董亮潔,李 妍,2,孫月陽,李星枰
(1.中國地質(zhì)大學(xué)珠寶學(xué)院,湖北 武漢 430074; 2.湖北省珠寶工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430074;3.拉夫堡大學(xué)設(shè)計與創(chuàng)意藝術(shù)學(xué)院,英國 拉夫堡 LE11 3TU)
花絲工藝是我國一種獨(dú)特的傳統(tǒng)金銀制造工藝,也是一項國家級非物質(zhì)文化傳承技藝, “采金為絲,妙手編結(jié),嵌玉綴翠,是為一絕”一句道盡花絲工藝通過“手”拉出不同粗細(xì)的金/銀絲進(jìn)行掐絲、填絲、堆壘、編織等的技法?;ńz工藝承載了我國傳統(tǒng)首飾的規(guī)矩方圓和一絲不茍的設(shè)計制作理念,但隨著社會的變遷,傳統(tǒng)的高成本人力加工方式已不適應(yīng)現(xiàn)代首飾中設(shè)計、制作與生產(chǎn)的批量、高效等要求,同時現(xiàn)代人的生活方式與審美也發(fā)生了新變化,衍生出新的設(shè)計語言?;ńz工藝飾品需要傳承,更需要發(fā)揚(yáng)和創(chuàng)新來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
對于如何平衡花絲首飾重盛有序,纖柔婉約的美學(xué)特點(diǎn)和低成本、高效率的現(xiàn)代化生產(chǎn)需求,新興數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)為我們提供了可能的解決方案。熊瑋等[1]嘗試將新興數(shù)字技術(shù)引入花絲首飾的制作,通過設(shè)計造型建模再運(yùn)用3D打印技術(shù)制造花絲首飾。但是該研究限于利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)花絲首飾生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新,對于已有的花絲首飾資源利用率低。三維掃描技術(shù)可以實現(xiàn)目標(biāo)物的數(shù)字化儲存,并建立花絲3D模型的個性化共享數(shù)據(jù)庫,服務(wù)于未來大規(guī)?;?D打印定制生產(chǎn)[2],實現(xiàn)已有的花絲首飾資源傳承。目前,結(jié)合三維掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)制作花絲首飾這類結(jié)構(gòu)精細(xì)的藝術(shù)品的研究相對較少,數(shù)字資源快速高效采集關(guān)鍵技術(shù)和多功能手持式快速彩色三維掃描設(shè)備也正在研發(fā)階段,其可以更好地實現(xiàn)自動紋理映射,快速生成高精度帶紋理的三維模型。
本文中筆者提出結(jié)合三維結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)和選區(qū)激光熔融技術(shù)(SLM)來進(jìn)行3D打印,通過復(fù)制的模式,利用已有的花絲首飾資源,制作花絲首飾。通過結(jié)構(gòu)光三維掃描儀和建模軟件獲取花絲首飾三維數(shù)據(jù)模型,再運(yùn)用SLM技術(shù)制作花絲首飾復(fù)制品,旨在探索數(shù)字技術(shù)在實現(xiàn)花絲首飾數(shù)字化儲存和新方法制造中的應(yīng)用可行性和技術(shù)中存在的要點(diǎn)和難點(diǎn),為實現(xiàn)花絲首飾的傳承和創(chuàng)新提供可行的方法。筆者希望數(shù)字化技術(shù)在花絲工藝中創(chuàng)新應(yīng)用,賦予花絲工藝更多跟隨現(xiàn)代潮流的可能性,為現(xiàn)代首飾提供中國化的審美角度,同時也希望為花絲非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承和創(chuàng)新拓寬道路。
