5种检疫性昆虫标本3D打印研究

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　　摘要 利用数字化三维立体扫描和构图技术，研究了5种检疫性昆虫标本的3D模型打印方法。以5种昆虫三维数字模型为基础，通过比较模型与昆虫实物的整体以及细微结构特征的拟合度，筛选优化出昆虫3D 打印最佳方案和最优着色方法。结果表明应用光敏树脂3D 打印技术打印的标本模型与标本实体细节特征拟合度较高，并在此基础上研究得出了适用于昆虫的最佳打印流程，该打印方法具有易学、简便、高效、仿真度高等优点，为研究昆虫高仿度非实物标本的制作工艺提供了有益的探索。
　　
　　关键词 检疫性昆虫;标本;3D打印;模型构建
　　
　　中图分类号 Q95-34 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2020）11-0145-08
　　Abstract The 3D model printing method of insect specimens was studied by using digital 3D scanning and 3D composition technology. Based on the 3D digital models of 5 kinds of insects， the best 3D printing scheme and the best coloring method of insects were selected and optimized by comparing the degree of fitting between the models and insects as well as the fine structural features.  The results showed that the specimen model printed by the photosensitive resin 3D printing technology had a higher degree of fitting with the specimen physical feature. On this basis，the best printing method for insects was gotten. The printing method had the advantages of being easy to learn， simple， efficient， and high in simulation. It provided a useful exploration for the study of the production process of insect highsimulation physical specimens.
　　Key words Quarantine insect;Specimens;3D printing;Model construction
　　
　　
　　作者简介 金光耀（1981—），男，江苏常熟人，高级农艺师，硕士，从事进出境植物检疫研究。
　　
　　收稿日期 2019-09-25
　　
　　昆虫是动物界最大的一个类群，全世界已知100多万种。而昆虫标本则是确定昆虫种类的重要依据，也可作为植物检疫、科研、教学、害虫防治、益虫利用以及科技知识普及宣传的重要参考。形态学鉴定是昆虫物种鉴定的一种传统检测方法，也是进出境检疫机构最主要的技术执法手段。标本是昆虫物种鉴定中不可或缺的重要参考标准，然而要想得到大量完整而珍贵的标本，必须先通过口岸截获或者监测采集直接获得原始虫体，再通过标本制作形成最终的标本，一个成品标本需要花费大量的时间和精力，且由于昆虫标本以及制作工艺的先天缺陷，实物标本若长期受温度、湿度、虫害等不利环境因素的影响，容易造成标本的破损、腐烂，尤其对一些重要稀缺标本的破坏会造成物种鉴定的严重偏差;此外，昆虫标本也是对外展示、科普教育的重要媒介，但目前由于国内各大农林院校、检疫类实验室都普遍缺乏较为齐全的昆虫标本库，且难以做到共享共用，因此，对于科研科普工作而言，对昆虫标本的需求度相当迫切。3D打印技术始于20世纪80年代，目前该技术已经相当成熟，广泛应用于医疗、建筑、工业等领域[1-2]。研究运用最新3D打印技术来实现昆虫标本的复制，特别是对昆虫主要鉴定特征和细微结构特征的重现，对于解决我国相关执法部门、科研院所目前面临的昆虫标本种类不全、保存困难、数量稀缺等实际问题均具有重要价值。同时，3D打印标本还具有可重复、可共享、个性化和灵活性等优势，可用于院校教学、科普展示以及普法宣传等领域。目前外国有通过应用3D打印技术来实现昆虫标本模型構建的实例[3-7]，澳大利亚的研究者采用3D打印机制作出了放大版的昆虫标本，澳大利亚的昆虫种类很多，如长达约50 cm的泰坦竹节虫，以及微小的昆虫，为了能将这些微小的昆虫打印出来，研究者利用3D打印技术，制作出了放大多倍的3D副本。美国研究者打印的 Ephemera danica，含触角长135 cm，体宽40 cm，打印9个部件组成。但在国内尚未见报道，笔者利用数字化三维立体扫描和构图技术，研究了5种检疫性昆虫标本的3D模型打印方法。
