譚永明，袁世鵬，周敬勇，樓上游

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266237；3.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 238000）

1 引言

傳統(tǒng)動(dòng)物標(biāo)本一直以來(lái)都是博物館、動(dòng)物收藏家和學(xué)?？破战虒W(xué)的熱衷產(chǎn)品[1]，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技和教育行業(yè)的發(fā)展，動(dòng)物標(biāo)本市場(chǎng)也日趨壯大，但動(dòng)物標(biāo)本的制造需要借助動(dòng)物尸體，并添加防腐藥劑對(duì)尸體進(jìn)行防腐處理[2]。這樣，一方面，增加了不法分子盜獵的行為。另一方面，防腐劑中的毒性成分也會(huì)對(duì)樣本制造者和收藏者造成身體傷害。近年來(lái)，國(guó)家加大了對(duì)野生動(dòng)物的保護(hù)和動(dòng)物標(biāo)本的管控力度，全國(guó)人大常委會(huì)于2020年2月24日通過(guò)《關(guān)于全面禁止非法野生動(dòng)物交易、革除濫食野生動(dòng)物陋習(xí)、切實(shí)保障人民群眾生命健康安全的決定》，對(duì)國(guó)家保護(hù)的野生動(dòng)物標(biāo)本追蹤溯源，切斷了非法獲取動(dòng)物尸體的途徑。另外，也加大了動(dòng)物標(biāo)本的環(huán)保指標(biāo)要求，這也促生了新型環(huán)保防腐藥劑的研發(fā)[3]，但一種穩(wěn)定又具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力新型藥劑的研制不能一蹴而就，需要經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。動(dòng)物標(biāo)本的供需矛盾，促進(jìn)了新技術(shù)對(duì)動(dòng)物仿生產(chǎn)品的應(yīng)用和發(fā)展。

3D掃描數(shù)字技術(shù)、數(shù)字模塊化建庫(kù)和3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，讓動(dòng)物標(biāo)本制造者有了更多的嘗試，尤其是動(dòng)物組織器官打印技術(shù)的研究[4～6]，逐漸走向成熟。3D樣本具有維護(hù)方便、環(huán)保、可復(fù)制強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為標(biāo)本制造的發(fā)展方向[7～8]，但現(xiàn)階段的3D打印設(shè)備對(duì)打印材料有一定局限性，導(dǎo)致直接通過(guò)3D打印的標(biāo)本與需求還存在很大的差距。

三維數(shù)字化技術(shù)動(dòng)物仿生產(chǎn)品基于3D掃描技術(shù)、數(shù)字化建模及數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、3D打印快速制模技術(shù)和仿生新材料技術(shù)為一體的新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造技術(shù)。該方法克服了當(dāng)前3D打印技術(shù)受打印材料限制的弊端，借助快速成型法制造模具，并通過(guò)模具成型實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，降低了產(chǎn)品成本，為動(dòng)物仿生產(chǎn)品的研制推廣提供了很好的途徑。

2 三維數(shù)字化技術(shù)動(dòng)物仿生產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)流程

動(dòng)物仿生產(chǎn)品質(zhì)量提升的關(guān)鍵在于產(chǎn)品仿真性，實(shí)現(xiàn)全流程全部采用數(shù)字化技術(shù)是提高仿真性的最佳途徑。首先，使用手持跟蹤式三維激光掃描儀對(duì)選定的野生動(dòng)物樣品進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)掃描，獲取的原始數(shù)字模型通過(guò)專用軟件對(duì)掃描型面遺漏細(xì)節(jié)修復(fù)，修復(fù)后的數(shù)字模型按照需求制作標(biāo)準(zhǔn)化模塊并入庫(kù)儲(chǔ)存，對(duì)需求標(biāo)準(zhǔn)化模塊進(jìn)行數(shù)字化模具建模，然后，使用3D打印機(jī)完成模具制造，最后，采用仿生產(chǎn)品所需的特制材料完成模具成型，制造出最終的仿生產(chǎn)品。其實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字化技術(shù)動(dòng)物仿生產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)流程

3 三維數(shù)字化技術(shù)動(dòng)物仿生產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)

3.1 動(dòng)物信息3D掃描技術(shù)

目前，動(dòng)物仿生產(chǎn)品主要分為動(dòng)物器官和動(dòng)物仿真產(chǎn)品，如圖2和圖3所示。因?yàn)樾螤顝?fù)雜，通過(guò)測(cè)繪手段無(wú)法保證獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，借助3D激光掃描獲取外形數(shù)據(jù)，自動(dòng)建模，并可以使用跟蹤技術(shù)對(duì)局部重要部位重復(fù)掃描修正，其方法便捷，數(shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確。掃描數(shù)據(jù)以理論坐標(biāo)數(shù)字形式進(jìn)行記錄，修復(fù)時(shí)可以自動(dòng)校正數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)疊加，保證了獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 海豚骨骼的3D掃描