花絲工藝是采用掐、填、攢、焊、編織、堆壘等傳統(tǒng)技法將金、銀、銅等原料制成首飾的中國傳統(tǒng)技藝(圖1)[3]?;ńz首飾兼具了低重量和輕盈精致的造型,在首飾制造中規(guī)避了金銀具有較大密度的缺點(diǎn),因此花絲工藝在首飾制造中具有極好的應(yīng)用價值。但是隨著珠寶首飾市場的不斷變化,花絲工藝在當(dāng)今的發(fā)展遇到了諸多瓶頸,技藝的傳承也受到了阻礙。
花絲工藝發(fā)展面臨的阻礙因素主要包括:(1)工藝繁瑣復(fù)雜,制作周期長,造型缺少時尚感?;ńz工藝制作流程繁瑣復(fù)雜,每一個流程都有獨(dú)特的技巧,對于手藝人和學(xué)習(xí)者的技術(shù)熟練程度都有很高的要求。因此,手工制作的花絲首飾具有較長的制作周期,傳統(tǒng)的造型雖然精巧復(fù)雜但是難以順應(yīng)供求關(guān)系和時代潮流,限制了花絲工藝在現(xiàn)代首飾市場中的發(fā)展;(2)結(jié)構(gòu)脆弱,易發(fā)生變形,佩戴后難清洗?;ńz首飾需謹(jǐn)慎佩戴,因為花絲首飾在制作過程中經(jīng)過多次高溫退火,并且運(yùn)用材質(zhì)為純金或純銀,金屬比較柔軟,導(dǎo)致成品容易發(fā)生形變,并且焊接處容易脫落。精巧復(fù)雜的造型使得花絲首飾存在很多小縫隙,存在較大清潔難度,因此消費(fèi)者需要謹(jǐn)慎佩戴花絲首飾;(3)材料限制?;ńz工藝的工藝特點(diǎn)要求其材料需具有良好的延展性,但在各種高性能材料不斷出現(xiàn)的當(dāng)代,花絲首飾在材料選擇上還是以金和銀為主。因此,花絲工藝在一定程度上失去了結(jié)合更多材料去傳遞更豐富的藝術(shù)設(shè)計理念的可能性。
圖1 花絲工藝基本技法(圖源北京東方藝珍花絲鑲嵌廠)Fig.1 The basic techniques of filigree craft ( Photos by Beijing Treasure of Oriental Crafts Filigree Inlaying Factory)
為了使花絲首飾可以更好適應(yīng)現(xiàn)代首飾市場,引入新興數(shù)字技術(shù)進(jìn)行花絲制品的制作是一種可行的途徑。
1.2.1 三維掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)
三維掃描技術(shù)是通過機(jī)械測頭或光電技術(shù)使目標(biāo)物的三維空間及色彩信息可以得到數(shù)字化表示的技術(shù)[2],能掃描得到復(fù)雜幾何外形的物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù),且可以將掃描結(jié)果通過輸出端口對接其他軟件裝置,結(jié)合其他的技術(shù)獲取更多可用信息。
3D打印技術(shù)是逐層添加材料到三維空間,將幾何模型的數(shù)字化表示轉(zhuǎn)換到創(chuàng)建物理實體對象的技術(shù)[4],可以實現(xiàn)設(shè)計模型與制造實體的緊密結(jié)合,減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期,尤其在制造高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件時相較其他制造工藝具有顯著優(yōu)勢。
1.2.2 數(shù)字技術(shù)在物件復(fù)制中的應(yīng)用
目前運(yùn)用三維掃描和3D打印技術(shù)復(fù)制的對象主要為陶器、青銅器等精細(xì)度較低的文物,楊蘊(yùn)等[5]利用白光掃描儀和光固化技術(shù)復(fù)制出崧澤遺址博物館保存的陶器,避免了翻模復(fù)制損傷文物的風(fēng)險。結(jié)合這兩種數(shù)字技術(shù)既可以對文物進(jìn)行數(shù)字化信息儲存[6],也可以制作文物復(fù)制品用于虛擬展覽[7]。除了文物之外,也有學(xué)者結(jié)合這兩種技術(shù)對珠寶首飾進(jìn)行復(fù)制。Piperi等[8]用三維掃描儀獲取首飾模型,再結(jié)合3D打印和丙烯顏料上色制作首飾復(fù)制品(圖2),該研究探索了低成本進(jìn)行首飾數(shù)字化的方法。Stamati等[9]利用手持式激光掃描儀掃描花絲胸針獲取其大致輪廓信息,進(jìn)行模型再設(shè)計后,利用石膏打印,進(jìn)行金屬涂層并完成花絲胸針的再設(shè)計制造(圖3),該研究是數(shù)字技術(shù)在花絲首飾領(lǐng)域中的應(yīng)用嘗試,但由于儀器和材料限制,其成品的精細(xì)度低。這項研究為本文的實驗設(shè)計提供了前期的實驗基礎(chǔ)與可借鑒的實驗方法。
