基于三維掃描及3D打印對(duì)南越王句鑃復(fù)制設(shè)計(jì)

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(shí)，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(guó)家二級(jí)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(lè)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(huì)大學(xué)聯(lián)合國(guó)際學(xué)院(UIC)南越王墓句鑃復(fù)制”項(xiàng)目，本項(xiàng)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(lè)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(guò)細(xì)致研究設(shè)計(jì)，在原句鑃基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)代音律要求對(duì)新18件套句鑃進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1　設(shè)計(jì)方案

1.1　整體尺寸設(shè)計(jì)

南越王墓出土的句鑃整套為8件，項(xiàng)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(jì)整套句鑃，設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。

1.2　設(shè)計(jì)流程

句鑃復(fù)制設(shè)計(jì)流程為：①1號(hào)句鑃蠟?zāi)Ｖ谱?②三維掃描1號(hào)蠟?zāi)?，輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后建立三維實(shí)體模型，并按照設(shè)計(jì)尺寸等比例放縮得到整套18件套句鑃三維實(shí)體模型；③模型輸入3D打印機(jī)打印實(shí)體；④利用打印實(shí)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(duì)句鑃的復(fù)制設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)備型號(hào)及工作原理

(1) 三維掃描儀使用先進(jìn)的德國(guó)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(duì)輸入對(duì)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(cè)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(guò)軟件的處理得到物體的坐標(biāo)點(diǎn)(稱(chēng)點(diǎn)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(diǎn)，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(jì)尺寸　mm

(2) 3D打印機(jī)使用美國(guó)3D SYSTEMS公司ProJet MJP 3600 MAX打印機(jī)，其基本原理是：將計(jì)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(jì)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(shù)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(shí)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(jiǎn)稱(chēng)SLA)，成型材料為光敏樹(shù)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(hào)句鑃蠟?zāi)ＨS掃描。設(shè)計(jì)人員先按照設(shè)計(jì)尺寸制做1號(hào)鐘體蠟?zāi)＃鐖D3所示。

(2) 掃描蠟?zāi)＜皩?duì)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。利用三維掃描儀對(duì)1號(hào)蠟?zāi)＿M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集后的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖31號(hào)句鑃蠟?zāi)D41號(hào)蠟?zāi)Ｔ键c(diǎn)云數(shù)據(jù)

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

圖5　1號(hào)鐘體實(shí)體模型

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

2.3　3D打印

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

圖618件套句鑃實(shí)體模型圖72號(hào)句鑃打印實(shí)體

3　結(jié)語(yǔ)

編鐘興起于西周，盛于春秋戰(zhàn)國(guó)直至秦漢。編鐘類(lèi)樂(lè)器的發(fā)聲原理大體是：鐘體小，音調(diào)就高，音量也??；鐘體大，音調(diào)就低，音量也大，所以鑄造時(shí)的尺寸和形狀對(duì)編鐘類(lèi)樂(lè)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(jì)很難還原編鐘鐘體實(shí)際形狀，以前的設(shè)計(jì)工藝是每一個(gè)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(jì)制作需花費(fèi)大量的時(shí)間，而且對(duì)雕刻技師的水平要求極高。通過(guò)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(jì)，在對(duì)一個(gè)實(shí)體掃描建模后通過(guò)放縮的方式得到一套句鑃的實(shí)體模型，不僅大大節(jié)約了制作蠟?zāi)５臅r(shí)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。

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