藝術(shù)鑄造中小件模型的數(shù)字化制作技術(shù)

王甜，胡春良

（山西宇達(dá)集團(tuán)，山西夏縣044402）

藝術(shù)鑄造中小件模型的數(shù)字化制作技術(shù)

王甜，胡春良

（山西宇達(dá)集團(tuán)，山西夏縣044402）

藝術(shù)鑄造中小件模型的制作已經(jīng)引進(jìn)全新的數(shù)字化制作技術(shù)，這對(duì)傳統(tǒng)的制模技術(shù)形成強(qiáng)烈的沖擊。本文主要介紹了藝術(shù)鑄造模型前期數(shù)據(jù)掃描、制作以及模型數(shù)字化修復(fù)的全過程，以圖片、文字相結(jié)合的內(nèi)容直觀的做了介紹，完整呈現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)鑄造模型的核心組成部分。

掃描技術(shù)；軟件的應(yīng)用；打印技術(shù)；數(shù)字模型的形成；3D打??；藝術(shù)鑄造中小件模型

中小件模型的數(shù)字化制作技術(shù)主要指三維掃描，3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印機(jī)則出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期，即一種利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。

不同材質(zhì)、用途的模型制作，采用不同的掃描技術(shù)，不同的打印技術(shù)。這里主要從本公司的一些實(shí)際制作方面詳細(xì)介紹數(shù)字模型的制作過程，從所用的加拿大手持掃描儀和德國藍(lán)光掃描儀在工作中不同分配使用，從粉末燒結(jié)的打印到光敏樹脂打印，所經(jīng)歷的經(jīng)驗(yàn)與進(jìn)步。

1 掃描技術(shù)及軟件后期修復(fù)的應(yīng)用

掃描水平的高低會(huì)直接影響模型的質(zhì)量，本公司所用加拿大手持掃描儀和德國藍(lán)光掃描儀是當(dāng)今世界最先進(jìn)的實(shí)物、靜物掃描儀，能夠直接完全復(fù)制三維空間的模型。

1.1 加拿大手持掃描儀的應(yīng)用

這個(gè)名稱為G o SC A N3D的掃描儀，能根據(jù)物體的幾何形狀，有無定位目標(biāo)點(diǎn)均可掃描，不過在一些稍大的，造型復(fù)雜的模型，可采用貼加熒光點(diǎn)完成掃描，掃描的圖像可以通過V x e l e m en t s的軟件進(jìn)行分析，生成精度達(dá)0.5mm的三維幾何圖像，在實(shí)際工作中，可非常方便地制作真人銅像（全家福、婚紗照等），由于這款掃描儀的輕便，容易攜帶，可將掃描的對(duì)象擴(kuò)大到室外的雕塑以及旅游景點(diǎn)的一些文物雕塑的掃描。2014年用這種方法分別對(duì)萬榮后土祠文物《后土娘娘》塑像進(jìn)行掃描復(fù)原制作、夏縣司馬溫公祠室內(nèi)外文物雕塑的掃描制作。另外，還解決了對(duì)中小件雕塑的測(cè)量難題，不再采取手工的測(cè)量法，僅僅2mi n，就可通過掃描及軟件的配合，既快又精確地測(cè)量出面積。

以下通過對(duì)人物掃描的制作以及《后土娘娘》雕塑的掃描處理加以說明。

1.1.1 對(duì)真人對(duì)象的掃描

1）打開掃描軟件V x e l e m en t s對(duì)人物進(jìn)行掃描，掃描的過程中要求盡量不能動(dòng)搖，以免影響掃描效果，給后期的修復(fù)帶來大的工作量，最后導(dǎo)出掃描好的s t l格式的三維文件，掃描工作完成，如圖1.

圖1 掃描過程時(shí)間相對(duì)較長，需采用多次掃描

2）將掃描的文件導(dǎo)入G e om a g ic s t udio軟件，對(duì)掃描帶來的漏洞進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)洞及刪除多余的雜點(diǎn)，由于這款掃描儀對(duì)光，對(duì)顏色的辨識(shí)度不同，黑色頭發(fā)部分一般掃描成為缺陷；將修復(fù)好的文件導(dǎo)出o b j格式即可，如圖2.

3）進(jìn)入Z B r u s h軟件，將做好的文件導(dǎo)入，對(duì)模型上的修補(bǔ)的部分進(jìn)行細(xì)化（如眼睛，眉毛，頭發(fā)部分），可用常用筆刷c l a y的貼加減泥或者mo v e移動(dòng)或者s moo t h平滑，可添加筆刷效果做修飾效果，這些都是修復(fù)模型的簡(jiǎn)潔工具，非常實(shí)用，修復(fù)完成，導(dǎo)出s t l格式。如圖3.