圖2 制作首飾復(fù)制品的各個階段[8]:a.首飾原件;b.三維掃描模型;c.3D打印復(fù)制品;d.丙烯上色Fig.2 The stages of making replica of jewelry[8]: a.Original jewelry; b.3D scanning model; c.3D printed replica; d.Painted by acrylic paint
圖3 花絲胸針原件(a)和再設(shè)計成品(b)[9]Fig.3 The original filigree brooch(a) and the redesigned product(b)[9]
2.1.1 實驗樣品
本次實驗選取兩個不同外形的花絲首飾作為實驗樣品(圖4),樣品一為圓盤狀花絲吊墜,其花絲結(jié)構(gòu)多為平面,細(xì)小結(jié)構(gòu)數(shù)量多且形態(tài)復(fù)雜,尺寸為30.7 mm×27.8 mm×4.6 mm。樣品二為葫蘆狀花絲首飾,相較樣品一整體結(jié)構(gòu)更立體,其中花絲結(jié)構(gòu)呈曲面,結(jié)構(gòu)細(xì)小且形態(tài)更簡單,尺寸為20.5 mm×20.0 mm×33.8 mm。
圖4 樣品一和樣品二的正面(a、d)、底面(b、e)、側(cè)面(c、f)Fig.4 The front(a, d), bottom(b, e), side(c, f) views of sample No.1 and No.2
2.1.2 實驗儀器及打印材料
實驗儀器包括三維掃描儀和3D打印機(jī)。花絲首飾樣品具有尺寸小和細(xì)絲數(shù)量多的特點(diǎn),為避免細(xì)絲發(fā)生形變,故本次三維掃描方法選取非接觸式掃描。三維掃描儀器選用工業(yè)級結(jié)構(gòu)式藍(lán)光能對掃描對象進(jìn)行面掃描的PowerScan掃描儀,單幅測量范圍為150×120 mm2,攝像頭分辨率為5 M。該掃描儀速度快精度高,適宜掃描結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸小的物件。
目前在首飾制作中應(yīng)用的3D打印技術(shù)主要有兩種:一種是打印樹脂膜或蠟?zāi)T偈炶T造;另一種是利用SLM技術(shù)燒結(jié)金屬粉末[1]。由于構(gòu)建的樣品模型細(xì)絲結(jié)構(gòu)較多,打印的樹脂或蠟?zāi)S行巫兊娘L(fēng)險,因此采用SLM技術(shù)燒結(jié)925銀粉完成花絲首飾復(fù)制品制作。本次實驗采用MYSINT 100打印機(jī),該3D打印機(jī)采用鋪粉疊加技術(shù)專利可實現(xiàn)高打印速度,具有30 μm微小激光光斑,適宜打印高精度、高致密度模型。經(jīng)過課題組內(nèi)的實驗驗證該3D打印機(jī)可成形直徑最小達(dá)0.06 mm的金屬絲。
2.2.1 樣品的三維掃描
采用結(jié)構(gòu)光的三維掃描技術(shù)單次只能采集物體的一個側(cè)面,要獲取物體完整的三維掃描數(shù)據(jù),需要對物體進(jìn)行全角度多次掃描[10]。因此先在樣品周圍隨機(jī)粘貼標(biāo)志點(diǎn),使每次掃描時軟件可以識別并匹配這些固定的公共點(diǎn)去完成單片掃描數(shù)據(jù)的整合拼接。為減少金屬表面對三維掃描儀結(jié)構(gòu)光的反射,在掃描前需要在樣品表面均勻噴灑一層顯像劑。由于樣品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采取手動測量獲取樣品完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
