干货！3D设计、3D打印与珠宝工业4.0

随着3D打印技术不断的成熟发展，火爆的3D打印技术已经应用到了各个行业领域；目前这种技术正在被珠宝行业所应用，3D打印给珠宝行业带来了颠覆的变革。借助3D打印可以实现个性化定制、珠宝外形美观度的提升；今天南极熊带您一起深度了解下3D打印的相关知识介绍、领略下3D打印在珠宝及其他行业的应用。

一、3D的基本概念
3D，也叫三维，这两字，看着简单，其实它包含的内容太多了。今天探讨的是运行在计算机中的3D。3D是用来描述一个或多个物体的形状、颜色、姿态和运动的一种技术。是人能看得见的，具有空间感受的立体视觉。

我们感知世界，主要是通过视觉，视觉是人类最发达的感知器官。因为我们生活在一个信息泛滥的社会，每天都会接受到成百上千次信息轰炸，在这种情况下，人们的视觉、视线或者说注意力已经成为了商品。视觉技术的优劣直接影响到人的注意力，对于商业来说，直接影响到客户体验。所以这事非常重要！

3D技术的发展将为珠宝产业带来革命性变化，在相当长的时间内，它都会持续、稳定的存在，并与互联网、虚拟现实、大数据和人工智能紧密的结合在一起。

因为3D包含的内容太多了，我们就先从3D软件说起。3D软件是用来创造3D内容的工具，创造出来的内容包括：3D模型和图像渲染。我们常说的3D建模（或者珠宝行业的电绘），就是用3D软件来完成的。

3D软件的种类也非常多，从功能上分主要有建模、渲染、动画、物理仿真、工业CAD（包括CAM）、3D分析工具（力学、流体力学、热力学、机械可靠性分析等等）。从行业上分，就是：影视、游戏、建筑、城市规划、制造业等等。

所以我们看到，3D工具和它所创建的内容有这么多，几乎是无所不能，3D数据是未来信息化社会的核心资产。而且，3D是虚拟现实、增强现实和混合现实的技术基础。没有3D就无法实现这些高端应用。

二、3D建模

在三维软件里，我们使用三维空间坐标描述物体的形状和位置（也就是X、Y、Z轴）。物体有各种各样的造型，无论多么复杂的立体造型，都可以使用点、线、面、体来进行描述。每个3D造型的表面上的任何一点，在三维空间中都有对应的坐标值，这为后期的3D打印和CNC加工提供了原始数据。有关数字化加工，在后面会提到...

下图，犀牛软件的点线面体的图例说明：

下面这张图是四个简单的3D立体模型，可以看到一个实体模型（封闭的实体）是由很多小平面或小曲面构成的：

我们再来看看下面的图片，曲面其实也是由更多细小的平面拼合而成：

下图这两张图可以看出，任何复杂造型都可以拆解成点、线、面。通过调整和变形，我们可以把简单的几何体重建成复杂的造型：

下图，任何一个四边面或三角面都可以再分解为两个三角面：

下图：拼合成物体的面数越多，模型就越平滑，但渲染效率越低，反之亦反。我们看下面这张图：同一个造型，从50万个三角面逐步精简到100个三角面的视觉效果。面数越少，物体表面越不平滑，但渲染速度会更快：

所以，我们要根据项目的需求，使用合适的几何面数，既照顾到外形精度也照顾到渲染速度。

三、3D渲染
3D渲染，是实现3D模型真实呈现的过程，因为我们在建模时，大部分时间是以素模（也叫白模）来呈现的，上面并没有赋予真实的材质，我们无法感受到最终的呈现效果。如下图：

我们需要先构建3D模型和场景，才能进行渲染。相当于摄影师，先要搭建场景，摆放道具、布光、调整人物姿态、动作，这些都完成了，才能开始拍摄（拍摄就相当于渲染）。在计算机里，渲染的工作是由渲染器（Render）完成的。我们在3D场景中需要设定虚拟摄像机，获取取景空间，为三维物体赋予材质，并进行布光和运动设置，这样就可以渲染出各种各样的最终效果。

下面这张图里面，有物体、摄像机、背景地板、背光源、反光板。这是一个3D渲染的常见设置：

设置完渲染参数后，开始执行渲染，这张图就是最终渲染的结果：

渲染器的种类很多，一类是非实时的，比如：Vray、MentalRay、Keyshot、Arion、Luxrender、Arnorld、Redshift以及Maxwell等等。还有一类是实时渲染器：比如Unity、Unreal Engine 4等等。从硬件支持上来看：分为GPU渲染器、CPU渲染器和CPU+GPU混合渲染器。我们珠宝行业最常用的是keyshot，这种渲染器使用CPU渲染，速度非常快，属于准实时渲染器，可以在数秒钟到数分钟之内就渲染出非常棒的高质量图像。另外，Vray也是非常优秀的老牌渲染器，我们业内很多人使用Gemvision的Matrix 3D珠宝设计软件就内置了Vray渲染器，网上也有大量的Vray渲染的珠宝案例，大家可以去查查。

