基于三維掃描及3D打印對南越王句鑃復(fù)制設(shè)計

唐劍隱，胡耀佳，高力強(qiáng)，陳世輝，王為鋼，艾倫華

(武漢工控藝術(shù)制造有限公司，湖北　武漢　430000)

0　引言

武漢工控藝術(shù)制造有限公司(前武漢機(jī)械工藝研究所)在1983年首次成功復(fù)制了1978年湖北省隨縣(今隨州市)曾侯乙墓出土的曾侯乙65件套編鐘。1997年香港回歸慶典時，在世界著名指揮家譚盾先生的指揮下，這套復(fù)制編鐘奏響了 “天·地·人” 交響曲。該套鐘已定為國家二級文物，現(xiàn)藏湖北省博物館。自成功復(fù)制曾侯乙編制后，公司一直致力于文物復(fù)制工作，特別在古代打擊樂器方面積累了大量研究成果。2017年，武漢工控藝術(shù)制造有限公司承接“北京師范大學(xué)—香港浸會大學(xué)聯(lián)合國際學(xué)院(UIC)南越王墓句鑃復(fù)制”項目，本項目要求在原句鑃整套8件的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代演奏樂器音律要求，將整套句鑃擴(kuò)大至18件，公司技術(shù)人員通過細(xì)致研究設(shè)計，在原句鑃基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)代音律要求對新18件套句鑃進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。

1　設(shè)計方案

1.1　整體尺寸設(shè)計

南越王墓出土的句鑃整套為8件，項目要求按照現(xiàn)代演奏音律要求擴(kuò)大至18件，需在原句鑃尺寸基礎(chǔ)上按照音律分布要求重新設(shè)計整套句鑃，設(shè)計尺寸如表1所示。

1.2　設(shè)計流程

句鑃復(fù)制設(shè)計流程為：①1號句鑃蠟?zāi)Ｖ谱?②三維掃描1號蠟?zāi)＃敵鳇c云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后建立三維實體模型，并按照設(shè)計尺寸等比例放縮得到整套18件套句鑃三維實體模型；③模型輸入3D打印機(jī)打印實體；④利用打印實體進(jìn)行翻模后一次性澆注成型出產(chǎn)品。

2　基于三維掃描及3D打印技術(shù)對句鑃的復(fù)制設(shè)計

2.1　設(shè)備型號及工作原理

(1) 三維掃描儀使用先進(jìn)的德國蔡司COMET-L3D-2系列藍(lán)光掃描儀。該掃描儀為非接觸式光柵藍(lán)光三維掃描儀，工作原理為：使用藍(lán)光對輸入對象進(jìn)行三維掃描，使用CCD相機(jī)接收其反射光束，根據(jù)三角測距原理獲得與拍攝物體之間的距離，并進(jìn)行三維數(shù)據(jù)化處理，經(jīng)過軟件的處理得到物體的坐標(biāo)點(稱點云)或者三角面。其掃描精度可達(dá)0.008 mm，由于該儀器具有非接觸式掃描方式和掃描精度高等優(yōu)點，因此非常適用于文物相關(guān)行業(yè)。掃描儀如圖1所示。

表1　18件套句鑃設(shè)計尺寸　mm

(2) 3D打印機(jī)使用美國3D SYSTEMS公司ProJet MJP 3600 MAX打印機(jī)，其基本原理是：將計算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計算機(jī)根據(jù)此信息控制激光器(或噴嘴)有選擇性地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料(或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料)形成一系列具有微小厚度的片狀實體，然后再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層疊加。

ProJet MJP 3600 MAX型3D打印機(jī)采用光固化成型法(簡稱SLA)，成型材料為光敏樹脂，在極高清(XHD)模式下，打印層厚可達(dá)16 μm。3D打印機(jī)如圖2所示。

圖1ZEISS COMET-L3D-2 5M掃描儀圖2ProJet MJP 3600 MAX打印機(jī)

2.2　三維掃描、數(shù)據(jù)處理及建模

(1) 1號句鑃蠟?zāi)ＨS掃描。設(shè)計人員先按照設(shè)計尺寸制做1號鐘體蠟?zāi)＃鐖D3所示。

(2) 掃描蠟?zāi)＜皩呙椟c云數(shù)據(jù)處理。利用三維掃描儀對1號蠟?zāi)＿M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集后的原始點云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖31號句鑃蠟?zāi)D41號蠟?zāi)Ｔ键c云數(shù)據(jù)

從圖4中不難看出，鐘體的表面點云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行光順處理，同時鐘體邊緣點云數(shù)據(jù)有不規(guī)則噪點，需進(jìn)行噪點去除和邊界平滑處理。對點云數(shù)據(jù)的處理使用Geomagic Studio逆向軟件，先對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行表面光順處理，去除點云噪點；然后再對處理后的點云數(shù)據(jù)鐘體曲面進(jìn)行面域優(yōu)化，對點云邊界進(jìn)行平滑處理，并鏡像后創(chuàng)建實體。1號鐘體實體模型如圖5所示。

圖5　1號鐘體實體模型

(3) 實體放縮。利用1號鐘體實體模型，使用Soild Works軟件根據(jù)表1的設(shè)計尺寸進(jìn)行實體放縮，得到18件套句鑃實體模型，并保存為STL格式。18件套句鑃實體模型如圖6所示。

2.3　3D打印

將設(shè)計的三維實體模型以“STL”格式輸入3D打印機(jī)，使用光敏樹脂為打印材料，打印出18件套句鑃實體，其中2號句鑃打印實體如圖7所示。

圖618件套句鑃實體模型圖72號句鑃打印實體

3　結(jié)語

編鐘興起于西周，盛于春秋戰(zhàn)國直至秦漢。編鐘類樂器的發(fā)聲原理大體是：鐘體小，音調(diào)就高，音量也小；鐘體大，音調(diào)就低，音量也大，所以鑄造時的尺寸和形狀對編鐘類樂器有重要的影響。而鐘體部分又是由許多不統(tǒng)一的曲面組成，這使得傳統(tǒng)的三維建模設(shè)計很難還原編鐘鐘體實際形狀，以前的設(shè)計工藝是每一個鐘體都由技術(shù)熟練的雕刻技師依照編鐘主要尺寸反復(fù)修正制作蠟?zāi)＃倮孟災(zāi)＿M(jìn)行翻模澆注，蠟?zāi)ＴO(shè)計制作需花費(fèi)大量的時間，而且對雕刻技師的水平要求極高。通過三維掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合的逆向反求設(shè)計，在對一個實體掃描建模后通過放縮的方式得到一套句鑃的實體模型，不僅大大節(jié)約了制作蠟?zāi)５臅r間，而且使一套句鑃鐘體曲面保持一致，這將最大程度地保持句鑃的整體美觀效果，并提高后期的調(diào)音效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙煦，周克勤，閆利.基于激光點云的大型文物景觀三維重建方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2008,33(7)：684-687.

[2]黃平.3D掃描技術(shù)在雕塑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].雕塑，2010(4):22-23.

[3]張琛.計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)在文物修復(fù)中的應(yīng)用[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2002(2):36-38.

[4]尤紅建.激光三維遙感數(shù)據(jù)處理及建筑物重建[M].北京：測繪出版社，2006.

[5]李文怡，張蜓，楊潔.三維掃描及快速成型技術(shù)在文物修復(fù)中的應(yīng)用[J].文博，2012(6):78-81.