　　1 材料与方法
　　1.1 昆虫实物标本
　　目前，因打印精度和材料的限制，只能满足结构稍简单的鞘翅目昆虫，蛾类、蝶类、蜻蜓类等具有较大翅脉结构的昆虫，翅的薄度、膜翅的翅脉、虫体刚毛等结构打印难度较大且易破碎，故先行选择该5种科普意义和价值较高的鞘翅类检疫性昆虫。根据昆虫体型的大小不同，选择我国进境植物检疫工作中截获的5种常见检疫性有害昆虫，分别为黑脂大小蠹Dendroctonus terbrans（小型昆虫）、云杉八齿小蠹Ips typographus（小型昆虫）、马铃薯甲虫Leptinotarsa decemliniata（中型昆虫）、双钩异翅长蠹Heterobostrychus aequalis（中型昆虫）、橙斑白条天牛Batocera davidis（大型昆虫）（表1）。 　　
　　
　　1.2 三维模型构图软件
　　三维模型是指通过绘图软件对多角度图片信息合成或直接利用高精度扫描仪扫描实物三维信息合成的模型[8-11]。根据建模方式可以分为绘图建模和结合建模。绘图建模是指利用三维建模软件，参照目标物长宽高比例等参数，人工构建三维模型，它区别于将多角度拍摄的照片直接合成的图像。绘图模型可以应用于三维模型打印，而多角度合成的图像只能多角度观察而无法3D打印。绘图建模突出优点是昆虫细节结构表达清晰。其缺点是对建模人员要求高，对人员技术水平、经验等要求高，且速度慢。3D制图软件有许多种，如3Dsmax、rhino、cinema 4D、zbrush、poser、silo&modo、maya、Softimage XSI 5.01、3D机械绘图软件-VariCAD，模具3D软件Pro/E、UG、AutoCAD等，3DSMAX广泛应用于建筑，而Pro/E、UG应用于模具制造的3D图中，在昆虫模型构建中软件ZBRUSH具有利用数字化笔刷及雕刻刀，对三维扫描数据进行二次编辑，雕刻修复等全面的功能，易于学习操作，非专业人员亦可操作的优点。结合方式建模是指结合扫描仪收集基础三维信息数据和人工三维绘图软件切削、填充、拉伸调整，共同完成完善三维模型的过程，该试验利用结合方式建模已构建了该5种检疫性昆虫的3D模型，并以该批模型进行3D打印方法的研究。
　　1.3 三维打印机筛选
　　SLA技术即立体光固化成型技术，是用激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面顺序凝固，周而复始，这样层层叠加构成一个三维实体[12-13]。优点是由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。可以加工结构外形复杂或使用传统手段难以成型的原型和模具，使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本。可联机操作，可远程控制，利于生产的自动化。缺点是成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高。软件系统操作复杂，入门困难;使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。
　　 SLS技术即选择性激光烧结技术，是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现黏结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型[14-15]。优点是可采用多种材料、制造工艺比较简单、无需支撑结构、材料利用率高、生产周期短等，缺点是表面粗糙、精度不足、不环保等。
　　FDM技术即熔融沉积成型技术，是一种不依靠激光作为成型能源，而将各种丝材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型的方法[16-17]。优点是工艺干净、操作简单、环保、原材料费用低等，缺点是精度较低、强度小、成形速度相对较慢等。
　　SLM技术即选择性激光熔化技术，是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术[18]。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106 W/cm2。目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、Co2激光器、光纤激光器。这些激光器产生的激光波长分别为1 064、10 640、1 090 nm。金属粉末对1 064 nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对10 640 nm等较长波长激光的吸收率较低。因此在成型金属零件过程中具有较短波长激光器的激光能量利用率高，但采用较长波长的Co2激光器，其激光能量利用率低。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。SLM优势在于在加工过程中用激光使粉体完全熔化，不需要黏结剂，成型的精度和力学性能都比SLS好。但SLM打印材料需在高温液态下凝固成型，尺寸收缩、结晶晶粒粗大及内应力等问题（表2）。
