计算式热成型工艺可以更快更便宜地制造全彩3D模型

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日前，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和迪斯尼苏黎世研究中心（Disney Research Zurich）的科学家们携手合作，开发出一种名为计算式热成型（computational thermoforming）的方法，该方法将一种已有的工业生产技术（热成型）和一款新软件巧妙地结合起来，使得就算业余爱好者也能够快速而便宜地制造出单件或者小批量的复杂结构全彩对象。科学家们在ACM SIGGRAPH 2016大会的出版物上介绍了他们的方法。

据悉，该技术的核心在于对热成型过程的精确模拟，这一工作是ETH博士生 Christian Schüller在该校教授Olga Sorkine-Hornung的指导下，于交互式几何实验室里完成的。Schüller首先对一个彩色塑料模型的彩色表面进行仿真计算，生成一个2D的图像，然后将该图像打印到一块塑料板上。通过热成型技术，这张板然后被加热，并被制成一个3D形状。然后您可以看到，原本打印的2D图像如今可以跟变形后的3D形状完美匹配。

据天工社了解，热成型技术在工业上应用十分广泛，我们生活中使用的很多日常物品，从酸奶瓶到塑料巧克力盒，都是通过这种技术制造出来的。“但这种工业级的方法并不适合制造小批量甚至单个的，具有复杂形状或彩色图案的产品。”Schüller说。为了准确地打印这些部件，就需要专业设备和精心校准。
为此，研究人员们开发出了一种基于已有常用设备和材料的方法，而且这种方法不需要很专业的知识。

首先第一步，用一台简单的3D打印机和单色的PLA塑料制造出3D模型的阴模，并用它制造出可耐高温的石膏模具，这是热成型工艺所必须用到的。
然后制作人员会用专用软件计算出该3D模型的正确纹理，并用标准的激光打印机打印到一张特殊的转印纸上。随后在压力和热的帮助下，这些图像被转印到一块塑料片材上。

打印后的塑料片材会被塞入热成型设备里，放在石膏模具上面加热，直到它变软具有可塑性。然后用一种真空设备在塑料片材和石膏模具之间快速吸气，使得塑料板像皮肤一样紧贴到石膏模具上——就这样一个塑料复制品创建完成。

在热成型之后，您就可以看到该软件是否正确计算出了打印的表面图像。“塑料的变形也会更改打印的图像。但我们的软件可以准确地计算和补偿这种变形。”Schüller说。

研究人员用这种方法测试制作了一些非常复杂的对象，包括中国面具和各种需要模具来制作的部件，例如汽车车身外壳和食物等。
测试结果很让研发人员满意，尤其是中国面具表面有很多繁复的细节，都被完整的复制出来；例如，在原来面具的牙齿上装饰着金漆。“这一细节在复制品上被完整的再现了出来。其外观的表面质量也很高，无论是颜色和结构都几乎与原物几乎相同。”Schüller说。