金光耀　薛來震　尹德彩

摘要 利用數(shù)字化三維立體掃描和構(gòu)圖技術(shù)，研究了5種檢疫性昆蟲標本的3D模型打印方法。以5種昆蟲三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過比較模型與昆蟲實物的整體以及細微結(jié)構(gòu)特征的擬合度，篩選優(yōu)化出昆蟲3D 打印最佳方案和最優(yōu)著色方法。結(jié)果表明應用光敏樹脂3D 打印技術(shù)打印的標本模型與標本實體細節(jié)特征擬合度較高，并在此基礎(chǔ)上研究得出了適用于昆蟲的最佳打印流程，該打印方法具有易學、簡便、高效、仿真度高等優(yōu)點，為研究昆蟲高仿度非實物標本的制作工藝提供了有益的探索。

關(guān)鍵詞 檢疫性昆蟲;標本;3D打印;模型構(gòu)建

中圖分類號 Q95-34文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2020）11-0145-08

Abstract The 3D model printing method of insect specimens was studied by using digital 3D scanning and 3D composition technology. Based on the 3D digital models of 5 kinds of insects， the best 3D printing scheme and the best coloring method of insects were selected and optimized by comparing the degree of fitting between the models and insects as well as the fine structural features. ?The results showed that the specimen model printed by the photosensitive resin 3D printing technology had a higher degree of fitting with the specimen physical feature. On this basis，the best printing method for insects was gotten. The printing method had the advantages of being easy to learn， simple， efficient， and high in simulation. It provided a useful exploration for the study of the production process of insect highsimulation physical specimens.

Key words Quarantine insect;Specimens;3D printing;Model construction

作者簡介 金光耀（1981—），男，江蘇常熟人，高級農(nóng)藝師，碩士，從事進出境植物檢疫研究。

收稿日期 2019-09-25

昆蟲是動物界最大的一個類群，全世界已知100多萬種。而昆蟲標本則是確定昆蟲種類的重要依據(jù)，也可作為植物檢疫、科研、教學、害蟲防治、益蟲利用以及科技知識普及宣傳的重要參考。形態(tài)學鑒定是昆蟲物種鑒定的一種傳統(tǒng)檢測方法，也是進出境檢疫機構(gòu)最主要的技術(shù)執(zhí)法手段。標本是昆蟲物種鑒定中不可或缺的重要參考標準，然而要想得到大量完整而珍貴的標本，必須先通過口岸截獲或者監(jiān)測采集直接獲得原始蟲體，再通過標本制作形成最終的標本，一個成品標本需要花費大量的時間和精力，且由于昆蟲標本以及制作工藝的先天缺陷，實物標本若長期受溫度、濕度、蟲害等不利環(huán)境因素的影響，容易造成標本的破損、腐爛，尤其對一些重要稀缺標本的破壞會造成物種鑒定的嚴重偏差;此外，昆蟲標本也是對外展示、科普教育的重要媒介，但目前由于國內(nèi)各大農(nóng)林院校、檢疫類實驗室都普遍缺乏較為齊全的昆蟲標本庫，且難以做到共享共用，因此，對于科研科普工作而言，對昆蟲標本的需求度相當迫切。3D打印技術(shù)始于20世紀80年代，目前該技術(shù)已經(jīng)相當成熟，廣泛應用于醫(yī)療、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。研究運用最新3D打印技術(shù)來實現(xiàn)昆蟲標本的復制，特別是對昆蟲主要鑒定特征和細微結(jié)構(gòu)特征的重現(xiàn)，對于解決我國相關(guān)執(zhí)法部門、科研院所目前面臨的昆蟲標本種類不全、保存困難、數(shù)量稀缺等實際問題均具有重要價值。同時，3D打印標本還具有可重復、可共享、個性化和靈活性等優(yōu)勢，可用于院校教學、科普展示以及普法宣傳等領(lǐng)域。目前外國有通過應用3D打印技術(shù)來實現(xiàn)昆蟲標本模型構(gòu)建的實例[3-7]，澳大利亞的研究者采用3D打印機制作出了放大版的昆蟲標本，澳大利亞的昆蟲種類很多，如長達約50 cm的泰坦竹節(jié)蟲，以及微小的昆蟲，為了能將這些微小的昆蟲打印出來，研究者利用3D打印技術(shù)，制作出了放大多倍的3D副本。美國研究者打印的 Ephemera danica，含觸角長135 cm，體寬40 cm，打印9個部件組成。但在國內(nèi)尚未見報道，筆者利用數(shù)字化三維立體掃描和構(gòu)圖技術(shù)，研究了5種檢疫性昆蟲標本的3D模型打印方法。

