裝設(shè)計(jì)師合作完成了一系列3D打印服裝；2017年，阿迪達(dá)斯計(jì)劃利用液態(tài)3D打印技術(shù)，批量生產(chǎn)了Futurecraft 4D運(yùn)動(dòng)鞋，實(shí)現(xiàn)限量的個(gè)人定制運(yùn)動(dòng)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(xué)性能上還有很大差距，尤其是拉伸強(qiáng)度，可通過將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)紡織品結(jié)合來提高其拉伸強(qiáng)度[3]。

市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)文胸主要通過對(duì)乳房施加壓力控制乳房的晃動(dòng)，按號(hào)型制作的文胸模杯造型固定，不同個(gè)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(yīng)不同。目前，國內(nèi)外關(guān)于3D打印技術(shù)在文胸模杯制作中的應(yīng)用方面的研究較少。為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)文胸模杯的個(gè)性化定制，本文探索了基于逆向工程對(duì)運(yùn)動(dòng)文胸模杯建模，運(yùn)用3D打印技術(shù)制作模杯的方法。該模杯以個(gè)體的乳房表面為內(nèi)表面，貼合乳房，壓力分布均勻，更加舒適、健康；同時(shí)3D打印技術(shù)的應(yīng)用省去了模具制作的中間流程，從而節(jié)約了資源，簡(jiǎn)化了個(gè)性化定制運(yùn)動(dòng)文胸模杯生產(chǎn)過程。

1 運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)文胸模杯一般為覆蓋整個(gè)乳房的全罩杯。全罩杯文胸可有效控制乳房的晃動(dòng)，減少乳房晃動(dòng)給運(yùn)動(dòng)帶來的不便，厚度一般在0.2～0.6 cm之間[4]。運(yùn)動(dòng)文胸模杯與普通文胸模杯相比，造型簡(jiǎn)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(duì)象。

1.1 運(yùn)動(dòng)文胸分類

運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)文胸。其中：第1種運(yùn)動(dòng)文胸是將2片模杯縫合固定在文胸整體中；第2種運(yùn)動(dòng)文胸的模杯屬于夾層，可獨(dú)立取出；第3種運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)、模具制作、材料準(zhǔn)備、模壓定型。使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模杯模具的三維立體模型設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于造型設(shè)計(jì)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(nèi)表面造型，內(nèi)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(shè)計(jì)師制定材料種類、定型工藝等技術(shù)參數(shù)；繪圖員編寫數(shù)控鑼機(jī)加工指示；技術(shù)員操作數(shù)控鑼機(jī)加工鋁料得到模具。

材料準(zhǔn)備和模壓定型的工序步驟為：檢驗(yàn)布料、海綿等原材料；海綿貼布；裁切海綿貼布；罩杯定型機(jī)加熱鋁模到預(yù)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(qiáng)模杯舒適度，基于逆向工程在人臺(tái)的擬合曲面上截取乳房曲面創(chuàng)建三維運(yùn)動(dòng)文胸模杯模型。逆向工程一般采用非接觸式測(cè)量?jī)x掃描物體表面獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建曲面，得到數(shù)字化三維實(shí)體模型[6]。

2.1 三維人體NURBS曲面構(gòu)建

2.1.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)實(shí)體表面采樣得到的三維空間上的幾何點(diǎn)[7]。本文點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過三維人體掃描儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)女性掃描人臺(tái)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(hào)人臺(tái)。將掃描人臺(tái)文件以.stl格式輸出。

圖1 人臺(tái)點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.1 Point cloud data of body form

2.1.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

受目前三維掃描儀器的制約，掃描過程中設(shè)備的震動(dòng)、儀器校準(zhǔn)的精確度等使采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差和偶然誤差，掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在缺陷。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接關(guān)系著曲面的質(zhì)量，數(shù)據(jù)預(yù)處理是逆向建模前需進(jìn)行的必要步驟。將得到的.stl格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件讀入逆向工程軟件Geomagic Studio中，從點(diǎn)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(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，如去除體外孤點(diǎn)，減少噪聲，增補(bǔ)點(diǎn)云等。

