摘要：數(shù)字雕刻結(jié)合3D打印技術(shù)正在改變手辦玩具制作行業(yè)。如孩之寶公司國際一線玩具設(shè)計(jì)師將ZBrush數(shù)字雕刻及3D打印技術(shù)作為手辦玩具設(shè)計(jì)的重要解決方案。這樣的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)值得國內(nèi)的相關(guān)行業(yè)以及專業(yè)教學(xué)采納或借鑒。本文列舉了3D打印技術(shù)在玩具行業(yè)中的應(yīng)用案例并且重點(diǎn)剖析了ZBrush數(shù)字雕刻在手辦制作中的一些技術(shù)難點(diǎn)。希望能為從事手辦制作的相關(guān)人士提供技術(shù)借鑒或參考。

關(guān)鍵詞：手辦玩具;ZBrush數(shù)字打印機(jī)技術(shù);3D打印;關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

根據(jù)智研咨詢發(fā)布的《2018—2024年中國玩具行業(yè)市場深度調(diào)研及投資前景分析報告》指出我國是玩具出口大國，全球約75%的玩具在中國生產(chǎn)，隨著二胎政策的實(shí)施未來中國有著巨大的玩具內(nèi)需市場。手辦作為玩具的高端消費(fèi)市場，據(jù)報道日本一家40多人的手辦公司年?duì)I業(yè)額可達(dá)約4 000萬元。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，手辦在國內(nèi)的前景廣闊，待市場成熟后，將是一個百億規(guī)模的市場藍(lán)海。

一、3D打印技正在改變玩具制造業(yè)

以著名的孩之寶玩具公司為例，早期工廠的生產(chǎn)線大多采用的是壓制成形設(shè)備。大部分模具通過注入材料壓制成型。壓制部件的基本原理簡單高效，缺點(diǎn)但是咬邊的處理僵硬，ABS零件會鎖在模具中或在彈出時撕裂。較軟的塑料，如PVS，如果咬邊空間不足夠小，可能會從模具中彎曲出來。這決定了有些造型的玩具是很被難生產(chǎn)的。

而且需要針對不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的壓制部件，這個導(dǎo)致生產(chǎn)一個玩具的流水線需要大量的模具設(shè)備，同時需要更換模具產(chǎn)生的成本就更為高昂。例如孩之寶玩具公司更換一個金屬壓制模具需要花費(fèi)1萬美元的成本，且時常生銹磨損需要不斷更換。而如果結(jié)構(gòu)復(fù)雜關(guān)節(jié)零碎的玩具，則需要龐大的模具庫，大大增加制作成本。而目前個性化的專屬玩具需求不斷增加。面臨的矛盾是玩具公司不可能為個人需求建立生產(chǎn)線。在3D打印技術(shù)日益熟后的時代我們可以借助3D打印技術(shù)打造個性化的玩具模型。

所謂3D打印就是在平面打印基礎(chǔ)上，逐層堆疊材料，成為三維中的實(shí)體。原來的工業(yè)社會用的生產(chǎn)制造方式為減材制造，就是把材料一點(diǎn)點(diǎn)的減下去，就是把原材料中我們不需要的部分摳除掉，減材制造的工業(yè)母機(jī)就是機(jī)床。基本的工作方式就是折彎、切削、鉆孔、磨，再通過組合形成最終的工業(yè)品。3D打印的原理與之相反，使用的是增材制造的原理，從零開始一點(diǎn)點(diǎn)堆出實(shí)體。高精度的專業(yè)3D打印機(jī)面對結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的模型也是可以輕松應(yīng)對，對于上面提到壓制成型中出現(xiàn)的問題可以在3D打印中得到較好解決。節(jié)省成本也是3D打印的一大優(yōu)點(diǎn)，由密歇根科技大學(xué)材料科學(xué)與電氣工程系教授Joshua Pearce領(lǐng)導(dǎo)的該研究小組經(jīng)過研究認(rèn)為：3D打印機(jī)到最多為消費(fèi)者節(jié)省90%的費(fèi)用。3D打印機(jī)的普及讓生產(chǎn)變得簡單會有越來越多的設(shè)計(jì)師和愛好者使用自家的3D打印機(jī)制作個性化的玩具。無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的模具且節(jié)省成本的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)師可將更多的精力放到創(chuàng)意設(shè)計(jì)本身。

