基于3D打印技術(shù)的傳統(tǒng)織造機(jī)具仿真再現(xiàn)

焦芳琪+鄧椿山+周莉

摘要：3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展及在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，也使得非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保存方法得以擴(kuò)展和信息化。本文著重討論基于3D打印技術(shù)的傳統(tǒng)織造機(jī)具——夏布織機(jī)的仿真建模，從夏布織機(jī)的構(gòu)造、3D建模、3D打印仿真再現(xiàn)3個階段進(jìn)行數(shù)字信息化，使之更易長期保存和廣泛交流。以期對非物質(zhì)文化的保留和傳承提供數(shù)字化的可操作性方案。

關(guān)鍵詞：3D打??；夏布織機(jī)；仿真技術(shù)；建模

中圖分類號：TS941.19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Simulation and Reproduction of Traditional Loom Based on 3D Printing Technology

Abstract： The paper mainly discusses the simulation and modeling of traditional loom – grass cloth loom by using 3D printing technology. The structure of the grass cloth loom， the 3D modeling process and the 3D printing process are digitalized， so that the data can be stored for a long time and widely exchanged， thus providing a digitalized and viable solution for the reservation and inheritance of intangible cultural heritage. Key words： 3D printing； grass cloth loom； simulation technology； modeling

傳統(tǒng)技藝是人類在歷史上創(chuàng)造并以活態(tài)形式傳承至今的、充分代表一個民族的文化底蘊(yùn)、審美情趣及藝術(shù)水平的最為優(yōu)秀的傳統(tǒng)手工技藝與技能。傳統(tǒng)織造技術(shù)中有一部分已經(jīng)失傳，還有一部分以加工機(jī)具為主的技藝已伴隨機(jī)具的棄用和毀壞而面臨失傳，如何在短時期內(nèi)最大可能地保留傳統(tǒng)技藝刻不容緩。本研究立足我國西南地區(qū)的傳統(tǒng)機(jī)具和手工技藝，通過對傳統(tǒng)機(jī)具的構(gòu)造、織造流程和技藝特征的采集，用3D打印技術(shù)再現(xiàn)散落的技術(shù)傳承和建立系統(tǒng)性研究。本文以重慶榮昌夏布織機(jī)為研究對象，從夏布織機(jī)的構(gòu)造、3D建模、3D打印仿真再現(xiàn)3個階段進(jìn)行數(shù)字信息化，使之更易長期保存和廣泛交流。

1夏布織機(jī)構(gòu)造及其織造技術(shù)

夏布是一種將天然苧麻纖維通過手工紡織加工而成的平紋布。苧麻纖維構(gòu)造中的空隙大、透氣性好、傳熱快、吸水多而散濕快，是天然纖維之王，有“中國草”之美稱。這些特性使其制作的布料牢實耐用、挺括滑爽、透氣排汗，被廣泛用于制作夏季服裝和蚊帳等床品，于是得名“夏布”。夏布生產(chǎn)主要通過打麻、挽麻團(tuán)、牽線、穿扣、刷漿、織布、漂洗及整形、印染等工序而成。織布是夏布制作中的重要一環(huán)，工藝要求高，投梭打緯的力量要求均勻，布的平面邊緣要織得平順、伸展、無破?？棛C(jī)主要包括機(jī)架、羊角、綜筘、布棍、織布梭5個部分。

這種傳統(tǒng)的夏布織機(jī)主要織造過程是：首先將卷有上漿經(jīng)紗的“羊角”（經(jīng)軸）置于夏布織機(jī)上，將織機(jī)上的方形布棍穿入上下經(jīng)紗連成的數(shù)個接孔中，布棍和織布工人背腰部的繃?yán)K相連固定，接著在織布筘的前方進(jìn)行掛綜，即每個筘眼下的經(jīng)紗用棕線（穿綜）掛起，掛綜后將棕線棍放置于織機(jī)架上方，除去竹縞棍，將織布筘固定在筘架上，拉緊經(jīng)紗開始織布；織布時先將繭狀緯紗浸濕后置于織布梭中，左右交替拋梭并用力快速往身邊拉筘架敲緊緯紗、左右腳交替上下拉綜?？椣牟夹枰欢ǖ臐穸拳h(huán)境，氣候干燥時需要將織布工人和整個織機(jī)置于薄膜罩中或封閉濕度較高的地下室。