　　
　　常见3D打印材料包括塑料类、金属材料类、树脂材料类、混合粉末类等[19-21]。光敏树脂材料是一种崭新的材料，与一般固化材料比较，具有固化快、无需加热、无需配制等优点，但该类树脂在固化过程中都会发生收缩、性脆易断裂、不耐高温等缺点。薄材具有抗湿性、浸润性、足够抗拉强度、较小收缩率等优点，但从废料中将3D 打印件进行剝离难度大，打印件表面粗糙不光滑，带有明显的阶梯纹且容易出现层裂等。高分子材料（主要包括聚碳酸酯、聚苯砜等）原型材料丝精细且成本较高，沉积效率较低，仅局限于低熔点的材料范围是该类3D 打印材料的主要缺点。粉末材料是各类粉末，如尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（打印后常须进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和覆蜡金属粉等。单一金属烧结过程中很容易产生“球化”现象，具有不受零件形状复杂程度限制，无需任何支撑且尺寸精度较高，成型材料广泛，材料利用率高等优点，但其制件力学性能差，表面质量差，致密度低且后续渗铜致密工艺过程复杂，是该类材料的主要缺点（表3）。
　　
　　1.4 试验方法
　　选取5种不同体型大小的检疫性有害生物作为试验对象，利用5种检疫性有害生物的三维模型进行3D打印，将打印的成品模型与实物昆虫标本进行形态特征比较，对比SLA、SLS、SLM、FDM 4种打印标本，筛选出一种形态还原度较高的打印方法和材料。之后，通过对比整体打印和分离打印、不同打印比例以及不同打印模型摆放角度等以获得最佳打印方法。利用有色树脂打印、人工手绘、喷绘等方式对昆虫3D模型进行着色试验，使模型标本与实物标本的色彩、斑纹等颜色相似度达到最佳效果。试验流程见图1。 　　2 结果与分析
　　2.1 3D打印方式筛选
　　选用光敏树脂、尼龙、金属、混合粉末为打印材料，分别采用相应的3D打印技术同比例打印一个云杉八齿小蠹模型（表4）。SLA打印技术利用打印机品牌型号为Formlabs，材料为光敏树脂。SLS打印技术利用打印机品牌型号EOS760，材料为金属和塑料粉末。FDM打印技术利用打印机品牌型号3DDP-P10，材料为线性塑料。SLM打印技术利用打印机品牌型号3DSLM250，材料为金属。
　　打印结果显示，SLA打印技术成型速度较快，表面细微结构呈现度较好。SLS打印技术打印的成品表面粗糙、精度不足。FDM打印技术打印的成品表面连接支撑物无法去除，表面粗糙且颗粒感较强，但成型较快。SLM打印技术打印的成品晶粒粗大、精度不足（图2～4）。
　　 4种打印模型比较发现，金属材质具有致密坚固的优点，但其支撑部分与打印成品部分很难分离，对成品造成干扰，且成本较高;塑料材质有价格低廉的优势，但其细节呈现度极差，完全无法体现昆虫体表的凹凸沟点等特征。光敏树脂具有成本较低、细节还原度高的特点。但光敏树脂在打印昆虫微小结构如足跗节、触角等部位时，常因材质较脆而导致分离支架的过程破损（图5），这时可以针对虫体部分采用质地较硬的材质进行打印，而昆虫的足和触角等细小结构则需要采用韧性材料（即经调制后的光敏树脂）（图6）。
　　
　　速原型制造工艺，利用树脂的光固化原理通过光轴的移动来实现打印，打印成品尺寸的大小取决于打印设备的大小。由于打印的是昆虫标本，因此对设备体积的要求并不高。在打印过程中，需要研究如何设置打印参数才能得到最高的打印效率、最佳的打印效果和最经济的打印成本，因此研究打印模型的缩放比例，打印模型在树脂槽中摆放位置，打印模型一次性打印数量，打印模型的整体与分离打印等打印关键环节对打印效率、经济型、可行性均有至关重要的影响。
　　2.2.1 打印最佳放大比例的确定。
　　微小昆虫常小于10 mm，但其3对足、触角和复眼等特征常为其1/10乃至1/100长度，如橙斑白条天牛触角末端仅为0.3 mm，黑脂大小蠹触角梗节最窄处仅为0.02 mm，如果直接按照1∶1进行3D打印，其触角、足等结构机器无法打印，致使打印失败。研究发现，双钩异翅长蠹放大3倍打印时，其足已不足以完整打印，打印的触角等细小结构极易破损。因此打印过程中要摸索不同昆虫种类应选取适合的放大比例进行打印，以3D打印机Formlabs为例，打印样品最细部分（如触角、足）要达到1.5～2.0 mm才不易折断，所以打印的体长最小尺寸一般要5 cm。
　　因此，在确定打印缩放比例时，需要根据虫体最小构造尺寸和打印机最高精度来确定最优放大比例（图7）。5种昆虫不同放大比例下打印的结果见表5。
　　2.2.2 摆放位置及打印数量的确定。