二、工業(yè)造型軟件不適用于手辦開發(fā)制作

玩具造型設(shè)計(jì)的解決方案主要兩種即工業(yè)造型軟件和數(shù)字雕刻技術(shù)。簡單可以理解為前者的定位更像是工程師，而后者更像造型師。

目前主流的國內(nèi)玩具造型使用的是Auto CAD，Pro/Engineer或UG或Solidwork等工業(yè)造型軟件。此類軟件對于參數(shù)化的玩具造型有較好的表現(xiàn)，主要使用NURBS曲面建模方式，通過繪制曲線、擠出、倒角、等方式生成曲面在通過焊接、布爾等方式生成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。制作的前提是了解模型各項(xiàng)參數(shù)例如邊角的倒角度數(shù)，厚度，孔的半徑。往往生成一個簡單形體需要輸出很多數(shù)據(jù)。而如果是非參數(shù)化的生物模型就較難使用此類軟件制作。例如人形、怪物手辦，這些模型需要更加靈活形體塑形方式。除非使用逆向工程否則在設(shè)計(jì)之初我們并不可能獲得每個部件的參數(shù)，并且整個設(shè)計(jì)過程需要反復(fù)的調(diào)試，所以對形體調(diào)節(jié)的靈活性要求很高。總結(jié)一下使用工業(yè)設(shè)計(jì)軟件更適合參數(shù)式的玩具造型設(shè)計(jì)，且適合工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)人士操作。對于愛好者同設(shè)計(jì)師而言這種軟件操作適應(yīng)難度大。而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變手辦玩具而言并不適合。

三、全新的ZBrush數(shù)字雕刻技術(shù)在手辦玩具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

ZBrush數(shù)字雕刻技術(shù)為玩具制作者提供一套全新的獨(dú)立性與創(chuàng)造性解決方案。

（一）ZBush有著不俗的快速搭形與細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力

ZBrush首先于1999年推出的第一個版本，創(chuàng)造性的提供了一種雕刻式的建模方式。期間20年不斷更新功能到目前最新的2020版針對玩具模型設(shè)計(jì)與3D打印功模塊進(jìn)行深度優(yōu)化。這也順應(yīng)了3D打印與玩具設(shè)計(jì)兩者結(jié)合的技術(shù)趨勢。

球鏈+ ALPHAL遮罩 +筆刷雕刻組合是ZBrush塑形的獨(dú)特方式。這點(diǎn)相較于傳統(tǒng)的3DMAX等建模軟件需要進(jìn)過復(fù)雜的點(diǎn)線面拓?fù)洳煌??？梢酝ㄟ^ZBrush獨(dú)創(chuàng)的球鏈迅速制作大體形態(tài)，這個過程往往只要幾分鐘甚至更短。而且只需要調(diào)整球鏈上的關(guān)節(jié)球就可以迅速調(diào)整比例形態(tài)，而且調(diào)整的過程非常類似調(diào)玩偶的關(guān)節(jié)。Z球鏈也是ZBrush相對于其他雕刻軟件的一項(xiàng)獨(dú)特技能。而在塑形的中期可以使用軟件中自帶仿真筆刷對形體進(jìn)行凹凸處理，并且可以靈活的調(diào)整筆刷的大小硬度雕刻精度等參數(shù)。配合數(shù)位筆的壓感可以模擬正式雕刻的創(chuàng)作體驗(yàn)。

在細(xì)節(jié)處理上ZBrush也有不俗的表現(xiàn)。它可以輕松實(shí)現(xiàn)細(xì)致入微的紋理效果。軟件中支持ALPHAL遮罩投射，通過筆刷雕刻或擠壓成立體結(jié)構(gòu)，例如龍鱗，轉(zhuǎn)紋等這些細(xì)節(jié)在傳統(tǒng)建模軟件中都是將是非常繁瑣的工作，而在ZBrush中需要將這些紋理的黑白貼圖投射在模型上或制作成特定的筆刷即可。