1 材料與方法

1.1 昆蟲實物標本

目前，因打印精度和材料的限制，只能滿足結(jié)構(gòu)稍簡單的鞘翅目昆蟲，蛾類、蝶類、蜻蜓類等具有較大翅脈結(jié)構(gòu)的昆蟲，翅的薄度、膜翅的翅脈、蟲體剛毛等結(jié)構(gòu)打印難度較大且易破碎，故先行選擇該5種科普意義和價值較高的鞘翅類檢疫性昆蟲。根據(jù)昆蟲體型的大小不同，選擇我國進境植物檢疫工作中截獲的5種常見檢疫性有害昆蟲，分別為黑脂大小蠹Dendroctonus terbrans（小型昆蟲）、云杉八齒小蠹Ips typographus（小型昆蟲）、馬鈴薯甲蟲Leptinotarsa decemliniata（中型昆蟲）、雙鉤異翅長蠹Heterobostrychus aequalis（中型昆蟲）、橙斑白條天牛Batocera davidis（大型昆蟲）（表1）。

1.2 三維模型構(gòu)圖軟件

三維模型是指通過繪圖軟件對多角度圖片信息合成或直接利用高精度掃描儀掃描實物三維信息合成的模型[8-11]。根據(jù)建模方式可以分為繪圖建模和結(jié)合建模。繪圖建模是指利用三維建模軟件，參照目標物長寬高比例等參數(shù)，人工構(gòu)建三維模型，它區(qū)別于將多角度拍攝的照片直接合成的圖像。繪圖模型可以應用于三維模型打印，而多角度合成的圖像只能多角度觀察而無法3D打印。繪圖建模突出優(yōu)點是昆蟲細節(jié)結(jié)構(gòu)表達清晰。其缺點是對建模人員要求高，對人員技術(shù)水平、經(jīng)驗等要求高，且速度慢。3D制圖軟件有許多種，如3Dsmax、rhino、cinema 4D、zbrush、poser、silo&modo、maya、Softimage XSI 5.01、3D機械繪圖軟件-VariCAD，模具3D軟件Pro/E、UG、AutoCAD等，3DSMAX廣泛應用于建筑，而Pro/E、UG應用于模具制造的3D圖中，在昆蟲模型構(gòu)建中軟件ZBRUSH具有利用數(shù)字化筆刷及雕刻刀，對三維掃描數(shù)據(jù)進行二次編輯，雕刻修復等全面的功能，易于學習操作，非專業(yè)人員亦可操作的優(yōu)點。結(jié)合方式建模是指結(jié)合掃描儀收集基礎(chǔ)三維信息數(shù)據(jù)和人工三維繪圖軟件切削、填充、拉伸調(diào)整，共同完成完善三維模型的過程，該試驗利用結(jié)合方式建模已構(gòu)建了該5種檢疫性昆蟲的3D模型，并以該批模型進行3D打印方法的研究。

