本文轉(zhuǎn)載由刁彬斌、張妍提供，轉(zhuǎn)載自《中小學(xué)信息技術(shù)教育》2018年第10期
現(xiàn)在，3D打印已經(jīng)成為大家經(jīng)常提及的詞匯。其實(shí)，在3D打印之前的三維設(shè)計(jì)階段，才是比3D打印更重要的環(huán)節(jié)。沒(méi)有三維設(shè)計(jì)的3D作品，從某種角度來(lái)說(shuō)，是個(gè)資源的浪費(fèi)。舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦?，一個(gè)普通的塑料盆大約只有20元錢(qián)，拿3D打印打出來(lái)可能需要上百元錢(qián)，并且3D打印的盆子一定沒(méi)傳統(tǒng)工藝制作的盆子結(jié)實(shí)。
當(dāng)然如果自己辛辛苦苦制作的作品，只能停留在電子文檔階段。也對(duì)自己的創(chuàng)意發(fā)揮，靈感實(shí)現(xiàn)不利。3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)是可以將靈感轉(zhuǎn)化為實(shí)際作品。以ABS和PLA為代表3d打印耗材，可以比較長(zhǎng)久的保存。擁有一臺(tái)3d打印機(jī)，幾乎是每個(gè)創(chuàng)客的夢(mèng)想。
但現(xiàn)實(shí)是很多人，仍然在等米下鍋。一方面，3D打印機(jī)需要初始投資，一個(gè)精度比較高的打印機(jī)至少需要花費(fèi)5000元以上。另一方面，打印耗材大約也是一個(gè)持續(xù)投資的過(guò)程，大約每克0.4~0.5元。缺失3D打印機(jī)，一切理想都處在虛無(wú)縹緲階段。其實(shí)可以換個(gè)角度來(lái)思考？沒(méi)有3d打印機(jī)是否有其他手段將理想實(shí)體化呢？
其實(shí)，三維設(shè)計(jì)模型實(shí)體化的手段除了3D打印，還有3D轉(zhuǎn)為2D實(shí)體的手段，即使用平面材料，完成3D模型的制作。實(shí)現(xiàn)形式除了大家比較熟知的激光切割，還有3D紙模型。
3D紙模型，即將3D模型轉(zhuǎn)為2D平面圖，通過(guò)打印機(jī)將模型圖紙紙張打印出來(lái)，后期再通過(guò)剪刀，膠水等工具，手工將2D圖紙還原為3D模型。
3D紙模型的優(yōu)缺點(diǎn)都比較突出。優(yōu)點(diǎn)包含以下幾方面。第一、無(wú)需增加其他特殊設(shè)備，就可以用現(xiàn)有打印機(jī)完成模型的實(shí)體化。第二、紙張耗材相比較3D耗材，價(jià)格比較便宜且容易獲得。第三，比較3D打印的模型制作速度，紙模型的制作速度很快，適合快速建模和批量建模。第三，模型上色比較容易，可以在紙張打印階段進(jìn)行顏色豐富的彩色打印。紙模型的突出缺點(diǎn)是，水是紙的克星，制作紙模型必須注意防水防潮問(wèn)題。
3D模型轉(zhuǎn)化為2D紙模型，主要有以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)需要突破：
第一，什么樣的模型適合轉(zhuǎn)化為2D紙模型。
答案，很簡(jiǎn)單使用多邊形堆疊的模型適合轉(zhuǎn)化為2D平面模型。圓球、圓柱和復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)不適合轉(zhuǎn)化為2D平面模型。在此之前，我們需要先研究如何建模問(wèn)題。本文中，我們涉及的作品都采用3D One進(jìn)行建模，主要考慮到3D One是一款非常流行的適合3D入門(mén)學(xué)習(xí)的建模軟件，3D One可以使用簡(jiǎn)單方法，建立比較復(fù)雜的精準(zhǔn)模型。但3D One是一款非多邊形建模軟件，為了完成紙模型的建模，需要在建模過(guò)程中有很大的取舍。
以大家非常熟悉的球體為了，以大家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，有誰(shuí)曾成功的用紙張制作出一個(gè)非常規(guī)整的球體呢？看下球體轉(zhuǎn)化為平面圖過(guò)程（圖1），大家就更加直觀的了解上面的答案了。拿剪刀和膠水復(fù)原球體幾乎是一個(gè)近似不可能完成的任務(wù)。
圖1 將球體轉(zhuǎn)化為平面圖
為了建立可以2D展開(kāi)的3d模型，如何解決球體和圓柱體的建模問(wèn)題呢？答案也很簡(jiǎn)單，以多邊形代替圓進(jìn)行建模。當(dāng)然多邊形的邊數(shù)越多，越近似于圓。一般情況我們使用大約12以上的邊形，代替圓建立球體。圖2是一個(gè)使用六邊形堆疊的與實(shí)際球體差別很大的，需要改進(jìn)的球體。但是大家看右側(cè)的展開(kāi)圖會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)模型處于可制作的范疇內(nèi)。