2基于3D打印的仿真技術(shù)

數(shù)字化仿真技術(shù)是對系統(tǒng)模型的試驗，研究已存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)性能的方法及其技術(shù)。仿真可以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)、動態(tài)行為及其性能特征，用于分析系統(tǒng)配置是否合理、性能是否滿足要求，預(yù)測系統(tǒng)可能存在的缺陷，為系統(tǒng)設(shè)計提供決策支持和科學(xué)依據(jù)。數(shù)字化傳統(tǒng)機(jī)具仿真技術(shù)依托信息、計算機(jī)、紡織、染整、服裝、機(jī)械、材料學(xué)等學(xué)科組織新技術(shù)的研究開發(fā)，通過結(jié)構(gòu)和物理現(xiàn)象分析，運用實物測試與虛擬測試混合的方法，進(jìn)行二維、三維結(jié)構(gòu)組合的運動分析，推動科研成果的產(chǎn)業(yè)化。

傳統(tǒng)織造技藝與數(shù)字化成形技術(shù)相結(jié)合，使先進(jìn)制造理念和技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域拓寬，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，簡稱VR）通過人機(jī)界面對傳統(tǒng)織造技術(shù)中的加工機(jī)具和手工技藝等復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作與交互，產(chǎn)生計算機(jī)模型圖形圖像，是藝術(shù)學(xué)科交叉性的體現(xiàn)，是一種新的藝術(shù)語言形式，是VR藝術(shù)呈現(xiàn)其獨特優(yōu)勢的關(guān)鍵。與數(shù)字化成形技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)二維圖形進(jìn)行原始材料生成，也可通過快速凝固激光材料制備與成形技術(shù)（3D打印技術(shù)，3-DimensionsPrinting），生成三維實物，對傳統(tǒng)織造技術(shù)中的加工機(jī)具和手工技藝實現(xiàn)了完整的傳承（圖1）。

以夏布織機(jī)的3D模型再現(xiàn)為例：首先需要通過圖片各方位采集得到操作對象，這一技術(shù)涉及到三維建模和逆向工程。夏布織機(jī)模型建立之后，利用ZBRUSH軟件為其添加紋理效果，輸出STL格式的三維模型，導(dǎo)入MeshLab和Netfabb軟件中進(jìn)行模型測試或修改，特殊需求模型可采用MAKEITSTAND等輔助技術(shù)添加所需效果，最終輸入以ReplicatorG為代表的3D打印機(jī)驅(qū)動軟件完成實物制作（圖2）。此外，還可通過VRML和JAVA3D等面向WEB的三維建模語言將模型信息聯(lián)至互聯(lián)網(wǎng)與客戶互動，形成3D網(wǎng)頁設(shè)計，使大眾全面參與到再現(xiàn)環(huán)節(jié)。

3夏布織機(jī)再現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1夏布織機(jī)模型的建立

通過三維建模的方法得到夏布織機(jī)模型，三維建模的手段也必然影響3D打印的可操作性。三維建模分為多邊形、面片和曲面建模3種形式。根據(jù)對3種主要建模方式的適用性分析，夏布織機(jī)三維建模的基本思路是以POLY建模構(gòu)成織機(jī)基本體，以面片建模和NURBS建模進(jìn)行局部處理，綜合建模方式可減少工作時間，提高建模效率。

3.2夏布織機(jī)模型傳導(dǎo)及修復(fù)

STL（StandardTemplateLibrary）格式，是在計算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中，用于表示三角形網(wǎng)格的一種文件格式。只能描述三維物體的幾何信息，不支持顏色材質(zhì)等信息，在以ReplicatorG為代表的3D打印機(jī)驅(qū)動軟件可讀。三維模型軟件制作中，3DMAX、RHINO、Alibre等軟件可直接導(dǎo)出STL格式，MAYA需導(dǎo)出OBJ格式文件，再通過MeshLab軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。曲面經(jīng)過三角化處理后生成的近似模型，原實體曲面全部被三角形面片所代替。這樣，在STL曲面模型生成過程中，必然會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換精度問題。通過導(dǎo)出時的參數(shù)化調(diào)整能夠使STL格式模型盡量精細(xì)化。