1.3 三維打印機篩選

SLA技術(shù)即立體光固化成型技術(shù)，是用激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線、由線到面順序凝固，周而復始，這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體[12-13]。優(yōu)點是由CAD數(shù)字模型直接制成原型，加工速度快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，無需切削工具與模具。可以加工結(jié)構(gòu)外形復雜或使用傳統(tǒng)手段難以成型的原型和模具，使CAD數(shù)字模型直觀化，降低錯誤修復的成本?？陕?lián)機操作，可遠程控制，利于生產(chǎn)的自動化。缺點是成型件多為樹脂類，強度、剛度、耐熱性有限，不利于長時間保存。SLA系統(tǒng)是要對液體進行操作的精密設(shè)備，對工作環(huán)境要求苛刻。預處理軟件與驅(qū)動軟件運算量大，與加工效果關(guān)聯(lián)性太高。軟件系統(tǒng)操作復雜，入門困難;使用的文件格式不為廣大設(shè)計人員熟悉。

SLS技術(shù)即選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，是采用鋪粉輥將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進行燒結(jié)，并與下面已成型的部分實現(xiàn)黏結(jié)。當一層截面燒結(jié)完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個模型[14-15]。優(yōu)點是可采用多種材料、制造工藝比較簡單、無需支撐結(jié)構(gòu)、材料利用率高、生產(chǎn)周期短等，缺點是表面粗糙、精度不足、不環(huán)保等。

FDM技術(shù)即熔融沉積成型技術(shù)，是一種不依靠激光作為成型能源，而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進而堆積成型的方法[16-17]。優(yōu)點是工藝干凈、操作簡單、環(huán)保、原材料費用低等，缺點是精度較低、強度小、成形速度相對較慢等。

SLM技術(shù)即選擇性激光熔化技術(shù)，是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)[18]。為了完全熔化金屬粉末，要求激光能量密度超過106 W/cm2。目前用SLM技術(shù)的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纖激光器。這些激光器產(chǎn)生的激光波長分別為1 064、10 640、1 090 nm。金屬粉末對1 064 nm等較短波長激光的吸收率比較高，而對10 640 nm等較長波長激光的吸收率較低。因此在成型金屬零件過程中具有較短波長激光器的激光能量利用率高，但采用較長波長的Co2激光器，其激光能量利用率低。在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經(jīng)散熱冷卻后可實現(xiàn)與固體金屬冶金焊合成型。SLM技術(shù)正是通過此過程，層層累積成型出三維實體的快速成型技術(shù)。SLM優(yōu)勢在于在加工過程中用激光使粉體完全熔化，不需要黏結(jié)劑，成型的精度和力學性能都比SLS好。但SLM打印材料需在高溫液態(tài)下凝固成型，尺寸收縮、結(jié)晶晶粒粗大及內(nèi)應力等問題（表2）。

常見3D打印材料包括塑料類、金屬材料類、樹脂材料類、混合粉末類等[19-21]。光敏樹脂材料是一種嶄新的材料，與一般固化材料比較，具有固化快、無需加熱、無需配制等優(yōu)點，但該類樹脂在固化過程中都會發(fā)生收縮、性脆易斷裂、不耐高溫等缺點。薄材具有抗?jié)裥?、浸潤性、足夠抗拉強度、較小收縮率等優(yōu)點，但從廢料中將3D 打印件進行剝離難度大，打印件表面粗糙不光滑，帶有明顯的階梯紋且容易出現(xiàn)層裂等。高分子材料（主要包括聚碳酸酯、聚苯砜等）原型材料絲精細且成本較高，沉積效率較低，僅局限于低熔點的材料范圍是該類3D 打印材料的主要缺點。粉末材料是各類粉末，如尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蠟粉、金屬粉（打印后常須進行再燒結(jié)及滲銅處理）、覆裹熱凝樹脂的細沙、覆蠟陶瓷粉和覆蠟金屬粉等。單一金屬燒結(jié)過程中很容易產(chǎn)生“球化”現(xiàn)象，具有不受零件形狀復雜程度限制，無需任何支撐且尺寸精度較高，成型材料廣泛，材料利用率高等優(yōu)點，但其制件力學性能差，表面質(zhì)量差，致密度低且后續(xù)滲銅致密工藝過程復雜，是該類材料的主要缺點（表3）。