圖3 海豚的3D掃描

3.2 原始數(shù)字模型及修復(fù)技術(shù)

3D激光掃描儀通過(guò)激光對(duì)掃描對(duì)象外形掃描，并以數(shù)字點(diǎn)陣的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取及儲(chǔ)存，大面掃描效率高且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但對(duì)動(dòng)物身上一些精細(xì)處無(wú)法掃描的盲區(qū)會(huì)出現(xiàn)空白數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致掃描型面出現(xiàn)缺失，結(jié)構(gòu)面不完整，需要通過(guò)專用軟件進(jìn)行片體補(bǔ)面，并對(duì)掃描采集的干擾點(diǎn)進(jìn)行去除，以保證掃描模型的完整性。修復(fù)前后的模型如圖4所示。

圖4 原始數(shù)字模型及修復(fù)后數(shù)字模型

修復(fù)后的數(shù)字模型本身可以作為一個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品，其不僅僅可以用作數(shù)字產(chǎn)品對(duì)外展示，如三維動(dòng)畫(huà)影視素材，數(shù)字展館中的產(chǎn)品等。因?yàn)閿?shù)字模型的全實(shí)物仿真性，數(shù)字模型還可以為動(dòng)物醫(yī)療和生物教學(xué)研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 數(shù)字模型模塊化及建庫(kù)技術(shù)

科普研究對(duì)數(shù)字化動(dòng)物產(chǎn)品要求極高，動(dòng)物整體的外形尺寸只是其需求的必要參數(shù)之一，動(dòng)物不同器官建立的數(shù)字化模型庫(kù)是對(duì)數(shù)字化動(dòng)物產(chǎn)品更深層次的要求。數(shù)模庫(kù)可以為不同分類動(dòng)物、不同年齡段和不同器官的數(shù)模進(jìn)行分類存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)調(diào)取，更為簡(jiǎn)單有效的獲得所需動(dòng)物詳細(xì)信息，其數(shù)據(jù)庫(kù)的建立也是一個(gè)繁重而有意義的工作。動(dòng)物數(shù)字模型模塊化及數(shù)模庫(kù)如圖5和圖6所示。

圖5 動(dòng)物數(shù)字模型模塊化

圖6 海洋生物數(shù)模庫(kù)

3.4 3D打印模具模型設(shè)計(jì)及制造

近5年來(lái)，我國(guó)3D打印行業(yè)迅速崛起，年增長(zhǎng)率始終保持25%以上的增速。2016年規(guī)模以上增材制造企業(yè)總產(chǎn)值為20.3億元，同比增長(zhǎng)87.5%；2017年上半年總產(chǎn)值為11.6億元，同比增長(zhǎng)超五成[9～11]。目前，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)尚存在的問(wèn)題和短板有[12]：關(guān)鍵技術(shù)滯后、創(chuàng)新能力不足、專用材料性能亟需提高、高端裝備及零部件質(zhì)量可靠性有待提升、應(yīng)用廣度深度有待提高等。3D打印雖然在航天和國(guó)防、醫(yī)療設(shè)備、工藝品業(yè)、陶瓷業(yè)、建筑產(chǎn)業(yè)、考古行業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、汽車制造業(yè)、配件以及飾品等多行業(yè)都得到快速推廣，但并不是所有材料都適合3D打印，從而限制了產(chǎn)品的制造空間，3D打印技術(shù)在文旅方面也發(fā)展較慢，尤其是生物3D打印技術(shù)方面，至今沒(méi)有突破性進(jìn)展。

三維數(shù)字化技術(shù)動(dòng)物仿生產(chǎn)品選用有“人工肌肉”之稱的水凝膠作為產(chǎn)品的制造材料，水凝膠有流動(dòng)性強(qiáng)、彈性大和抗疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)，最主要一點(diǎn)是它更符合動(dòng)物肌肉的組成，最適合仿生動(dòng)物的制造材料。目前，受到技術(shù)手段的限制，不能通過(guò)3D打印直接完成仿生產(chǎn)品的制造，但可以借助模具注射成型的方法來(lái)形成產(chǎn)品。

