基于Creo Parametric技术的马尾松微观模型构建

杨天舒，胡进波，汪倩倩，王熠章，苌姗姗，刘 元

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

对木材微观构造的认知，不仅是木材鉴定的主要依据，也是木材材性研究的理论基础[1]。木材是由细胞组成，主要细胞有管胞、导管、纤维、轴向薄壁组织、木射线、胞间道等，不同种类木材的细胞组成及排列不相同，继而形成了各树种木材丰富的微观/超微观构造。随着木材解剖技术、显微技术等分析观测手段的不断进步，木材微观构造认识得到了快速、全面的发展。借助放大镜、体视显微镜能观察到木材细胞组织形貌、排列轮廓等[2-3]，在光学显微镜下可以清楚分析木材细胞类型、细胞分布、细胞壁构造等[4-6]，而细胞壁结构特征可以凭借扫描电镜清楚地捕捉和分析[7-9]，这些手段和方法都观察和分析的是木材二维平面图像。覃卓凯[10]通过3Ds Max 建模技术绘制10 种阔叶材的微观结构，并以石膏粉末为原料进行立体打印，清晰呈现木材微观三维立体构造。有关木材微观结构研究、从微观至超微观、从二维图像至三维成像，学者们展开了大量工作，但目前对于木材微观模型构建的研究非常少见，木材三维立体结构仍缺少恰当的实体化呈现方式。

Creo Parametric 技术具有参数化建模、实体特征建模等特点，可以通过参数化精确处理内部复杂结构对象；对于内部结构差异大的单元及其多种类，可以通过模型参数确定，提高建模效率、相似度和准确度[11-12]。此外，Creo Parametric 参数化建模的关键在于根据模型特点建立样本模型并分析提取模型的设计参数，因此，对于结构类似的建模对象可通过修改设计参数来实现，不必像3Ds Max、CAD 等软件重新再构建新模型[13-14]。木材具有细胞类型丰富、细胞排列方式各异、细胞尺寸多样化等结构复杂且各向异性特点，建模过程中需要灵活调节模型参数才能达到快速建模的效果。本研究选取常见的针叶材马尾松Pinus massoniana为研究对象，对其显微构造进行观察与分析，测量其主要细胞组织形态特征，通过运用参数化建模方法[15]，基于Creo Parametric 技术对马尾松的微观结构进行分析建模，将设计的基元依实际微观观测结果进行灵活校正，然后将Creo Parametric 模型与打印平台相结合，利用3D 打印技术将虚拟的模型物化，获得马尾松木材微观构造的三维立体“宏观”实体模型。Creo Parametric技术是一种更便捷、更精准地宏观展示木材微观构造特征的研究方法，以期满足木材微观或超微观等复杂多变的结构认知，也期望为木材科学科普、木材美学价值开发利用等方面提供基础参考，也将为制备生物质模板、高性能仿生材料制备研究提供生物学理论基础。

1 建模前准备

1.1 实验材料

马尾松木材采自湖南祁阳某林场。主要化学药剂：1%番红染液（上海陆忠化学试剂有限公司），无水乙醇（国药集团化学试剂有限公司），中性树胶（上海化学试剂厂），30%硝酸（国药集团化学试剂有限公司）。弘瑞3D 打印机和Ф1.75 mm PLA 打印丝。

1.2 试验方法

1.2.1 显微制片

制作10 mm×10 mm×10 mm（纵向×弦向×径向）木材试样，将试样放入烧杯中煮至下沉以排除试样内空气。用滑动式切片机将木材表面切平整，分别切取10～15 μm 厚度的木材三切面。选取完整的切片用1%番红染液染色10 h，随后分别用浓度为50%、70%、85%、95%、100%的酒精逐级脱水，各10 min，最后用中性树胶进行封固制作永久切片[16]。