圖2 拼接好的三維圖像進(jìn)行補(bǔ)洞

圖3 修復(fù)完成最終效果

1.1.2 對(duì)《后土娘娘》雕像的掃描及修復(fù)

采用手持掃描儀對(duì)該雕像進(jìn)行掃描，由于該雕像的時(shí)間比較久，材質(zhì)上的一些原因，破舊損壞的面比較多，后期的修復(fù)足足花了半個(gè)月的時(shí)間，其制作流程與上述婚紗照的掃描，修復(fù)、雕刻類同，修復(fù)制作流程如圖4、圖5和圖6.

圖4 掃描好的stl文件導(dǎo)入Geomagic studio軟件綠線黃色部分為掃描的缺陷

圖5 深色部分為修復(fù)補(bǔ)洞的多邊形面

1.2 德國藍(lán)光掃描儀的應(yīng)用

這款稱為C om e t L3D 5M的藍(lán)光掃描儀，采用創(chuàng)新的LE D照明技術(shù)，在特定的范圍內(nèi)，只需要調(diào)整鏡頭，即可快速，便捷地更換視場(chǎng)，若加上系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)的使用，更為方便。采用此款掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)得的數(shù)據(jù)精確，質(zhì)量高，其精度達(dá)到0.02mm，在工作中，廣泛用于對(duì)雕塑模型的放大縮小以及對(duì)植物花草的復(fù)制，解決了雕塑家改變尺寸需重新制作的問題，節(jié)省了時(shí)間，即快又準(zhǔn)確，還不缺乏藝術(shù)性。對(duì)花草植物的掃描，從我們的角度，主要想將自然存在的美加上一些創(chuàng)作的元素使其更有美的欣賞。

以下是本公司正在掃描制作的魏小明老師雕塑系列衍生品的范例，談到這里必須介紹這位有著獨(dú)特雕塑風(fēng)格的魏小明老師，1957年生，畫家、雕塑家、教授，她的女性作品造型修長，充滿幻想的美，就如他所言：“創(chuàng)作不應(yīng)偏重看得到的生活，更重要的是創(chuàng)作者想象中的生活，想象很重要”。

圖6 ZBrush軟件修復(fù)的最終效果

1.2.1 魏小明雕塑作品《風(fēng)花》實(shí)例

1）進(jìn)入C om e T P l u s軟件，打開掃描儀光源，對(duì)準(zhǔn)掃描物，當(dāng)掃描儀發(fā)出的兩點(diǎn)重合為一時(shí)掃描為佳，由于該雕塑為中件雕塑，這里不使用轉(zhuǎn)盤，用手動(dòng)進(jìn)行全方位上下左右360°的掃描，掃描一部分后再與有共同掃描面有特征的找點(diǎn)拼合，一張張三維圖像拼合成像，直至掃描完成。導(dǎo)出s t l格式文件這樣掃描出的三維模型非常完美，沒有任何缺陷，完全復(fù)制精品。如圖7.

圖7 Come TPlus軟件正在進(jìn)行掃描

2）將掃描的三維圖像導(dǎo)入G e om a g io s t udio軟件，對(duì)掃描雕塑時(shí)放的水平面刪除（不是雕塑的內(nèi)容），規(guī)整化，完成修復(fù)，導(dǎo)出o b j格式文件。如圖8.

圖8 Geomagio studio軟件的修復(fù)過程

3）如果雕塑家要求對(duì)表面肌理做拋光或者添加紋理，再導(dǎo)入Z B r u s h軟件中進(jìn)行操作，如保持原雕塑，此步驟可以省略，直接進(jìn)行打印。

1.2.2 對(duì)百合花實(shí)物的掃面

由于真花材質(zhì)上的原因，本身比較輕薄，運(yùn)用轉(zhuǎn)盤掃描時(shí)，穩(wěn)定性不好，給掃描帶來很大的困難，在掃描的過程中暫時(shí)采用物體的支撐和噴灑顯影劑方法，暫時(shí)解決了真花的掃描難題，但并不是很滿意。為了方便掃描，采用了將花瓣和花蕊分開掃描，對(duì)照拼接。如圖9，圖10和圖11.