实时渲染器是未来的趋势，三维场景中的任何变化，实时渲染器都能即时完成图像呈现。这一点非常重要，这也是虚拟现实和增强现实的基本要求。因为在VR、AR中显示的是3D内容和场景，头显和传感器做出的任何动作，都必须得到实时的3D渲染，并且最少要达到30帧/秒的帧速率。也就是说，渲染器每秒要渲染30张连续的运动图片，并在VR显示屏里显示出来。

Vray渲染的耳钉：

Keyshot渲染的戒指和宝石：

Keyshot渲染的戒指：

渲染这个词，在台湾叫【算图】，这个叫法很形象，就是把计算机代码翻译成图形，呈现在屏幕上，成为可视化信息。在电脑里面，只要是呈现在屏幕上，都需要渲染，包括字符、网页、软件界面、图形、图像等等。3D渲染并非是指最终的产品形态，中间过程的呈现也叫渲染。我举个例子：

下图：是一个在JewelCAD里建模时，实时渲染出来的效果，这是为了让建模的人可以实时预览款式造型，而是用的一种简单渲染的方式，不是为了查看最终效果，而是用于随时了解款式的造型：

JewelCAD中的shade渲染：

Rhino中的Rendered渲染：

Keyshot准实时渲染：

Arion高级渲染+后期特效

四、3D软件的分类

视觉类3D软件（比如：影视、游戏行业中）经常使用3ds Max、MAYA、XSI、Cinema 4D、Houdini、Blender等等软件进行3D场景和动画创作。
Zbrush的3D建模设计：

MAYA的3D动画设计：

Cinema 4D的数字绘景（Matte Painting）：

Realflow流体仿真特效制作：

CAD是计算机辅助设计的缩写，各个行业的CAD有很多，比如电子电路设计CAD、光学设计CAD、服装面料设计CAD等等，我们这里只讨论工业设计CAD。

而工业设计则使用 3D CAD软件，比如：机械制造类的结构设计多使用Pro E、Solidworks、UG等等、外观设计通常使用Alias和Rhino。结构设计就是那些具有很多零部件的、具有复杂装配和运动关系的设计项目（比如汽车发动机、变速箱、离合器等机械产品），外观设计主要偏重于造型、外观的设计。

当年我刚入行的时候，问一个电绘起版师，使用什么软件做起版，他们都跟我说是CAD，我问是什么CAD？他们说就是CAD啊！还有什么CAD啊？后来才知道他们使用Jewel CAD，被简称为CAD。因为当年JewelCAD是珠宝行业唯一的3D设计工具，几乎没有其它的。

所以这种叫法也可以理解。CAD是计算机辅助设计的缩写，泛指工业设计类的3D工具。Pro E、Solidworks、UG、Alias和Rhino都属于CAD软件，JewelCAD只是一个软件的名字，是CAD家族中的成员之一。

下图：中国珠宝行业广泛应用的3D建模工具Jewel CAD：

下图是一种机械结构设计CAD软件：

那么这些软件有什么区别吗？区别很大，内容也很多。我们只说一个最容易理解的区别。纯视觉的3D设计软件最终目的是为了满足视觉呈现，它不需要生产，对模型的尺寸没有严格的要求，只要视觉上好看、比例正确就行了。

比如，一个动画电影中，一个女孩佩戴的戒指，只需要对它的可见外观进行建模就行了，而不可见的部分，比如分件装配用的定位销、槽口、底片、掏底等等，都不要建模，因为即使建模了，在电影场景中也看不到，反而增加了3D模型的复杂度和面数（影响后期渲染的速度）

CAD软件创造的3D内容通常都是为了加工出最终产品，因此对尺寸、结构、精度和工艺有严格的要求。简单说，视觉3D软件做出来的内容是为了呈现、是为了观看，精度达到视觉要求就可以（视觉上精确就行）。而工业CAD软件做出来的内容是为了生产和制造，就需要有加工精度、加工余量、内部结构、工艺数据等等。这就是最重要的区别。

是不是说视觉类的3D软件设计出来的3D模型就不能用于工业生产？完全不是！视觉类3D软件完全可以输出工业级的精度，只是它不擅长干这事。如果有人愿意在3ds max上开发CAD插件的话，也是没有问题的，同样可以实现工业CAD所擅长的设计流程。

五、介绍几个适用于珠宝建模的软件和工具

Rhino是民用工业外观设计的平台级软件，是典型的Nrubs曲面建模软件，具有良好的开放性和扩展性。大量的民品制造业均以Rhino为平台，构建自己的专用工具。珠宝行业就有Matrix、Rhinogold、Pavetool等珠宝设计插件。

同时，还有很多辅助插件都可以直接服务于珠宝设计流程，比如keyshot、Vray、T-Spline、Grasshopper等等，非常多。比如Grasshopper，是一种基于节点编程的参数化建模工具，组合不同的函数，对点线面体进行控制，当输入不同变量时，能呈现出千变万化的随机造型，非常强大。如下图：