1.2.2 木材细胞离析

将马尾松试样沿纵向劈成小火柴状，在试管中放入数根并加水至淹没，置于水浴锅中加热煮沸，至小木棒下沉排出木材内部空气。将试管中的水移除后加入30%硝酸，在水浴锅中加热至完全软化，震荡后呈絮状。静置后倒出硝酸，用蒸馏水清理数次至溶液颜色变成无色，无酸性。用毛笔挑出少许木浆置于载玻片上，制成临时切片进行观察[17]。

1.2.3 微观构造的Creo Parametric 建模

首先对马尾松的微观构造特征进行观测与分析，包括管胞、轴向薄壁组织、木射线和树脂道的微观构造特征，以及各细胞组织的长度、宽度、壁厚、胞腔直径，组织比量等构造形态特征；然后采用Creo Parametric 技术依据木材三切面的细胞组织排列及形貌特征，确定马尾松木材微观模型的外形和尺寸参数；最后通过实体的混合、扫描、拉伸、旋转、阵列等命令完成木材微观构造模型创建[12]。

1.2.4 3D 打印

在Creo Parametric 中将马尾松微观模型以stl 格式导出，将stl 文件在弘瑞3D 打印系统（Modellight）中打开，模拟状态下调整马尾松微观模型的位置，使其放置位置便于打印与取件。调整完成后进行切片处理，分析其打印过程是否存在缺陷，无误后以gcode 格式导出切片数据。打开弘瑞打印机，将弘瑞Ф1.75 mm PLA 打印丝插入送料器预热。预热完成后，在操作界面打开gcode格式，点击开始打印。

2 建模参数的确定

2.1 马尾松整体结构尺寸的确定

图1为经番红染色的马尾松木材三切面显微图像。从图1a 中可以看出，组成马尾松的主要细胞类型为轴向管胞，轴向管胞在横切面上呈四边形或六边形，沿径向有序排列。在一个生长周期内，早材至晚材过渡急变。正常轴向树脂道在横切面单独分布，靠近晚材带或早晚材交界处。在弦切面上（图1b），径向树脂道存在于纺锤状木射线中。木射线在横切面上呈辐射条状，在弦切面上呈短线或纺锤状，以单列木射线为主，通常4～6个细胞高。在径切面上（图1c），轴向管胞壁具有具缘纹孔，横卧的射线薄壁细胞与早材轴向管胞交叉形成井子区。

图1 经番红染色的马尾松木材微观三切面Fig.1 Microscopic three-sections of Pinus massoniana Lamb.stained with safranin

为获取建模数据对横切面的特征进行分析。将横切面进行划分为晚材（a）、晚材（b）、晚材（c）、早材（a）、早材（b）、早材（c）6 个区域，如图2所示。

图2 横切面区域划分Fig.2 Division of cross-sectional area

采用ImageJ 图像软件[18]分别测量6 个区域管胞的弦向直径、弦向腔径、径向直径。计算管胞的弦径直径比和弦向壁腔比[19]，如表1所示。

通过表1可知，从早材到晚材管胞的弦向直径、径向直径、弦向腔径均逐渐减小，即管胞直径在逐渐减小。管胞弦向直径与径向直径的比值由接近于1 逐渐变大，表明管胞在横切面形态由正方形向长方形渐变。同时，管胞弦向壁腔比逐渐变大说明从早材至晚材管胞胞壁逐渐变厚。

2.2 组织细胞形态尺寸的确定

2.2.1 轴向管胞

轴向管胞是针叶树材最主要的细胞类型，沿主轴方向排列的厚壁细胞，胞壁上具有纹孔，起输导水分和机械支撑的作用[20]。管胞在横截面上沿径向排列，彼此之间有些交错。早材与晚材管胞形态略有不同，早材管胞腔大壁薄，横截面呈六边形或多边形，两端呈钝阔形。而晚材管胞腔小壁厚，横截面呈扁平的四边形，两端呈尖楔形。采用ImageJ图像软件[18]对管胞的外形尺寸进行测量，早材管胞平均直径为50 μm，平均长度3.3 mm；晚材管胞平均直径34 μm，平均长度3.6 mm。轴向管胞约占木材体积90%。管胞壁上可观察到具缘纹孔，在径切面上可以看到纹孔口呈圆形单列分布，大而多（图3）。

表1 马尾松早晚材不同区域管胞结构形态数据Table 1 Data of tracheid at different areas of early and late wood of Pinus massoniana Lamb.