1.4 試驗方法

選取5種不同體型大小的檢疫性有害生物作為試驗對象，利用5種檢疫性有害生物的三維模型進行3D打印，將打印的成品模型與實物昆蟲標本進行形態(tài)特征比較，對比SLA、SLS、SLM、FDM 4種打印標本，篩選出一種形態(tài)還原度較高的打印方法和材料。之后，通過對比整體打印和分離打印、不同打印比例以及不同打印模型擺放角度等以獲得最佳打印方法。利用有色樹脂打印、人工手繪、噴繪等方式對昆蟲3D模型進行著色試驗，使模型標本與實物標本的色彩、斑紋等顏色相似度達到最佳效果。試驗流程見圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 3D打印方式篩選

選用光敏樹脂、尼龍、金屬、混合粉末為打印材料，分別采用相應的3D打印技術(shù)同比例打印一個云杉八齒小蠹模型（表4）。SLA打印技術(shù)利用打印機品牌型號為Formlabs，材料為光敏樹脂。SLS打印技術(shù)利用打印機品牌型號EOS760，材料為金屬和塑料粉末。FDM打印技術(shù)利用打印機品牌型號3DDP-P10，材料為線性塑料。SLM打印技術(shù)利用打印機品牌型號3DSLM250，材料為金屬。

打印結(jié)果顯示，SLA打印技術(shù)成型速度較快，表面細微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)度較好。SLS打印技術(shù)打印的成品表面粗糙、精度不足。FDM打印技術(shù)打印的成品表面連接支撐物無法去除，表面粗糙且顆粒感較強，但成型較快。SLM打印技術(shù)打印的成品晶粒粗大、精度不足（圖2～4）。

4種打印模型比較發(fā)現(xiàn)，金屬材質(zhì)具有致密堅固的優(yōu)點，但其支撐部分與打印成品部分很難分離，對成品造成干擾，且成本較高;塑料材質(zhì)有價格低廉的優(yōu)勢，但其細節(jié)呈現(xiàn)度極差，完全無法體現(xiàn)昆蟲體表的凹凸溝點等特征。光敏樹脂具有成本較低、細節(jié)還原度高的特點。但光敏樹脂在打印昆蟲微小結(jié)構(gòu)如足跗節(jié)、觸角等部位時，常因材質(zhì)較脆而導致分離支架的過程破損（圖5），這時可以針對蟲體部分采用質(zhì)地較硬的材質(zhì)進行打印，而昆蟲的足和觸角等細小結(jié)構(gòu)則需要采用韌性材料（即經(jīng)調(diào)制后的光敏樹脂）（圖6）。

速原型制造工藝，利用樹脂的光固化原理通過光軸的移動來實現(xiàn)打印，打印成品尺寸的大小取決于打印設(shè)備的大小。由于打印的是昆蟲標本，因此對設(shè)備體積的要求并不高。在打印過程中，需要研究如何設(shè)置打印參數(shù)才能得到最高的打印效率、最佳的打印效果和最經(jīng)濟的打印成本，因此研究打印模型的縮放比例，打印模型在樹脂槽中擺放位置，打印模型一次性打印數(shù)量，打印模型的整體與分離打印等打印關(guān)鍵環(huán)節(jié)對打印效率、經(jīng)濟型、可行性均有至關(guān)重要的影響。