在Z B r u s h軟件中使花瓣有個(gè)共同的著地點(diǎn)，平穩(wěn)擺放，在不違背真實(shí)與美觀的前提下，既可欣賞又可使用，是一件很美的藝術(shù)擺件品，又是一件高檔享用的煙灰缸，這種創(chuàng)新藝術(shù)是我們一直追求的方向和目標(biāo)。

2 打印機(jī)的應(yīng)用技術(shù)及模型的后期修復(fù)

2.1 3D激光粉末燒結(jié)打印機(jī)

3D激光粉末燒結(jié)打印機(jī)，所用材料是粉末狀，是一種以截面形狀集合表現(xiàn)出來的立體模型，打印出的模型比較酥軟，易碎，而且在制作的過程中溫度控制不佳時(shí)會(huì)產(chǎn)生模型一分為幾塊的狀況，在工作實(shí)踐中我們采取了后期的修復(fù)工作解決了這一問題，但總體來說，此款打印機(jī)打印出的模型比較粗糙，只可作為雕塑前期的輪廓定形使用。這里介紹一個(gè)在該打印機(jī)的運(yùn)用示例，制作打印的模型及后期修復(fù)的過程。

1）將前期修復(fù)好的三維s t l格式的文件導(dǎo)入Ma g ic s軟件進(jìn)行縮放、抽殼、打孔以及零件的切層（C LI格式），切層建議尺寸0.15mm，設(shè)備精度為0.15mm～0.2mm.最后將文件轉(zhuǎn)換為A F I格式或者A F M格式。

圖9 Come TPlus軟件正在進(jìn)行掃描

圖10 ZBrush中變形修復(fù)及細(xì)節(jié)

圖11 Geomagio studio軟件中對(duì)花進(jìn)行拼合和修復(fù)

2）將文件輸入打印機(jī)系統(tǒng)，做好打印前的所有工作，撲粉（必須做測(cè)試），調(diào)整室內(nèi)溫度，成型過程中，系統(tǒng)內(nèi)部溫度較高，此款打印機(jī)的打印比較長，約10 cm的模型打印的時(shí)間為6 h～7 h，最后，當(dāng)模型打印完成時(shí)，必須冷卻后方可取出模型。如圖12.

圖12 工作人員清理剛打印完成的模型

3）對(duì)模型進(jìn)行去除多余的粉塵，以便在進(jìn)行泡蠟（蠟溫70℃）的過程中不會(huì)影響模型的清晰度，這樣做，主要是解決粉末打印機(jī)打印出的模型的表面的層出紋理，這個(gè)紋理影響了模型的表面質(zhì)量.如圖13.

圖13 打印模型與泡蠟修復(fù)好的模型

2.2 3D光敏樹脂打印機(jī)

快速成型樹脂打印機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了模型制作的自動(dòng)化。這款名為R S6000的打印機(jī)，材料為樹脂液體，它通過打印箱內(nèi)的“Z”軸托板，由激光在計(jì)算機(jī)的控制下逐層掃描成型，其打印的過程中，室內(nèi)的溫度必須保持25℃左右，打印的全過程一鍵自動(dòng)化，操作非常方便，打印機(jī)的精度為0.05mm～0.15mm.打印切層數(shù)據(jù)一般為0.07mm，與激光粉末燒結(jié)打印機(jī)相比，這款打印機(jī)更加精確，細(xì)致，幾乎省去了后期打印成型模型的修復(fù)。此款打印機(jī)的打印時(shí)間比較長，約10 cm的模型打印的時(shí)間為4 h～5 h.

1）對(duì)掃描好的模型s t l格式文件導(dǎo)入Ma g ic s軟件，對(duì)模型設(shè)置壁厚、打孔，使原材料能夠通暢流出，避免不必要的浪費(fèi)，做相應(yīng)的縮放、支撐、切層，制作打印前的數(shù)據(jù)，如圖14.

圖14 Magics軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

2）將制作好的c l i格式文件，輸入打印系統(tǒng)進(jìn)行模擬加工，模擬完成后直接進(jìn)入打印系統(tǒng)。

3）將打印好的模型小心取出，對(duì)模型進(jìn)行兩次的酒精清洗，使支撐松軟，便于去掉支撐，這樣做，不損壞模型。用砂紙輕輕打掉支撐留下的毛刺，模型完成。打印好的樹脂模型如圖15.

圖15 打印好的樹脂模型

3 本公司數(shù)字化制作的最終銅件欣賞

本公司數(shù)字化制造的最終銅件示例如圖16～圖18.

圖16 吳雅琳雕塑《海上生明月》銅件

圖17 黎明的雕塑《青年毛澤東》銅件

圖18 《后土娘娘》塑像銅件

TG24

A

1674-6694（2015）06-0055-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.018

2015-07-07

王甜（1986-），女，主要從事藝術(shù)鑄造3D模型的設(shè)計(jì)制造。