下面这张图是使用Rhino Grasshopper进行建模的界面图例：

Pixologic开发的Zbrush，这是一个雕刻建模工具，最早被用于电影和游戏中的3D角色设计，拥有强大的细节刻画能力，近年来已经开始应用于珠宝设计，有关的细节大家可以度娘一下。

Pixologic Zbrush的界面：

Zbrush创作的内容

总结一下，目前常见的建模方式有以下几种：


（1）多边形建模
（2）细分表面建模
（3）曲面建模
（4）雕刻建模
（5）基于可视化编程的参数化建模
（6）基于手绘的快速建模
（7）基于3D扫描的逆向重构建模

下图，这是基于手绘的快速建模，更适合具有手绘技能的3D设计师：

人工智能终将成为3D设计的重要工具：

基于参数化的建模方式为今后的人工智能嵌入打下了基础。就是说，人工智能会被应用到3D建模领域，你建模的每一步操作都会被人工智能系统记录并模仿，它会深度学习你建模的技术习惯、领会你的建模思路，判断你的建模意图，从而协助建模者更快的完成从创意到立体模型的转换。这个就太厉害。

六、三维扫描与逆向设计
我们使用3D软件进行珠宝建模，是为了创建一个可用于数字化生产的造型。这种使用软件创造原始模型的流程我们叫做正向设计（先有3D数据，后有实物）。还有一种方式，是使用3D扫描仪，获取实物的外形数据，反求它的3D模型，这种方式叫做逆向设计（先有实物，后有3D数据）。逆向设计就是根据已有实物，通过技术手段重构3D造型。这种3D建模方式，对于某些拥有大量实物零配件的企业，可以实现快速和低成本的3D数据库。

大业DS130珠宝扫描仪使用光栅照相方式反求戒指的3D结构：

DS130三维扫描仪是大业三维公司自主研发并量产的专业级珠宝三维扫描仪，主要用于珠宝领域的三维数据重建。三维数据重建精度小于10微米，达到国际先进水平，实现了高速度、高精度、自动化的扫描工作，保证用户在使用过程中省心、省力又省时。

通过3D扫描仪，获取点云数据，经过软件计算后，重构3D零件：

这样，我们就知道了，正向设计和逆向设计是一个相互补充的设计建模方式。对于珠宝行业来说，正向设计是未来的主流，因为产业整体会向着个性化设计、定制方向进化，先设计后生产。在客户下单前，没有必要先生产出实物，所有的设计方案都以3D数据的形态存放在云端服务器，是一种轻资产的、现代化的生产方式，也是珠宝工业4.0的核心目标。

七、3D打印和CNC数控加工

3D打印是一种先进制造技术，有别于传统的减材制造，这是一种增材制造技术，是靠材料的堆叠完成造型的。我们常说的车床、铣床、刨床等传统加工设备都是减材制造。通常是在一定规格的型材上进行切削加工，无论是手动加工还是数控加工，这都会造成较大的浪费，即使回收切削废料，仍然不是一个最理想的生产技术。3D打印技术正在解决这个问题。

我们简单说一下3D打印机是如何工作的？它就离不开我们前面说的3D模型了。前面讲过，每个3D造型的表面上的任何一点，在三维空间中都有对应的坐标值。3D打印机，通过读取3D文件，获知了造型断面边界上每个点的空间坐标，将这个坐标信息传递给3D打印机的运动控制系统，高精度电机驱动工作台在丝杠或滑轨上运动，使3D喷头或激光器定位于相应的空间坐标，并进行喷料或烧结操作。这个原理并不复杂，但在实际研发上还是有很多核心技术的，单单讲精度和速度比，就有很多的问题需要解决。

除了传统的3D喷蜡，现在也出现了贵金属3D打印机，直接打印金属。目前的瓶颈主要是材料科学方向，除了材料特性、强度、成本之外，还有一些精度、速度等问题正在解决，我觉得，在今后3-5年，3D打印技术一定会进入高速增长阶段。


3D金属打印（增材制造）：

增材制造技术固然先进，但是，在相当长的时间里，减材制造技术不会消失。两者结合起来就会具有很大的优势。比如使用3D金属打印机快速打印粗坯，然后再使用CNC进行高精度加工，就能提升表面精度、速度、降低加工成本、节省原材料。也在也有公司在研发这种组合式数控加工设备。

CNC数控加工（减材制造）：

3D数字化加工是实现珠宝工业4.0的关键技术之一，没有这个技术，CAD软件创建出来的3D模型就无法生产，那么这个CAD软件就等同于视觉类的3D软件，中看不中用。所以说，3D设计软件、3D打印机以及数控CNC设备共同组成了珠宝生产链的基础工具。加上创意设计供应链、材料供应链和零售终端，就形成了珠宝产业的未来生态，也就实现了珠宝工业4.0的目标。

人类对改进工具的探索从未停止，工具有两个作用，一是延伸人的能力，二是提高人的效率。珠宝产业信息化，其实是产业工具的革命，互联网、3D、VR、大数据、人工智能和先进制造技术的崛起，必将对珠宝行业产生深远的影响。

来源：  大业三维投稿