原创《手工制作3D纸模型》
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刁彬斌 张妍
现在, 3D打印已经成为大家经常提及的词汇.其实, 3D打印之前的三维设计阶段, 才是比3D打印更重要的环节. 没有三维设计的3D作品, 从某种角度来说, 就是资源的浪费. 举个不太恰当的例子, 一个普通的塑料盆大约只有20元钱, 拿3D打印机打印出来可能需要上百元钱, 并且3D打印的盆子没有传统工艺制作的盆子结实.
当然, 如果自己辛辛苦苦制作的作品, 却只能停留在电子文档阶段, 同样对自己的创意发挥、 灵感实现不利. 3D打印机的优势是可以将灵感转化为实物作品. 以ABS和PLA为代表的3D打印耗材, 可以比较长久地保存. 所以, 拥有一台3D打印机, 几乎是每个创客的梦想.
但现实是, 很多人仍然在等米下锅. 一方面, 3D打印机需要初始投资, 一个精度比较高的打印机至少需要花费5000元以上. 另一方面, 打印耗材也需要持续投资, 大约每克0.4~0.5元. 缺少3D打印机, 一切理想都处在虚无缥缈的阶段.
换个角度来思考： 没有3D打印机, 是否有其他手段将创意物化呢？ 其实, 三维设计模型实体化的手段除了3D打印, 还有将3D转为2D实体的手段, 即使用平面材料, 完成3D模型的制作. 实现形式除了大家比较熟知的激光切割, 还有3D纸模型.
3D纸模型, 即将3D模型转为2D平面图, 通过打印机将模型图纸打印出来, 后期再通过剪刀、 胶水等工具, 手工将2D图纸还原为3D模型.
3D纸模型的优缺点都比较突出. 优点包含以下几方面. 第一, 无需增加其他特殊设备, 就可以用现有打印机完成模型的物化. 第二, 纸张耗材相比3D耗材,便宜且容易获得. 第三, 相比3D打印的模型制作速度, 纸模型的制作速度更快, 适合快速建模和批量建模. 第四, 模型上色比较容易, 可以在纸张打印阶段进行颜色丰富的彩色打印. 纸模型的缺点是怕水, 水是纸的克星, 制作纸模型必须注意防水、 防潮问题.
3D模型转化为2D纸模型, 主要有以下几个技术要点需要突破.
要点一：什么样的模型适合转化为2D纸模型
答案很简单, 使用多边形堆叠的模型适合转化为2D平面模型. 圆球、 圆柱和复杂的曲面结构不适合转化为2D平面模型. 在此之前, 我们需要先研究如何建模的问题. 本文提及的作品都采用3DOne软件进行建模, 3DOne是一款非常流行的适合3D入门学习的建模软件, 可以通过简单方法, 建立比较复杂的精准模型.但3DOne是一款非多边形建模软件, 为了完成纸模型的建模, 需要在建模过程中有很大的取舍.
以大家非常熟悉的球体为例, 谁能成功地用纸张制作出一个非常规整的球体呢？ 看一下球体转化为平面图的过程 （图1） , 大家就能更加直观地了解上面的答案了 . 拿剪刀和胶水复原球体几乎是一个不可能完成的任务.
为了建立可以2D展开的3D模型, 如何解决球体和圆柱体的建模问题呢？ 答案也很简单, 以多边形代替圆进行建模. 当然多边形的边数越多, 越近似于圆. 一般情况我们使用大约12以上的边形, 代替圆建立球体.
图2是一个使用六边形堆叠的球体, 它与实际球体差别很大, 需要改进. 但是大家看右侧的展开图会发现这个模型处于可制作的范畴内.
当然, 纸模型的建模, 也可以使用 “六角大王” 等基于多边形建模的软件, 进行模型建构.
要点二：如何将3D模型快速转化为2D纸模型
本文中我们采用“纸艺大师” （Pepak u raDesigner） 进行3D模型到2D模型的转化.
“纸艺大师” 是一款可以将3D模型转化成展开图的软件, 只按一个按钮即可作成展开图, 再用各种纸编辑功能, 可设计 “好看、 有趣、 容易作” 的展开图.
“纸艺大师” 有着非常简洁的窗口, 如图3, 左侧是3D模型窗口, 使用菜单中文件->打开, 可以将制作的stl、 obj等 “纸艺大师” 支持的三维模型文件载入本窗口. 通过点击Unfold菜单, 软件可以将3D模型自动在右侧窗口展开为2D图纸.
如果对自动展开的2D图纸不满意, 使用下面的工具, 比如 “编辑贴边” 工具对3D模型进行编辑, 可以改变2D图纸的效果. 工具栏的具体含义, 可以通过鼠标悬停的方式, 在软件右下角查看工具的含义. 如果对图纸展开不满意, 还可以通过 “Unfold Undo” 按钮撤销展开.
模型制作过程中的一个重要问题是, 设计和制作一致性问题. 例如, 设计的机器人高度为180mm, 如何让展开的图纸也是这个尺寸, 这需要大家注意设置2D菜单->更改缩放, 将缩放系数更改为1, 即原比例大小.关于展开后文件保存的问题, 需要使用菜单->文件->保存, 保存pdo文件, 以便 “纸艺大师” 继续做后期处理. 同时使用导出菜单, 导出BMP位图文件, 用于图纸的打印.
要点三：模型如何上色
模型上色, 一般可分为3D模型建立阶段的上色、平面化后的上色和手工补色三种方法.
方法一, 模型建立阶段的上色. “纸艺大师” 提供stl、 obj文件的导入展开, stl文件不包含贴图文件.为此, 我们必须使用3DOne（教育版） 来进行纸模型的制作. 如图4, 在3DOne（教育版） 右侧点击向右的箭头, 打开材质渲染窗口, 使用导入图片的方式进行贴图. 需要注意的是, 贴图文件必须为英文和数字文件名, 不能包含中文, 否则贴图文件是无效的. 使用贴图处理的obj展开文件效果如图5.
方法二, 平面化后上色. 在使用 “纸艺大师” 展开模型之后. 可以使用PhotoShop、 光影魔术手等图片工具对BMP文件进行二次处理.
方法三, 手工补色. 当然大家也可以导入不含颜色的图纸, 使用手绘的方式, 手工DIY纸模型.
要点四：如何选择纸张
制作纸模型, 纸张选择是一个关键环节, 太薄的纸张, 存在软和粘胶水变形的问题. 制作纸模型, 需要使用120g以上的纸张作为制作材料. 在打印模型前, 请确认自己的打印机支持对应纸张的打印, 以免损坏打印机.
要点五：如何剪裁、折叠、粘贴、保存纸模型
纸模型的后期制作, 主要是考验动手能力和耐心问题. 剪裁的时候, 要防止出现多剪的问题. 折叠纸模型有一个技巧, 就是在折叠前用直尺和曲别针等工具, 划出折痕线, 这样折叠比较规范. 粘贴时, 胶水要均匀, 不能出现漏粘的情况, 更不能图省事使用双面胶进行粘贴. 纸模型在保存中要注意防水防潮, 这样自己的作品就可以做到长久保存.
作者单位：北京宏志中学 山东烟台经济技术开发区实验小学
手工制作论文参考资料：
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