2.2.1 打印最佳放大比例的確定。

微小昆蟲常小于10 mm，但其3對足、觸角和復眼等特征常為其1/10乃至1/100長度，如橙斑白條天牛觸角末端僅為0.3 mm，黑脂大小蠹觸角梗節(jié)最窄處僅為0.02 mm，如果直接按照1∶1進行3D打印，其觸角、足等結(jié)構(gòu)機器無法打印，致使打印失敗。研究發(fā)現(xiàn)，雙鉤異翅長蠹放大3倍打印時，其足已不足以完整打印，打印的觸角等細小結(jié)構(gòu)極易破損。因此打印過程中要摸索不同昆蟲種類應選取適合的放大比例進行打印，以3D打印機Formlabs為例，打印樣品最細部分（如觸角、足）要達到1.5～2.0 mm才不易折斷，所以打印的體長最小尺寸一般要5 cm。

因此，在確定打印縮放比例時，需要根據(jù)蟲體最小構(gòu)造尺寸和打印機最高精度來確定最優(yōu)放大比例（圖7）。5種昆蟲不同放大比例下打印的結(jié)果見表5。

2.2.2 擺放位置及打印數(shù)量的確定。

當同時打印多個模型時，模型必須無交叉最大限度利用有限的空間位，模型位置交叉則機器無法執(zhí)行打印，這就要求在模型輸入打印機之前，合理構(gòu)建模型支架。如昆蟲體型多為長條形，豎直打印和橫向打印存在巨大差異。體型較長的昆蟲若采用豎直打印則要求樹脂槽必須較深，致使樹脂的量存在極大浪費。但適度傾斜式打印可以增加一次性打印數(shù)量，利于成品與支撐結(jié)構(gòu)的分離，但傾斜式會增加打印層數(shù)，延長打印時間（圖8、9）。

2.2.3 整體及分離打印。

分離打印和整體打印效果不同，

整體打印過程中，足和觸角等結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)常常很難分離，成品和打印機分離過程極可能會有破損發(fā)生，致使打印成功率有所下降。如馬鈴薯甲蟲，可以利用ZBRUSH軟件將蟲體分割成觸角、軀干、六足3個主要部分，然后對3個部分分別進行打印，再進行拼接、黏合，最終形成一個完整的蟲體（圖10、11）。

2.3 3D模型著色

在3D 打印模型成型后，有相當一部分昆蟲需要通過給蟲體表面上色才能獲得最終的顏色特征。3D 打印發(fā)展至今，顏色表征的實現(xiàn)主要有2種途徑：一是成型后再進行著色，主要依靠人工上色;二是打印過程中采用多材料打印，在不同區(qū)域采用不同顏色的材料成型，但受到材料更換及按需打印的技術(shù)限制，最終只能獲得多色樣件，無法實現(xiàn)真彩的顏色梯度。該方法體現(xiàn)于FDM的多噴頭、多色絲材打印。三是基于現(xiàn)代彩色印刷技術(shù)的混色原理，利用基礎(chǔ)顏料：青色（Cyan）、品紅色（Magenta）、黃色（Yellow）、黑色（Black）進行混合以獲得CMYK 顏色空間色域表達。利用2D 印刷技術(shù)，在每層打印的同時或之后進行選區(qū)著色，可以獲得色彩繽紛的成型樣件，這種方法幾乎可以與目前所有的3D 打印方法進行集成，而實現(xiàn)應用仍需要進行大量的研究[22-28]（圖12）。

昆蟲體色大多為黑、灰、褐等，如雙鉤異翅長蠹、黑脂大小蠹蟲體通體純黑，可采用純黑樹脂直接打印即可，部分特征只需在局部進行著色即可。光敏樹脂可以通過三原色染料的不同比例配比出多種顏色樹脂，但目前限于SLA型打印機功能的局限性，只能打印單色模型，但大多數(shù)昆蟲種類常有不規(guī)則色點和色斑，因此，對于這部分昆蟲而言，在打印蟲體時應考慮使用單一淺色樹脂材料，在分離打印完成后再對各部分分別進行人工手繪、噴漆的著色處理，最后進行組裝拼接。