2.1.3多邊形的編輯

對(duì)優(yōu)化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后，進(jìn)入多邊形編輯階段。首先檢測(cè)三角片的相交情況并進(jìn)行修復(fù)，在Geomagic Studio軟件中，曲面是由無數(shù)個(gè)小三角片構(gòu)成的，相交的三角片將導(dǎo)致后期構(gòu)建錯(cuò)誤的曲面。然后細(xì)化多邊形，使多邊形更加精細(xì)，確保之后所構(gòu)造的曲面的質(zhì)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(gòu)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(gòu)造曲面片功能構(gòu)建曲面片布局圖；第2步用構(gòu)造格柵命令在曲面片內(nèi)創(chuàng)建1個(gè)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(gè)NURBS曲面。最后合并曲面，最終構(gòu)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面偏差分析，所得偏差色譜圖如圖3所示。偏差分析結(jié)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(biāo)準(zhǔn)偏差0.03 mm。從圖3可看出，除了邊緣位置偏差相對(duì)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(jié)構(gòu)控制參數(shù)

運(yùn)動(dòng)文胸模杯款式如圖4所示，此款運(yùn)動(dòng)文胸模杯為一片式模杯，在面積上覆蓋了整個(gè)運(yùn)動(dòng)文胸除肩帶以外的前半部分，有關(guān)此款運(yùn)動(dòng)文胸模杯造型的結(jié)構(gòu)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(cè)中縫位置)、前中長(確定領(lǐng)口最低點(diǎn)位置，領(lǐng)口不宜過低)、杯高(確定模杯整體高度，與運(yùn)動(dòng)文胸減震功能相關(guān)，杯高過小，模杯不能完全包裹乳房，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)文胸不能達(dá)到減震的目的)、側(cè)高(確定模杯體側(cè)面高度)。文胸模杯結(jié)構(gòu)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)值分別為：下圍線長35 cm；前中長11.5 cm，杯高19 cm，側(cè)高6 cm。

圖4 運(yùn)動(dòng)文胸模杯款式Fig.4 Cup style of sports bra

2.2.2模杯內(nèi)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(tái)曲面上創(chuàng)建輪廓線，截取人臺(tái)NURBS曲面作為模杯內(nèi)表面的曲面。把.iges格式的文件導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件，把曲面的位置擺正，調(diào)整視圖到俯視圖。

模杯底圍線是創(chuàng)建模杯輪廓線的基礎(chǔ)，為了確定底圍線的水平位置，過BP點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)以X軸為法向的基準(zhǔn)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(diǎn)A是BP點(diǎn)以下的曲線的曲率峰值點(diǎn)，該曲線的曲率峰值點(diǎn)反映的是乳房過渡到軀干的臨界點(diǎn)，以點(diǎn)A的位置為模杯底圍線的水平位置。過點(diǎn)A創(chuàng)建一個(gè)以Y軸為法向的基準(zhǔn)平面b，求得平面b與曲面相交的曲線，以中點(diǎn)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(gè)以X軸為法向的c基準(zhǔn)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(diǎn)處向上截取12.5 cm為模杯的前中心線，由下端向上1 cm標(biāo)記點(diǎn)。在距離底圍平面b向上19 cm處創(chuàng)建基準(zhǔn)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(diǎn)位置向左右截取9 cm，截得的曲線端點(diǎn)作為罩杯耳仔的上端點(diǎn)，在該端點(diǎn)處創(chuàng)建一個(gè)與水平面向下傾斜10°的基準(zhǔn)平面，求其與曲面的交線，并從交點(diǎn)處向外截取2.5 cm為模杯耳仔的寬度。在底圍線的端點(diǎn)創(chuàng)建垂直于路徑的基準(zhǔn)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(cè)縫線。在曲面上連接各個(gè)相關(guān)點(diǎn)并進(jìn)行調(diào)整后形成模杯內(nèi)表面的外輪廓線。創(chuàng)建模杯外輪廓線過程中所需的各個(gè)基準(zhǔn)平面、輔助線及模杯外輪廓線如圖6所示。

