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）

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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）

摘要：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。

關(guān)鍵詞：掃描技術(shù)； 3D打印技術(shù)；數(shù)字模型的形成；藝術(shù)鑄造

稿件編號:1512-1160

這里介紹的中小件模型的數(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20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。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

對于不同材質(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，我們所經(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

掃描水平的高低會直接影響模型的質(zhì)量，加拿大手持掃描儀和德國藍(lán)光掃描儀能夠直接完全復(fù)制三維空間的模型。

1.1 加拿大手持掃描的應(yīng)用

這個名稱為“Go！SCAN3D”的掃描儀，能根據(jù)物體的幾何形狀，有無定位目標(biāo)點(diǎn)均可掃面，不過對一些稍大的、造型復(fù)雜的模型，我們可采用貼加熒光點(diǎn)完成掃描，掃面的圖像可以通過Vxelements的軟件進(jìn)行分析，生成精度達(dá)0.5 mm的三維幾何圖像。

在實(shí)際工作中，可非常方便的制作真人銅像（全家福、婚紗照等），由于這款掃描儀的輕便，容易攜帶，掃描的對象可擴(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年我們分別完成了萬榮后土祠文物《后土娘娘》塑像掃描復(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，還解決了對中小件雕塑的測量難題，不再采取手工的測量法，僅僅兩分鐘，通過掃描儀及軟件的配合，既可快又精確地測量出面積。

以下通過對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 對真人對象的掃描

⑴打開掃描軟件Vxelements對人物進(jìn)行掃描，掃描的過程中要求對象盡量不要晃動，以免影響掃描效果。對象掃描完成后，導(dǎo)出掃描好的stl格式的三維文件，掃描工作完成。如圖1，由于掃描過程時間相對較長，我們采用多次掃描對象。

⑵將掃描的文件導(dǎo)入Geomagic studio軟件，對掃描帶來的漏洞進(jìn)行修復(fù)、補(bǔ)洞及刪除多余的雜點(diǎn)，由于這款掃描儀對光、顏色的辨識度不同，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obj格式即可。如圖2。

圖1 多次掃描對象圖

圖2 對拼接好的三維圖像進(jìn)行補(bǔ)洞

⑶進(jìn)入ZBrush軟件，將做好的文件導(dǎo)入，對模型上修補(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clay的貼加減泥或者move移動或者smooth平滑，可添加筆刷效果做修飾效果，這些都是修復(fù)模型的簡潔工具，非常實(shí)用，修復(fù)完成后導(dǎo)出stl格式。如圖3。

圖3 修復(fù)完成最終效果

1.1.2 對《后土娘娘》雕像的掃描及修復(fù)

采用手持掃描儀對該雕像進(jìn)行掃描，由于該雕像的時間比較久，材質(zhì)上的一些原因，破舊損壞的面比較多，后期的修復(fù)足足花了半個月的時間，其制作流程與上述婚紗照的掃描、修復(fù)、雕刻類同，各階段修復(fù)結(jié)果如圖4、5、6。

圖4 掃描好的stl文件導(dǎo)入Geomagic studio軟件

圖5 修復(fù)補(bǔ)洞

圖6 ZBrush軟件修復(fù)的最終效果

1.2 德國藍(lán)光掃描儀的應(yīng)用

這款稱為Comet L3D 5M的藍(lán)光掃描儀，采用創(chuàng)新的LED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，若加上系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺的使用，更為方便。采用此款掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測得的數(shù)據(jù)精確、質(zhì)量高，其精度達(dá)到0.02 mm。在工作中，我們廣泛用于對雕塑模型的放大縮小以及對植物花草的復(fù)制，為雕塑家改變尺寸重新制作節(jié)省了時間，既快又準(zhǔn)確，還不缺乏藝術(shù)性；對花草植物的掃描，主要是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。

以下介紹本公司正在掃描制作的魏小明老師雕塑系列衍生品制作過程。談到這里必須首先介紹這位有著獨(dú)特雕塑風(fēng)格的魏小明老師，出生于1957年，畫家、雕塑家、教授，她的女性作品造型修長，充滿幻想的美，就如她所言：“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”。這里我們就以魏小明老師其代表作之一做以介紹。

1.2.1 魏小明雕塑作品《風(fēng)花》實(shí)例

⑴進(jìn)入Come TPlus軟件，打開掃描儀光源，對準(zhǔn)掃描物，當(dāng)掃描儀發(fā)出的兩點(diǎn)重合為一時掃描為佳，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stl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

⑵將掃描的三維圖像導(dǎo)入Geomagio studio軟件，把我們掃描雕塑時放的水平面刪除（不是雕塑的內(nèi)容），完成修復(fù)，導(dǎo)出obj格式文件。如圖8。

