三維掃面逆向工程在石灣公仔量產流程上的研究

(佛山科學技術學院 廣東 佛山 528000)

探索三維掃描技術、逆向重構技術與3D打印技術與傳統的手工藝項目相結合，讓現代掃描打印技術在傳統手工藝品制作過程的產品設計、開料制作、二次創作、修補完善等過程中起到具體作用，將現代科技與傳統技藝相結合，從而突破傳統的石灣公仔批量制作、生產的缺陷，降低破損率，從而降低生產成本。

一、相關產業研究

(一)石灣公仔相關產業現狀

石灣陶瓷公仔藝術，民間俗稱石灣公仔，是中國陶瓷名鎮——廣東省佛山市石灣鎮出產的陶瓷手工藝品，石灣公仔被視為平民的藝術品，因為它不僅可以用來收藏，還可以當作風水擺件放置在家中，或作為實際生活用品使用。石灣陶藝在一步步的發展中逐漸脫離實用性，向藝術靠近，成為表現藝術的一種載體，這可能是它沒有被時代丟棄的原因。給人以美的享受是“石灣公仔”的價值之一，但讓它能夠成功申為非遺的決定性因素是，它像百科全書一樣把每個時代人們的生活習慣、風俗信仰、社會百態記錄下來。經過長期的歷史演變，這種傳統民間藝術漸漸受到重視[1]，但相關的企業、陶藝家、設計師等對石灣公仔的投入大體在情感化設計及材料、成型方面的研究[2]，在生產流程的技術研究上較匱乏。

(二)三維掃描逆向工程與3D陶瓷打印

三維掃描逆向工程和快速原型技術不但能夠縮短產品開發的時間，也能夠檢測現有的產品、修復損壞的產品、檢測產品的實際數據與設計數據之間的誤差[3]，其作為一種新產品開發以及消化、吸收先進技術的重要手段,可以勝任消化外來技術成果的要求。它們的出現改變了傳統產品設計開發模式,大大縮短了產品周期,提高產品研發的成功率。

當今，國外各個行業越來注重產品的外觀設計，以此來吸引顧客，最終在商業上取得成功。國外已有很多研究，其中包括硬件和工藝開發、材料開發、應用開發，以及提供商業可用和專有服務的逆向工程專業化服務。目前，逆向工程廣泛應用于產品改型或仿型設計。西門子電氣的逆向工程小組通過對渦輪葉片進行逆向設計，優化設計方案，在不到12天的時間內就開發出了用于其它方面的新型渦輪，目前該套系統已開始對外提供逆向工程應用服務。2000年，波音公司應用逆向工程技術對波音747的尾翼進行了復原設計，并在一個工作日內制造出了零件，為老式飛機的維修和零件更換提供了快捷途徑。

陶瓷3D打印技術是當前研制出來的一種新技術，能夠清晰地利用數字化的方式展現產品，陶瓷3D打印技術與傳統陶瓷設計方法相比，有著較為明顯的優勢，不僅能夠將設計師的想法更好地展現在電腦中，修改起來更為方便，節省了傳統陶瓷設計方法中手工制作的時間與成本，還運用了轉換器將三維與二維互換，提升了制作效率及精確程度。但這一過程也存在一定的弊端，3D打印技術會導致表面質量不高，出現凹凸不平的紋理，這一紋理雖獨具特色，可以突出陶瓷自身的特點，但不能滿足表面光滑的要求，要想提升其光滑程度，需要對瓷器的外表進行優化打磨[5]。

二、三維掃面逆向工程在石灣公仔生產中的應用

在石灣公仔傳統的手工藝制品流程中，耗時且耗費最高的部分在于人力制作步驟。隨著商業化對手工藝制品的要求逐漸提高，傳統的量產方式如開模、倒模等制作方式，試錯成本高，量產效率低。三維掃描逆向工程與3D打印技術的結合使得前期手工制作的石灣公仔模型可通過中期的三維掃描逆向工程，到后期3D陶瓷打印模式實現量產，同時隨時對產品形態與顏色進行微點調控。通過對生產流程的控制，在減少生產步驟、降低人工成本、降低生產制造的時間等成本上達到最大化量產的效果。

石灣公仔是佛山市一項歷史悠久的文化產業，該項目為石灣公仔的生產提出新的流程和思路，并能夠通過數字模型對石灣公仔的造型做長久的保留和修改，旨在用新技術方式，對傳統的佛山石灣公仔的相關文化產業的傳承和發展出一份力。

三、基于三維掃描逆向工程的石灣公仔生產流程

從手工實物設計——數字模擬再設計——二次實物測試——實物批量生產的思路，與一般產品設計流程不同，該項目的設計流程思維是將已手工簡易制作的產品或虛擬產品在軟件中做多次的創新、修改等工作，可通過相關軟件對產品做物理測試，再通過3D打印技術成型后做實物測試，對數字模型進行二次修改，最后達到批量生產的結果，大大降低試錯成本與制造流程中的人力、物力的資金投入。基于三維掃描逆向工程的石灣公仔生產流程具體步驟如圖1：

步驟1.實物模型向數字模型的轉化。將三維幾何點云數據轉化為CAD模型數據，對原始數據進行分析過濾，隨后基于處理后的點云數據實現產品表面曲面的重構及優化，充分融合了特征建模與非特征建模的優勢，可實現復雜的多曲面、大曲率模型的逆向重構最終生成符合生產要求的石灣公仔的CAD可計算模型。

步驟2.數字模型的二次創新與修改。將收集的空間點云數據進行整理后的佛山石灣陶瓷公仔進行數字化修改、彌補和二次創新等操作，降低產品二次改造的難度與成本；同時可突破因工藝者制作技藝限制的瓶頸，讓石灣公仔造型與色彩更豐富、更具地方特色，且應商業化需求可做更高級的個性定制。在產品量產前做相關軟件的物理測試，大大降低試錯成本。

步驟3.數字模型進行實物量產。與傳統的手工倒模方式不同在于3D打印技術是將陶瓷材料以層級堆疊的形式塑造形體，在制作過程中需要研究和總結不同模型的打印方式。最終通過3D打印技術做樣品測試后，可使得不規則的手工藝品經過多次的創新設計行為。

圖1