點(diǎn)云需要轉(zhuǎn)化為三維多邊形網(wǎng)格展示模型連續(xù)的面[11]。因此需要將掃描獲取的樣品點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic wrap軟件中進(jìn)行后續(xù)處理。獲取高精度三維數(shù)據(jù)模型的重點(diǎn)工作在于對掃描參數(shù)和網(wǎng)格重建參數(shù)進(jìn)行調(diào)整[12],探究到最適宜花絲首飾的三維模型獲取流程如圖5所示。最終獲取完整的樣品三維模型(圖6a和圖6d),藍(lán)色代表網(wǎng)格部分,綠色代表邊緣和破洞部分。
圖5 樣品的三維模型獲取流程Fig.5 The process of acquiring the 3D models of the samples
2.2.2 三維模型的重建及修復(fù)
三維掃描獲取的初始樣品模型精確地反映了樣品尺寸,但是原始模型對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部分展現(xiàn)效果較差,出現(xiàn)了很多破洞和多余的三角形網(wǎng)格,不可直接用于3D打印。因此,選擇將三維掃描獲取的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Rhinoceros軟件中,在渲染模式下以此模型為基礎(chǔ)重新構(gòu)建用于3D打印的樣品模型。將已建好的樣品一和樣品二模型(圖6b和圖6e)以3dm格式導(dǎo)入到Keyshot軟件中進(jìn)行渲染(圖6c和圖6f)。
圖6 樣品一和樣品二的三維模型圖(a、d)、重構(gòu)模型圖(b、e)、渲染圖(c、f)Fig.6 The 3D models(a, d), reconstructed models(b, e), renderings(c, f) of sample No.1 and No.2
由于重新構(gòu)建的模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,組成的三角形網(wǎng)格多,同時部分零件無法合并為一個整體,導(dǎo)出的網(wǎng)格模型有多殼體、多重疊三角面片的問題。為了后續(xù)3D打印的順利進(jìn)行,在Materialise Magic軟件中對已構(gòu)建的模型進(jìn)行檢查和修復(fù)。
2.2.3 復(fù)制品的3D打印
為了便于后續(xù)去除支撐結(jié)構(gòu),將樣品模型分為上下兩部分打印,最后再焊接為整體。將修復(fù)好的模型添加支撐結(jié)構(gòu)(圖7),灰色代表樣品模型,黃色代表支撐結(jié)構(gòu),由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜且組成部件數(shù)量多,添加支撐的地方面積較大。
由于模型的細(xì)絲較多且距離較近,需避免細(xì)絲之間的空隙被燒結(jié)的多余粉末填充,通過實驗驗證適宜打印花絲首飾這類細(xì)絲多的金屬制品的3D打印參數(shù)為:激光功率90 W,激光掃描速度500 mm/s。3D打印的樣品復(fù)制品表面粗糙,SLM成形的金屬制品致密度高、硬度大,采用常規(guī)的砂紙打磨不僅拋光難度大,而且易導(dǎo)致細(xì)絲脫落,因此委托專業(yè)的珠寶加工店進(jìn)行執(zhí)模拋光和和后續(xù)的焊接修復(fù)等操作。復(fù)制品與原件對圖如圖8,圖9。
圖7 樣品一(a)和樣品二(b)的支撐結(jié)構(gòu)Fig.7 The supporting structures of sample No.1 and No.2
圖8 樣品一和樣品二復(fù)制品的正面(a、d)、底面(b、e)、側(cè)面(c、f)Fig.8 The front(a, d), bottom(b,e), side(c, f) views of the replicas of sample No.1 and No.2