傳統(tǒng)模具主要應(yīng)用于金屬、塑料和橡膠等產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)[13～14]，通常使用模具鋼作為模具制造材料，該材料具有耐高溫和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，通過(guò)機(jī)械切削完成模具部件的加工制造，模具既可以承受高溫，又具有高的強(qiáng)度及耐磨性。水凝膠成型是一種物理化學(xué)的凝合，成型過(guò)程不存在熱量變化，而且，仿生動(dòng)物外形不規(guī)則性強(qiáng)，型面窄小且起伏度大，導(dǎo)致依靠機(jī)械加工的傳統(tǒng)模具，無(wú)法適用于仿生動(dòng)物產(chǎn)品的模具要求。

3D打印技術(shù)在水凝膠制品模具制造方面具有一定優(yōu)勢(shì)。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)：①可以避免傳統(tǒng)機(jī)加工模具的切削清根問(wèn)題，加工后外形真實(shí)性更高，在復(fù)雜外形的仿生產(chǎn)品制造方面更具優(yōu)勢(shì)；②可以實(shí)現(xiàn)殼體（3～5mm厚度）打印，最大限度的降低模具的用料和加工成本，并且可以減輕模具重量，提高材料利用率；③通過(guò)3D打印快速成型的方法可以大幅度縮短模具的加工周期，提高加工效率。三維數(shù)字化技術(shù)動(dòng)物仿生產(chǎn)品3D打印模型及成型模具如圖7和圖8所示。

圖7 海豚尾巴3D打印模型

圖8 加工完成后的模具

3.5 動(dòng)物仿生產(chǎn)品的制造

動(dòng)物仿生產(chǎn)品成型類似于橡膠件的注射成型技術(shù)，不同處在于材料不需要加熱冷卻，產(chǎn)品成型后的變形系數(shù)也更低。將試劑混合的超高強(qiáng)度水凝膠注入加工好的模具中，保持24h膠體固化，開(kāi)模取出毛坯制件，對(duì)制件去除飛邊和后期上色等精細(xì)化處理。成型后的產(chǎn)品毛坯件如圖9所示。

圖9 海豚尾巴成型毛坯件

3.6 動(dòng)物仿生產(chǎn)品的保存

用水凝膠制造完成的動(dòng)物仿生產(chǎn)品暴露在空氣中，長(zhǎng)期接受陽(yáng)光照射會(huì)出現(xiàn)表皮硬化和開(kāi)裂。其保存方式也比較簡(jiǎn)單，在產(chǎn)品保存時(shí)，放置在裝滿清水的容器中，可以確保材料性能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。如圖10所示。

圖10 水凝膠產(chǎn)品的保存及維護(hù)

4 模具制造方式對(duì)比分析

通過(guò)傳統(tǒng)橡膠件注塑成型模具和3D打印模具的對(duì)比分析，獲取動(dòng)物仿生產(chǎn)品模具選型的優(yōu)勢(shì)。動(dòng)物仿生產(chǎn)品具有類型多、形狀復(fù)雜、產(chǎn)品需求數(shù)量少和成型要求高等特點(diǎn)，所以，在選擇模具制造方式方面，更傾向于制造快捷、成本低、模具使用壽命要求不高和形狀制造貼合度高等要求。海豚尾巴兩種加工方式模具的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 海豚尾巴兩種加工方式模具的對(duì)比數(shù)據(jù)

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出3D打印海豚尾巴模具除了在使用壽命上占據(jù)劣勢(shì)外，其余方面都保持了絕對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其是加工周期方面。通過(guò)3D打印方式，模具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，組成部件少，加工更高效。由于文旅產(chǎn)品具有產(chǎn)品種類多樣，且產(chǎn)品市場(chǎng)面小等特點(diǎn)，2萬(wàn)套的使用壽命完全可以滿足絕大多數(shù)文旅產(chǎn)品的需求，所以，動(dòng)物仿生產(chǎn)品采用3D打印模具方式最為合適。

5 總結(jié)

隨著科技發(fā)展和進(jìn)步，中國(guó)在新材料、新技術(shù)和新工藝方面都得到跨越式發(fā)展，這也給中國(guó)模具產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了更多的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)行業(yè)需要根據(jù)前沿產(chǎn)品的需求，不斷革新以適應(yīng)新產(chǎn)品的推進(jìn)步伐。新型動(dòng)物仿生產(chǎn)品作為國(guó)內(nèi)新興文旅市場(chǎng)的發(fā)展方向，具有環(huán)保、高仿真和快捷制造維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，受到市場(chǎng)的青睞。其制造材料和加工方式相對(duì)傳統(tǒng)文旅制品更加苛刻，經(jīng)過(guò)探索和市場(chǎng)驗(yàn)證，三維數(shù)字化技術(shù)的動(dòng)物仿生產(chǎn)品和3D打印模具的應(yīng)用，很好的解決了新型動(dòng)物仿生產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的“瓶頸”，為提升其在產(chǎn)品市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)力提供了合理解決方案。