STL文件常見錯誤均會導(dǎo)致模型的不完整，在建模過程中應(yīng)該有意識地審查對象。在3DMAX軟件導(dǎo)出STL格式文件之前中可對物體添加STL CHECK編輯器作為初步審查（3DMAX STL CHECK檢查精度并不高），輸出STL文件導(dǎo)入NETFABB繼續(xù)審查和修復(fù)，合格標(biāo)準(zhǔn)為邊界（Border edges）、無效朝向（invalid orientation）、孔洞（Holes）3 個參數(shù)值均為0。

3.3 夏布織機(jī)的3D打印再現(xiàn)效果

隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，自1986年至今，已出現(xiàn)大約20多種不同的成型方法和工藝。選取FDM、LOM、SLS等3種制造方式作為打印的主要技術(shù)原因如下。

（1）材料無污染。3種打印方式所用材料適應(yīng)面廣，且無毒無污染。其他如立體刻光（stereo lithography， SLA）技術(shù)由于所用材料樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢。

（2）符合立體造型方法。3D打印機(jī)的操作空間有限，需將夏布織機(jī)分成多個部分分別打印，SLS制造技術(shù)除了燒結(jié)零件，還能夠連接各部件。

（3）成本較低，效率高，且操作簡便。

4 結(jié)語

在對非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的研究中，民間技藝的“非物質(zhì)”特性固然重要，但是更不應(yīng)忽略的是對其背后“物”的特征的深入研究，借助現(xiàn)代制造技術(shù)，有效傳承才是問題的關(guān)鍵。如果說3D打印技術(shù)成就了傳統(tǒng)文化的新形式，那么便不能忽視技藝的產(chǎn)業(yè)價值和藝術(shù)價值。對傳統(tǒng)織造機(jī)具和織造技藝的數(shù)字再現(xiàn)也就成為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承的最直接手段，建立非物質(zhì)文化數(shù)據(jù)庫是當(dāng)務(wù)之急。非物質(zhì)文化遺產(chǎn)結(jié)構(gòu)上受到實體、虛擬經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)、地域、文化等多方面制約，具有耗散結(jié)構(gòu)。以新型技術(shù)引發(fā)的條件變化達(dá)到分支點，非物質(zhì)文化遺產(chǎn)結(jié)構(gòu)有可能通過漲落進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。通過過程分析，只要根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)具建立完整的三維模型，并且導(dǎo)出STL格式進(jìn)行調(diào)試且模型無誤，便可以根據(jù)所需3D再現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯國華，胡志勇，范文學(xué).STL曲面模型精度區(qū)域精準(zhǔn)化方法研究[J].制造業(yè)信息化，2008（10）：104-105.

[2] 馬淑梅，劉彩霞，李愛平.STL文件錯誤的自動檢測與修復(fù)技術(shù)[J].現(xiàn)代制造工程，2009（12）：109-112.

[3] Prigogine.The networked society[J].Journal of World-Systems Research，2000（6）.

[4] 余前帆.增材制造——3D打印的正稱[J].中國科技術(shù)語，2013（4）：

46-48，52.

[5] 于紅梅.傳統(tǒng)夏布及現(xiàn)代制作工藝研究[D].上海：東華大學(xué)，2014.

作者簡介：焦芳琪，女，1987年生，碩士研究生，主要研究方向為紡織服裝產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)。

通訊作者：周 莉，女，1977年生，副教授，主要研究方向為服裝數(shù)字化技術(shù)。

作者單位：西南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，重慶市生物纖維材料與現(xiàn)代紡織工程技術(shù)研究中心。

基金項目：中央高?；緲I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（XDJK2014A011），重慶市社會科學(xué)基金項目（2014YBYS093、2014YBJJ027）。