圖9 樣品一(a)和樣品二(b)的原件(左)和復(fù)制品(右)對比圖Fig.9 The comparison between the originals (left) and replicas (right) of sample No.1 (a) and No.2 (b)
本次實驗中三維掃描獲取樣品的每組點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,最終獲取的花絲首飾樣品數(shù)據(jù)模型精確展現(xiàn)了樣品尺寸。通過實踐發(fā)現(xiàn),針對花絲首飾這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜且空隙多的樣品,三維掃描獲取點(diǎn)云數(shù)量以及網(wǎng)格重建精度與三維數(shù)據(jù)模型質(zhì)量關(guān)系緊密。這主要是由于在點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為三維多邊形網(wǎng)格時,在精細(xì)度高而點(diǎn)云稀少或缺失的地方易出現(xiàn)網(wǎng)格錯誤或缺失[13]。因此在三維掃描時將掃描參數(shù)設(shè)置為數(shù)據(jù)采樣為1/1,質(zhì)量閾值為低,獲得數(shù)量最多的點(diǎn)云數(shù)據(jù);在網(wǎng)格重建時將局部噪音降低參數(shù)設(shè)為無,邊緣最大數(shù)目設(shè)置為最小值,避免在空隙處形成多邊形網(wǎng)格。但由于儀器和軟件限制,網(wǎng)格重建后的數(shù)據(jù)模型只能展現(xiàn)樣品的主要外形,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分有很多破洞和多余的三角形網(wǎng)格,同時細(xì)絲的紋理也很難在數(shù)據(jù)模型中體現(xiàn)。
結(jié)合Materialise Magic模型修復(fù)軟件,Rhinoceros軟件對于花絲首飾這類重復(fù)物件多的模型構(gòu)建有較大應(yīng)用優(yōu)勢,尤其細(xì)絲紋理部分可利用沿彈簧線構(gòu)建圓管的方法實現(xiàn)快速建模。最終構(gòu)建的樣品模型相較三維掃描獲取的數(shù)據(jù)模型,樣品各部件精細(xì)度更高。
本次實驗3D打印的復(fù)制品與構(gòu)建的模型基本吻合,結(jié)構(gòu)更牢固,打印時間僅需三到四小時,相較手工制作大幅度地降低了制作周期,簡化了制作步驟。SLM成形花絲首飾這類細(xì)絲多的物件的最佳工藝參數(shù)為激光功率90 W,激光掃描速度500 mm/s。
3D打印的樣品復(fù)制品仍存在以下不足:(1)在細(xì)節(jié)展現(xiàn)上仍存在不足。樣品二的細(xì)絲紋理在經(jīng)過拋光后展現(xiàn)效果差。這主要是由于樣品二表面傾斜角大,在傾斜打印的階梯效應(yīng)下,傾斜角度增大導(dǎo)致殘余波紋間隙處更易出現(xiàn)粘附顆粒,影響打印精度[14]。盧建斌[15]提出了一種實現(xiàn)光斑補(bǔ)償量與掃描速度相匹配的復(fù)合掃描策略,可改善精密金屬制品尺寸精度。后續(xù)可采取輪廓掃描和正交掃描相結(jié)合的復(fù)合掃描策略,針對模型輪廓和內(nèi)部面積成形設(shè)置不同的掃描速度和光斑補(bǔ)償量,減少顆粒粘附,提升打印成品表面質(zhì)量;(2)需要添加的支撐結(jié)構(gòu)面積大,增加了材料損耗和去除的難度。后續(xù)可針對模型進(jìn)行專門設(shè)計分割,減少支撐結(jié)構(gòu)總面積;(3)拋光難度大,拋光時易發(fā)生細(xì)絲脫落。本次實驗中執(zhí)模拋光工作對于操作者技術(shù)要求高,目前磨粒流拋光工藝更適宜拋光具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印金屬制品。磨粒流拋光工藝是在一定壓力作用下,利用含有磨粒的黏彈性磨料與金屬制品內(nèi)外表面進(jìn)行流動摩擦實現(xiàn)改善粗糙度作用[16],該拋光工藝可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)拋光工藝的不足,但設(shè)備要求高且單件制品拋光成本高。