圖2 六邊形堆疊的球體及其展開(kāi)圖
當(dāng)然，紙模型的建模，也可以使用六角大王等基于多邊形建模的軟件，進(jìn)行模型建模。
第二，如何將3D模型快速轉(zhuǎn)化為2D紙模型？
本文中我們采用紙藝大師（Pepakura Designer）進(jìn)行3d模型到2D模型的轉(zhuǎn)化。
紙藝大師（Pepakura Designer），是一款從3D模型作成展開(kāi)圖的軟件，只按一個(gè)按鈕即可作成展開(kāi)圖，再用各種紙編輯功能，可設(shè)計(jì)”好看、有趣、容易作”的展開(kāi)圖。
紙藝大師的有著非常簡(jiǎn)潔的窗口，如圖3，左側(cè)是3D模型窗口，使用菜單中文件->打開(kāi)，可以將制作的stl、obj等紙藝大師支持的文件三維模型載入到本窗口。通過(guò)點(diǎn)擊Unfold菜單，軟件可以將3D模型自動(dòng)在右側(cè)窗口展開(kāi)為2D圖紙。
圖3 “紙藝大師”窗口介紹
如果對(duì)自動(dòng)展開(kāi)的2D圖紙不滿(mǎn)意，使用下面的工具，比如編輯貼邊工具對(duì)3D模型進(jìn)行編輯，以改變2D圖紙的效果。工具欄的具體含義，可以通過(guò)鼠標(biāo)懸停的方式，在軟件右下角查看工具的含義。如果對(duì)圖紙展開(kāi)不滿(mǎn)意，還可以通過(guò)“Unfold Undo”按鈕撤銷(xiāo)展開(kāi)。
模型制作過(guò)程中一個(gè)重要問(wèn)題是，設(shè)計(jì)和制作一致性問(wèn)題。例如設(shè)計(jì)的機(jī)器人高度為180mm，如何讓展開(kāi)的圖紙也是這個(gè)尺寸，這需要大家注意設(shè)置2D菜單->更改縮放，將縮放系數(shù)更改為1，即原比例大小。
關(guān)于展開(kāi)后文件保存問(wèn)題，需要使用菜單->文件->保存,保存pdo文件,以便紙藝大師繼續(xù)做后期處理。同時(shí)使用導(dǎo)出菜單，導(dǎo)出BMP位圖文件，用于圖紙的打印。
第三，模型如何上色
分為3D模型建立階段的上色。平面化后上色和手工補(bǔ)色三種辦法。
（一）模型建立階段的上色：紙藝大師，提供stl、obj文件的導(dǎo)入展開(kāi)，stl文件不包含貼圖文件。為此我們必須使用3D One教育版來(lái)進(jìn)行紙模型的制作。家庭版不包含材質(zhì)貼圖和導(dǎo)出obj文件的功能。如圖4，在3D One教育版右側(cè)點(diǎn)擊向右的箭頭，打開(kāi)材質(zhì)渲染窗口，使用導(dǎo)入圖片的方式進(jìn)行貼圖的效果。需要注意的是，貼圖文件必須為英文和數(shù)字文件名，不能包含中文，否則貼圖文件時(shí)無(wú)效的。
使用貼圖處理的obj展開(kāi)文件效果如圖5：
（二）平面化后上色：在使用紙藝大師展開(kāi)模型之后?？梢允褂肞hotoShop、光影魔術(shù)手燈圖片工具對(duì)BMP文件進(jìn)行二次處理。
（三）手工補(bǔ)色：當(dāng)然大家也可以導(dǎo)入不含顏色的圖紙，使用手繪的方式，手工DIY紙模型。
第四，如何選擇紙張
制作紙模型，紙張選擇是個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，太薄的紙張，存在軟和沾膠水變形的問(wèn)題。制作紙模型，需要使用120g以上紙張，作為制作材料。在打印模型前，請(qǐng)確認(rèn)自己的打印機(jī)支持對(duì)應(yīng)紙張的打印，以免損壞打印機(jī)。
第五，紙模型如何剪裁、折疊、粘貼、保存
紙模型的后期制作，主要是考驗(yàn)動(dòng)手能力和耐心問(wèn)題。剪裁的時(shí)候，要防止出現(xiàn)多剪的問(wèn)題。折疊紙模型的技巧，是在折疊前用直尺和曲別針等工具，劃出折痕線(xiàn)，這樣折疊比較規(guī)范。粘貼時(shí)，膠水要均勻，不能出現(xiàn)漏沾的情況，更不能圖省事使用雙面膠進(jìn)行粘貼。紙模型保存中注意防水防潮，這樣自己的作品就可以做到長(zhǎng)久保存。
作者單位：北京宏志中學(xué) 山東煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)
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更新時(shí)間：2018-10-11
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