　　当同时打印多个模型时，模型必须无交叉最大限度利用有限的空间位，模型位置交叉则机器无法执行打印，这就要求在模型输入打印机之前，合理构建模型支架。如昆虫体型多为长条形，竖直打印和横向打印存在巨大差异。体型较长的昆虫若采用竖直打印则要求树脂槽必须较深，致使树脂的量存在极大浪费。但适度倾斜式打印可以增加一次性打印数量，利于成品与支撑结构的分离，但倾斜式会增加打印层数，延长打印时间（图8、9）。
　　2.2.3 整体及分离打印。
　　分离打印和整体打印效果不同，
　　整体打印过程中，足和触角等结构与支撑结构常常很难分离，成品和打印机分离过程极可能会有破损发生，致使打印成功率有所下降。如马铃薯甲虫，可以利用ZBRUSH软件将虫体分割成触角、躯干、六足3个主要部分，然后對3个部分分别进行打印，再进行拼接、黏合，最终形成一个完整的虫体（图10、11）。
　　
　　2.3 3D模型着色
　　在3D 打印模型成型后，有相当一部分昆虫需要通过给虫体表面上色才能获得最终的颜色特征。3D 打印发展至今，颜色表征的实现主要有2种途径：一是成型后再进行着色，主要依靠人工上色;二是打印过程中采用多材料打印，在不同区域采用不同颜色的材料成型，但受到材料更换及按需打印的技术限制，最终只能获得多色样件，无法实现真彩的颜色梯度。该方法体现于FDM的多喷头、多色丝材打印。三是基于现代彩色印刷技术的混色原理，利用基础颜料：青色（Cyan）、品红色（Magenta）、黄色（Yellow）、黑色（Black）进行混合以获得CMYK 颜色空间色域表达。利用2D 印刷技术，在每层打印的同时或之后进行选区着色，可以获得色彩缤纷的成型样件，这种方法几乎可以与目前所有的3D 打印方法进行集成，而实现应用仍需要进行大量的研究[22-28]（图12）。
　　昆虫体色大多为黑、灰、褐等，如双钩异翅长蠹、黑脂大小蠹虫体通体纯黑，可采用纯黑树脂直接打印即可，部分特征只需在局部进行着色即可。光敏树脂可以通过三原色染料的不同比例配比出多种颜色树脂，但目前限于SLA型打印机功能的局限性，只能打印单色模型，但大多数昆虫种类常有不规则色点和色斑，因此，对于这部分昆虫而言，在打印虫体时应考虑使用单一浅色树脂材料，在分离打印完成后再对各部分分别进行人工手绘、喷漆的着色处理，最后进行组装拼接。
　　
　　该试验均根据标本昆虫表面的原始颜色特征，采用马克笔、马利单色颜料自行调配出昆虫体色混合颜料，手工涂色而成。单一体色的昆虫模型可以直接用调配好的单色光敏树脂直接打印，如黑、棕、灰等。多体色昆虫可以先利用机器打印主体后人工上色（图13、14）。人工手绘通常先利用有色树脂（树脂中调配颜料）打印虫体主色，而单色树脂（透明树脂）、白色树脂、黑色树脂可以作为底色打印，如马铃薯甲虫和橙斑白条天牛，采用先机器打印主色，后期人工上色，在着色试验过程中，将打印好的半成品虫体分别交给专业美术人员和零美术人员进行着色试验，结果表明，体色较为均匀且不复杂的昆虫对上色人员的美术技术功底要求并不高，反之，如果体色变化较为复杂（如体色为金属色或渐变色）则还是需要较高的美术功底。 　　
　　3 结论与讨论
　　随着科技的发展，3D 打印技术逐渐走进人们的日常生活。3D打印的核心成型理念是将物体先离散再堆积的制造过程。整个过程中，最关键的步骤是模型构建、选取打印技术、选取打印材料、模型着色等环节[29-30]。
　　3D打印技术领域应用到昆虫学鉴定、学术科普具有极强的现实意义。该研究以此为目标，研究昆虫3D 打印技术、打印材料、上色着色等过程的融合方法，为后续的研究提供基础支持[31-32]。
　　该试验主要采用5种昆虫作为打印模型，通过实物标本与打印成品进行形态学比对，对4种打印技术[激光烧结技术（SLS）、熔融沉积成型技术（FDM）、立体光固化成型技术（SLA）、选择性激光熔化技术（SLM）]、4种3D打印材料（塑料类、树脂类、金属类、混合粉末类），2种昆虫3D模型着色方式进行综合筛选。综合多项试验结果，对昆虫3D模型打印各个环节进行了优化选择，筛选出了最佳的昆虫3D模型打印方案。通过筛选发现光固化（SLA）打印技术可以较好地还原出昆虫基本特征且细微特征还原度较高。光敏树脂具有成本较低、细节还原度高、质地柔韧度可调节等特点，可以较好地应用于昆虫3D模型打印。在打印时，应选择昆虫主干与肢体相分离的打印方式，打印设置中需依据昆虫原始尺寸确定最佳打印放大比例，打印虫体体长应不小于5 cm。此外，在相同打印个数的情况下，虫体在打印机平台上的空间摆放位置不同，打印层数与空间Y轴高度呈正相关关系，打印时效和所需耗材量均受到不同影响，层数越多，耗时、耗材越大。模型目前还无法实现彩色3D打印，采用人工着色方法，通过将专业美工人员与非专业人员进行对比，结果表明，在昆虫体色单一且斑纹简单的情况下，两者无显著差异。
　　将此次研究成果同苏州海关、太仓海关、南通海关3个隶属海关进行了科技共享，丰富了他们的标本种类和图像数据保存形态，同时利用打印好的3D昆虫模型标本开展了国门生物安全进校园、实验室开放日等科普活动，获得了广大中小学生和社会大众的认可和赞赏，体现了较强的科普价值，该研究为3D打印技术在昆虫学方面的应用提供技术支持。
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