綜合本次實驗結(jié)果和傳統(tǒng)花絲工藝特點(diǎn),總結(jié)得到結(jié)合兩種數(shù)字技術(shù)(三維掃描和3D打印)與純手工制作花絲首飾復(fù)制模式的對比結(jié)果,如表1所示。相較純手工制作,三維掃描技術(shù)省去了反復(fù)對比原物和復(fù)制品的步驟,3D打印技術(shù)實現(xiàn)一體成型快速制造,對于操作人員的技術(shù)要求低,因此結(jié)合三維掃描和3D打印兩種數(shù)字技術(shù)復(fù)制花絲首飾的難度更低。同時數(shù)字技術(shù)的引入也提升了后續(xù)應(yīng)用的可擴(kuò)展性。
表1 兩種花絲首飾復(fù)制模式的制作對比Table 1 Comparison of the two filigree jewelry production modes
通過將數(shù)字技術(shù)引入花絲首飾制作領(lǐng)域,尤其是三維掃描技術(shù)的加入,利用已有的花絲首飾資源庫,通過復(fù)制的模式實現(xiàn)對已有的花絲首飾作品數(shù)字化,并建立相應(yīng)的儲存庫,實現(xiàn)用新方法制造花絲首飾。同時,消費(fèi)者可以通過進(jìn)入三維數(shù)據(jù)模型庫提前在線上全方位觀賞所要購買的花絲首飾,加強(qiáng)對于花絲工藝的認(rèn)知,提升消費(fèi)者對于后續(xù)3D打印批量化生產(chǎn)的花絲首飾的消費(fèi)意愿。此外,數(shù)據(jù)庫的建立也為博物館的花絲藝術(shù)品的線上參觀提供了可能,使參觀者足不出戶就可以體會其中的文化和藝術(shù)價值。這種新方法的運(yùn)用既傳承了已有的花絲首飾造型,提升了花絲工藝知名度,又可以創(chuàng)新提升花絲首飾市場份額。
在克服三維掃描和3D打印精度限制等技術(shù)難點(diǎn)后,數(shù)字技術(shù)在花絲首飾領(lǐng)域可實現(xiàn)更多的應(yīng)用,如:(1)文物領(lǐng)域,可擴(kuò)展數(shù)字博物館資源,并實現(xiàn)缺損的花絲首飾文物的模擬修復(fù)與仿品的制作;(2)首飾設(shè)計領(lǐng)域,對已有的花絲首飾進(jìn)行模型再設(shè)計,利用3D打印技術(shù)制作多材料的花絲首飾,進(jìn)行批量化生產(chǎn)。
本次實驗將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用在復(fù)制花絲首飾中,首先采用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀獲取樣品花絲首飾的外形特征,然后在此基礎(chǔ)上在建模軟件中重建模型,最后運(yùn)用SLM技術(shù)制作花絲首飾樣品的復(fù)制品。本文探索了數(shù)字技術(shù)在實現(xiàn)花絲首飾的數(shù)字化儲存和新方法制造的應(yīng)用可行性和技術(shù)中所存在的要點(diǎn)和難點(diǎn),得出以下結(jié)論:(1)現(xiàn)有的三維掃描技術(shù)針對花絲首飾這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物件掃描,可獲取其表面主要信息,但在精度和網(wǎng)格重建方面需要通過其他軟件進(jìn)行進(jìn)一步的改良;(2)運(yùn)用建模軟件構(gòu)建花絲首飾這類具有多重復(fù)部件的物件模型具有較大應(yīng)用優(yōu)勢;(3)運(yùn)用SLM技術(shù)打印花絲首飾可以降低花絲首飾制作周期,簡化制作步驟,但在打印精度和成型方式上需要進(jìn)一步改良。如果克服了這些技術(shù)難點(diǎn),數(shù)字技術(shù)在實現(xiàn)花絲首飾的數(shù)字化儲存和新方法制造中有更大的應(yīng)用價值與擴(kuò)展空間。