圖6 模杯內(nèi)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(yùn)用UG修剪曲面的功能截取輪廓線以內(nèi)的曲面，得到模杯內(nèi)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(nèi)表面的曲面Fig.7 Surface of cup inner surface

2.3 模杯實(shí)體模型創(chuàng)建

模杯是三維實(shí)體，具有一定的厚度，由于運(yùn)動(dòng)文胸需要良好的透氣性，模杯厚度一般相對(duì)較小。截取模杯的內(nèi)表面曲面后，在內(nèi)表面曲面的基礎(chǔ)上向外加厚2 mm，得到運(yùn)動(dòng)文胸模杯的整體模型，如圖8所示。三維運(yùn)動(dòng)文胸模杯的整體建模完成。

圖8 運(yùn)動(dòng)文胸模杯模型Fig.8 Cup model of sports bra

3 3D打印運(yùn)動(dòng)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(zhì)是海綿，企業(yè)常用的海綿材質(zhì)有三明治材質(zhì)、立綿材質(zhì)、普通海綿材質(zhì)[9]，受目前3D打印材料的限制，還不能打印海綿材質(zhì)，有待于后續(xù)3D打印材料的相關(guān)研發(fā)。

3D打印技術(shù)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(jié)(SLS)、聚合物噴射(PolyJet)等。目前已可打印柔性材質(zhì)的模型，本文沒有采用柔性材料，使用了SLA型3D打印機(jī)，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(yīng)波長的紫外光照射下固化。

對(duì)模型進(jìn)行3D打印前，需要完成相關(guān)的前期準(zhǔn)備工作，主要有以下2步：運(yùn)用amber 3D軟件對(duì)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(tái)中后，保存文件格式為.atl；之后對(duì)已布局好的模型進(jìn)行切片，把模型分為無數(shù)個(gè)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(jī)進(jìn)行打印。3D打印運(yùn)動(dòng)文胸模杯成品如圖9所示。

圖9 3D打印運(yùn)動(dòng)文胸模杯Fig.9 3-D Printed sports bra cup

4 誤差分析

在制作3D打印運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)文胸模杯與掃描人體不會(huì)達(dá)到完全貼合，誤差來源主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差、曲面重構(gòu)誤差、3D打印誤差等。

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差

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

就三維掃描儀自身而言，其在進(jìn)行激光掃描時(shí)發(fā)出的激光光斑大小、儀器的穩(wěn)定性、設(shè)備校準(zhǔn)定位情況等都直接影響掃描精度。同時(shí)，有限的掃描角度、被測(cè)物自身某些部位遮擋等使激光無法到達(dá)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(cè)物體的反光性。通常情況下，掃描在暗室進(jìn)行，外界光線會(huì)對(duì)掃描儀發(fā)出的激光造成干擾。反光性不佳或太強(qiáng)的物體表面都需涂顯像劑[10]。

4.2 曲面重構(gòu)誤差

曲面重構(gòu)誤差主要源于對(duì)原始點(diǎn)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(shí)現(xiàn)曲面擬合。在對(duì)多邊形進(jìn)行松弛等處理時(shí)將造成與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差。

4.3 3D打印誤差

3D打印技術(shù)的誤差主要來自于三維模型的切片處理，切片處理會(huì)造成模型的層與層之間的過渡信息丟失，導(dǎo)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(shí)間會(huì)隨之增加。

5 結(jié)束語

本文探討的3D打印運(yùn)動(dòng)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(hào)型模杯效率較低，但在制作個(gè)性化定制模杯方面擁有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(guān)建模軟件，模杯可呈現(xiàn)鏤空等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠很大程度上滿足運(yùn)動(dòng)文胸對(duì)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(qiáng)人意，有待于3D打印材料的進(jìn)一步發(fā)展。

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