图3 马尾松木材早材(a)与晚材(b)管胞形态Fig.3 Morphology of earlywood tracheid(a) and latewood tracheid(b) of Pinus massoniana Lamb.

2.2.2 薄壁细胞

轴向薄壁细胞相互串联形成轴向薄壁组织。经离析后得到的马尾松轴向薄壁细胞，轴向薄壁细胞壁薄腔大，数量较少，细胞较短，两端水平，壁上为单纹孔，与轴向管胞形成鲜明的对比（图4）。采用ImageJ 图像软件[18]对薄壁细胞的外形尺寸进行测量，薄壁细胞的平均长度为96 um，平均直径为17 um。

图4 经离析得到的马尾松木材薄壁细胞Fig.4 Pinus massoniana Lamb.parenchyma cell obtained by isolation

横向分布的薄壁细胞是位于木射线中的射线薄壁细胞。射线薄壁细胞形体大，呈矩形或者不规则形状，壁上具单纹孔，是组成木射线的主体。木射线是组成针叶木材的主要成分，约占总体积的7%[21]，在弦切面上可以观察到木射线主要有单列木射线和纺锤形木射线两种形态。泌脂细胞是一种薄壁细胞，细胞壁薄，细胞腔较大，泌脂细胞壁上无纹孔，少而小。树脂道是由泌脂细胞、死细胞、伴生薄壁细胞和管胞所构成的一种孔道结构，平均占木材体积的0.1%～0.7%[22]。

3 马尾松建模与成型

3.1 细胞参数化建模

Creo Parametric 参数化是根据零件或组件的特点，对各部分进行形体分析，并赋予其特征值，通过改变特征值来进行快速建模和几何模型修改[23]。参数化建模最重要的是建立参数化的草绘，每一个草图需独立存在，彼此之间建立约束，固定其位置。当控制参数改变时，可保证各草绘图形不发生交错或重叠。下面以单列木射线为例建立草绘约束图，如图5所示。

在建模过程中可充分利用尺寸约束与关系式，对于尺寸相同的基元建立尺寸约束，如长度、宽度、直径等可变参数，通过修改其中一个尺寸，相同尺寸也会随着改变。同时为保证各基元之间的相对位置，可建立如平行、垂直、对称等位置约束。尺寸约束与关系式是尺寸驱动建模的前提，通过尺寸修改从而达到快速建模的要求。

图5 单列木射线草绘约束图Fig.5 Sketch constraint diagram of uniseriate ray

根据各细胞组织的特点及形貌尺寸参数，分别完成木射线模型、纺锤形木射线、树脂道模型、轴向薄壁组织模型的创建，如图6所示。

图6 4 种细胞组织模型的创建Fig.6 Establishment of four kinds of cell tissue models

3.2 细胞零件库建立及族表应用

细胞零件库的建立为马尾松木材微观模型的快速建模提供了基础。为有效提高建模速度，可以将创建好的零件存储在系统中，建模过程中如果需要此零件可以直接从零件库中进行调用。下面以轴向管胞为例，对利用族表创建零件库的方法进行说明。轴向管胞的横切面整体呈矩形，在草绘图形中以d20、d19、d18、d17 作为主要驱动尺寸[24]进行参数化设置，如图7a所示。d20 代表内壁长，d19 代表内壁宽，d18 代表外壁宽，d17代表外壁长。草绘完成后将对象拉伸并倒圆角，如图7b所示。族表是一种将相似的模型特征、参数、尺寸进行归纳的表格。表格的每一行代表一种新的模型，每一列代表相对应模型的参数特征，在使用族表前首先要建立母模型，然后通过修改母模型相对应的参数从而获得新的子模型[25-26]。使用Creo Parametric 工具下的族表按钮，选定行插入新的实例，插入新的表列，通过输入d20、d19、d18、d17 新的数值来改变轴向管胞形态。图8为通过改变数据构建的6 组轴向管胞示例。