圖8 Geomagio studio軟件的修復(fù)過程

⑶如果雕塑家要求我們對表面肌理做拋光或者添加紋理，再導(dǎo)入ZBrush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。如圖9。

圖9 根據(jù)模型的表面肌理進(jìn)行拋光的效果

1.2.2 對百合花實(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，穩(wěn)定性不好，給掃描帶來很大的困難，在掃描的過程中我們暫時采用物體的支撐和噴灑顯影劑方法，暫時解決了真花的掃描難題，但并不是很滿意。為了方便掃描，我們采用將花瓣和花蕊分開掃描，對照拼接。如圖10、11、12。

圖10 Come TPlus軟件正在進(jìn)行掃描

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

圖12 ZBrush中變形修復(fù)及細(xì)節(jié)

應(yīng)該注意的是，在ZBrush軟件中使花瓣有個共同的著地點(diǎn)，平穩(wěn)擺放，在不違背真實(shí)與美觀的前提下，即可欣賞又可使用，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)使用的材料是粉末狀，它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會產(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。這里主要介紹該打印機(jī)的運(yùn)用，以及對模型的后期修復(fù)過程。

⑴將前期修復(fù)好的三維stl格式的文件導(dǎo)入Magics軟件進(jìn)行縮放、抽殼、打孔以及零件的切層（CLI格式），切層建議尺寸為0.15 mm。設(shè)備精度（0.15~0.2 mm）。最后將文件轉(zhuǎn)換為AFI格式或者AFM格式。如圖13。

圖13 Magics軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)

⑵將文件輸入打印機(jī)系統(tǒng)，做好打印前的所有準(zhǔn)備工作，撲粉（必須做測試），調(diào)整室內(nèi)溫度，成型過程。此款打印機(jī)的打印時間比較長，約10 cm的模型打印的時間為6～7 h。當(dāng)模型打印完成后，必須等待完全冷卻后方可取出模型。如圖14。

圖14 工作人員清理剛打印完成的模型

⑶對模型進(jìn)行去處多余的粉塵，以便在進(jìn)行泡蠟（蠟溫70 ℃）的過程中不會影響模型的清晰度，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，這個紋理影響了模型的表面質(zhì)量，如圖15。

圖15 左為打印模型，右為泡蠟修復(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)了模型制作的自動化。這款名為RS6000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，由激光在計算機(jī)的控制下逐層掃描成型。在其打印的過程中，室內(nèi)的溫度必須保持25 ℃左右，打印的全過程一鍵自動化，操作非常方便，打印機(jī)的精度為0.05～0.15 mm。打印切層數(shù)據(jù)一般為0.07 mm，與我們起初使用的激光粉末燒結(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)的打印時間比較長，約10 cm的模型打印的時間為4～5 h。下面通過我們實(shí)際工作的內(nèi)容進(jìn)行介紹說明。

⑴把掃描好的模型stl格式文件導(dǎo)入Magics軟件，對模型設(shè)置壁厚、打孔，是原材料能夠通暢流出，避免不必要的浪費(fèi)，并對模型做相應(yīng)的縮放、支撐、切層，制作打印前的數(shù)據(jù)，如圖16。

圖16 Magics軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

⑵將制作好的cli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)。

⑶將打印好的模型小心取出，對模型進(jìn)行兩次酒精清洗，使支撐松軟，便于去掉支撐。用砂紙輕輕打掉支撐留下的毛刺，模型完成。如圖17。

圖17 打印好的樹脂模型

3 部分?jǐn)?shù)字化制作的銅件欣賞（圖18-23）

圖18 女像銅件

圖19 坐佛模型及最終結(jié)果

圖20 吳雅琳老師雕塑作品《海上生明月》銅件

圖21 吳信坤老師的《夢回大唐》雕塑銅件

圖22 《后土娘娘》塑像銅件

圖23 黎明老師的雕塑作品《青年毛澤東》銅件

Digital production technology of casting small pieces of art model

WANG Tian，Hu ChunLiang
（Shanxi Yuda Group，Xiaxian 044402,Shanxi ,China）

Abstract：Art casting small parts production model has introduced a new digital production technology, which forms a strong impact on the traditional molding techniques.This paper describes the art of pre-cast model scan data, model making and digital restoration of the whole process, with pictures, text combined content intuitively made the introduction, presents a complete core component of digital technology cast model.

Keywords:scanning technology; 3D printing technology; form a digital model; art casting

中圖分類號：TG249.9；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0084-05

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.025

收稿日期:2015-12-11

作者簡介：王甜（1984—），女，鑄造工程師，主要從事藝術(shù)鑄造3D模型的設(shè)計與制作.