其次ZBrush可以同數(shù)位筆完美結(jié)合，更適合藝術(shù)專業(yè)設(shè)計(jì)師進(jìn)行創(chuàng)意造型設(shè)計(jì)。雕刻后的形體可以使用ZBRUSH中變形器不斷調(diào)試，獲得更多造型創(chuàng)意啟發(fā)。

（二）使用ZBrush進(jìn)行手辦的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

ZBrush除具備造型雕刻的功能外，還能完成關(guān)節(jié)以及內(nèi)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)。如圖1所示，孩之寶玩具設(shè)計(jì)師使用ZBrush數(shù)字雕刻解決方案為手辦模型設(shè)計(jì)的外觀及關(guān)節(jié)。

絕大部分關(guān)節(jié)都可以使用ZBrush中的球體和圓柱體構(gòu)建。制作模型關(guān)節(jié)的關(guān)鍵步驟主要有以下幾個步驟。這里我們以簡單的手臂為例。

步驟1結(jié)構(gòu)切分。使用切割工具切分出形體，如在胳膊處切分出大小胳膊。此時關(guān)節(jié)出會顯得非常平整，可以使用插入球體并進(jìn)行布爾差值運(yùn)算的方式得到一個中空為球形的結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)邊緣預(yù)留足夠的厚度。為了避免切割的邊緣過于生硬，建議使用筆刷制作一些柔和的過度。步驟2制作插入關(guān)節(jié)。在工具中添加球關(guān)節(jié)，并將這些關(guān)節(jié)移動到中空位置內(nèi)，并與內(nèi)壁盡量貼合。為了方便固定可以使用細(xì)小柱形將關(guān)節(jié)固定在中空結(jié)構(gòu)內(nèi)，這里任可以使用布爾方式實(shí)現(xiàn)。步驟3調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)之間的咬合結(jié)構(gòu)。這個步驟往往會被人忽視。為了達(dá)到令人滿意的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)效果，在該軟件中測試肘部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度是非常必要的。如圖2所示手臂原始的狀態(tài)可以進(jìn)行90度的彎曲，此時上下胳膊的邊緣產(chǎn)生碰撞，已經(jīng)達(dá)到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)極限的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)更好的效果，我們可以調(diào)整大胳膊關(guān)節(jié)邊緣形態(tài)，實(shí)現(xiàn)110度的彎曲效果。這種關(guān)節(jié)的優(yōu)化會涉及到復(fù)雜形態(tài)的變化，例如褶皺、紋飾等部分。相對于其他建模軟件需要進(jìn)行復(fù)雜的點(diǎn)線面操作，使用雕刻筆刷可以輕松調(diào)整關(guān)節(jié)周圍的形態(tài)。

經(jīng)過以上三個步驟可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的制作。設(shè)想一下如果是手工制作的話，這樣的雕刻的容錯率會顯得非常低一旦出錯就必須重新制作費(fèi)時費(fèi)力。由于該軟件操作的靈活性，我們可以創(chuàng)造性的給形體增加各種類型的關(guān)節(jié)且方便的得到測試效果。

四、ZBrush結(jié)合3D打印完成手辦模型的輸出

配合桌面級3D打印機(jī)的輸出，我們可以得到玩具模型的實(shí)物。

相同的模型如果設(shè)置不得當(dāng)獲得效果截然不同，也就是我們從ZBrush中生成一個STL文件必須經(jīng)過良好的優(yōu)化和設(shè)置才能打印。3D打印機(jī)采用的事增材制造的原理，利用噴頭根據(jù)設(shè)定的軌跡一層層的噴涂材質(zhì)最終實(shí)現(xiàn)體積的堆積效果。而要保證形體在打印中不出現(xiàn)斷裂變形的情況發(fā)生，就需要生成很多支撐結(jié)構(gòu)，事后也需要手動拆除這些結(jié)構(gòu)。避免在拆除支撐結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)問題例如結(jié)構(gòu)交錯，邊緣不平滑等問題，我們需要在ZBrush以及專業(yè)的3D打印中進(jìn)行模型設(shè)置。下面我將結(jié)合個人制作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下。