該試驗均根據(jù)標本昆蟲表面的原始顏色特征，采用馬克筆、馬利單色顏料自行調(diào)配出昆蟲體色混合顏料，手工涂色而成。單一體色的昆蟲模型可以直接用調(diào)配好的單色光敏樹脂直接打印，如黑、棕、灰等。多體色昆蟲可以先利用機器打印主體后人工上色（圖13、14）。人工手繪通常先利用有色樹脂（樹脂中調(diào)配顏料）打印蟲體主色，而單色樹脂（透明樹脂）、白色樹脂、黑色樹脂可以作為底色打印，如馬鈴薯甲蟲和橙斑白條天牛，采用先機器打印主色，后期人工上色，在著色試驗過程中，將打印好的半成品蟲體分別交給專業(yè)美術(shù)人員和零美術(shù)人員進行著色試驗，結(jié)果表明，體色較為均勻且不復雜的昆蟲對上色人員的美術(shù)技術(shù)功底要求并不高，反之，如果體色變化較為復雜（如體色為金屬色或漸變色）則還是需要較高的美術(shù)功底。

3 結(jié)論與討論

隨著科技的發(fā)展，3D 打印技術(shù)逐漸走進人們的日常生活。3D打印的核心成型理念是將物體先離散再堆積的制造過程。整個過程中，最關(guān)鍵的步驟是模型構(gòu)建、選取打印技術(shù)、選取打印材料、模型著色等環(huán)節(jié)[29-30]。

3D打印技術(shù)領(lǐng)域應用到昆蟲學鑒定、學術(shù)科普具有極強的現(xiàn)實意義。該研究以此為目標，研究昆蟲3D 打印技術(shù)、打印材料、上色著色等過程的融合方法，為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)支持[31-32]。

該試驗主要采用5種昆蟲作為打印模型，通過實物標本與打印成品進行形態(tài)學比對，對4種打印技術(shù)[激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、立體光固化成型技術(shù)（SLA）、選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）]、4種3D打印材料（塑料類、樹脂類、金屬類、混合粉末類），2種昆蟲3D模型著色方式進行綜合篩選。綜合多項試驗結(jié)果，對昆蟲3D模型打印各個環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化選擇，篩選出了最佳的昆蟲3D模型打印方案。通過篩選發(fā)現(xiàn)光固化（SLA）打印技術(shù)可以較好地還原出昆蟲基本特征且細微特征還原度較高。光敏樹脂具有成本較低、細節(jié)還原度高、質(zhì)地柔韌度可調(diào)節(jié)等特點，可以較好地應用于昆蟲3D模型打印。在打印時，應選擇昆蟲主干與肢體相分離的打印方式，打印設(shè)置中需依據(jù)昆蟲原始尺寸確定最佳打印放大比例，打印蟲體體長應不小于5 cm。此外，在相同打印個數(shù)的情況下，蟲體在打印機平臺上的空間擺放位置不同，打印層數(shù)與空間Y軸高度呈正相關(guān)關(guān)系，打印時效和所需耗材量均受到不同影響，層數(shù)越多，耗時、耗材越大。模型目前還無法實現(xiàn)彩色3D打印，采用人工著色方法，通過將專業(yè)美工人員與非專業(yè)人員進行對比，結(jié)果表明，在昆蟲體色單一且斑紋簡單的情況下，兩者無顯著差異。

將此次研究成果同蘇州海關(guān)、太倉海關(guān)、南通海關(guān)3個隸屬海關(guān)進行了科技共享，豐富了他們的標本種類和圖像數(shù)據(jù)保存形態(tài)，同時利用打印好的3D昆蟲模型標本開展了國門生物安全進校園、實驗室開放日等科普活動，獲得了廣大中小學生和社會大眾的認可和贊賞，體現(xiàn)了較強的科普價值，該研究為3D打印技術(shù)在昆蟲學方面的應用提供技術(shù)支持。

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