通过Creo Parametric 的特征编辑和自带的族表功能可以快速的编辑和修改特征，通过族表改变参数的数值来改变轴向管胞的长度、宽度、壁厚和高度等参数，从而创建不同形态尺寸规格的轴向管胞并将其进行分类保存。图9为早材管胞与晚材管胞的细胞模型。

3.3 装配与打印

细胞组织设计完成后可以通过零件之间配合关系建立约束条件，按照细胞的排布规律进行装配，形成一个完整的马尾松木材微观模型。在Creo Parametric 中装配约束可分为刚性约束和用户自定义约束两种类型[27]。刚性约束主要针对固定连接模型并限制其6 个自由度，装配方式主要为匹配、插入、对齐等。而用户自定义约束主要针对活动模型并使其自由度大于等于1，主要装配连接方式有销、滑块、圆柱、槽等[28]。新建装配文件，从文件外调入要装配的零件、子组件或者骨架模型，其后再增加其他的细胞组织从而形成整体。马尾松木材的微观模型如图10所示，并与实际观察的微观图像进行对比。

图7 轴向管胞的参数化模型Fig.7 Parametric model of longitudinal tracheids

图8 族表调节后的轴向管胞模型Fig.8 Longitudinal tracheids model after adjustment of family table

采用熔融层积成型技术[29]，该技术具有成型速度快，生产周期短，制造成本和材料成本较低等优点，因此得到广泛的应用。将creo 模型导入弘瑞3D 打印系统（Modellight）中设计打印参数（填充密度、角度、外壳等）并进行模拟和切片分析，如图11a—b所示。模拟分析完成后，预热打印机，将弘瑞Ф1.75 mm PLA 打印丝进行熔融，打印过程如图11c所示。采用弘瑞Ф1.75 mm PLA 打印丝，因其具有好的刚度，可显著的提高模型的硬度，使模型不易破损，经久耐用，马尾松木材微观实体模型如图11d所示。

图9 早材管胞（左）和晚材管胞（右）模型Fig.9 Early wood tracheids (left) and late wood tracheids (right) models

4 结论与讨论

4.1 结 论

本研究通过显微观测和木材细胞组织离析获取了马尾松木材的微观构造特征，利用Creo Parametric 技术对木材微观构造进行建模，并通过3D 打印技术将虚拟的模型物化获得马尾松木材微观构造的实物模型。该研究为木材微观构造立体模型的创建和木材微观结构的可视化提供探索性思路。同时根据Creo Parametric 技术也可进行其他针叶材或者内部微观结构更加复杂的阔叶材模型的构建。这种木材微观构造的立体模型，让人们更加直观、方便地认识木材的微观结构特征，对木材科学研究与教学具有实际意义。

图10 基于Creo Parametric 技术的马尾松木材微观三维模型构建Fig.10 Construction of microscopic 3D model of Pinus massoniana Lamb.based on Creo parametric technology

图11 马尾松木材微观结构3D 打印流程Fig.11 3D printing process of microstructure of Pinus massoniana Lamb.

4.2 讨 论

因木材内部微观结构的复杂多样性，本研究只对马尾松木材的主要微观结构特征进行分析观察，对胞壁的超微结构形态特征未能全面分析。3D 建模可立体展示木材微观构造，但还未达到1∶1完整复制。此外受打印机的打印精度限制，胞壁厚无法等比例放大，壁厚应大于等于1 mm，模型内部走丝过程，略显粗糙，最终打印的木材微观构造立体模型实物与设计模型存在些许误差。这些不足将随着3D 建模和打印技术的成熟而逐渐改进，更具体形象的针叶材，阔叶材等微观模型将展现于人们面前。