（一）減少模型空隙并調(diào)整模型的分辨率輸出STL文件

模型結(jié)構(gòu)之間的空隙太大打印出來會呈現(xiàn)一些錯誤的咬邊。例如手和袖口之間往往有一些空隙，這里我們需要在ZBrush中將這些空隙做一些收縮處理。我們可以直接使用筆刷進(jìn)行移動調(diào)整，以及使用變形器對形體進(jìn)行微調(diào)。在ZBrush中制作的模型常常面數(shù)高達(dá)千萬級的面數(shù)，這會形成巨大的數(shù)據(jù)量，直接輸出打印會消耗大量的計(jì)算時間，而且由于3D 打印機(jī)的精度限制很多細(xì)節(jié)體現(xiàn)的并不明顯。使用ZBRUSH軟件的Z插件下的抽取減免功能，該功能預(yù)設(shè)了從2萬到25萬的面數(shù)設(shè)置，為了保證打印精度推薦使用25萬的面數(shù)設(shè)置。設(shè)置后模型的面數(shù)會得到優(yōu)化，精簡不必要的點(diǎn)線面。并且借助ZBrush軟件中的3D打印工具集功能輸出適合大小尺寸的STL文件。

（二）借助第三方軟件優(yōu)化軟件調(diào)整錯誤

即使我們通過手動設(shè)置減少模型結(jié)構(gòu)的空隙和面數(shù)外，在打印模型時還是容易出現(xiàn)破面的情況。借鑒孩之寶的經(jīng)驗(yàn)，我們可以借助第三方具有糾錯功能的軟件進(jìn)行模型調(diào)整，如歐特克公司的Meshmixer?？梢栽谠撥浖袑?dǎo)入STL模型，容易發(fā)生錯誤的地方會自動用顏色標(biāo)注。在該軟件中無需手動調(diào)整，可以直接使用界面左側(cè)工具欄中的Analyse（分析）——Inspector（檢查員）命令調(diào)整錯誤的面結(jié)構(gòu)。此時得到的模型可以直接用于打印。在3D打印程序中設(shè)置合適的打印精度和填充樣式便可打印輸出。受到結(jié)3D打印的尺寸限制，很多大的體塊需要進(jìn)分段打印后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)的組裝，這一點(diǎn)需要在ZBRUSH中進(jìn)行切割。

（三）打印輸出

將優(yōu)化后的STL文件導(dǎo)入3D打印程序，選擇合適的參數(shù)。例如模型填充在20%—50%之間的填充率一方面可以節(jié)省材質(zhì)同時也保證了必須要的結(jié)構(gòu)韌性。并且在軟件中預(yù)覽大概的打印效果。整個模型的輸出的時間取決于模型的精度，從十幾分鐘到幾個小時都是可調(diào)的。打印完畢后我們需要手動地拆除部件上的支撐結(jié)構(gòu)并經(jīng)過打磨，噴漆，組裝等工序從而得到一個完整的手辦玩具。

以上介紹的是ZBrush在手辦模型制作中一些案例及技術(shù)分析。重要的是這項(xiàng)技術(shù)適合所有具備一定美術(shù)造型功底的人士使用。當(dāng)這種類似堆泥巴的建模方式與靈活省錢的3D打印結(jié)合起來后會極大提高效率的并降低模型制作成本。這樣的經(jīng)驗(yàn)也非常適合相關(guān)專業(yè)在教學(xué)中予以借鑒。并且隨著二者本身的技術(shù)在不斷進(jìn)步，我們有理由相信ZBrush數(shù)字雕刻與3D打印技術(shù)在手辦玩具設(shè)計(jì)中有著更為廣泛的應(yīng)用。

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基金項(xiàng)目：校級課題《ZBRUSH數(shù)字雕刻技術(shù)在3D打印中的應(yīng)用研究》（2017ZDY05）。

作者簡介：吳永康（1986—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士，主要從事卡通形象設(shè)計(jì)研究。