艺术铸造中小件模型的数字化制作技术

王甜，胡春良（山西宇达集团，山西夏县 044402）



艺术铸造中小件模型的数字化制作技术

王甜，胡春良
（山西宇达集团，山西夏县 044402）

摘要：艺术铸造中小件模型的制作已经引进全新的数字化制作技术，这对传统的制模技术形成强烈的冲击。本文主要介绍了艺术铸造模型前期数据扫描、制作以及模型数字化修复的全过程，以图片、文字相结合的内容直观的做了介绍，完整呈现了数字化技术铸造模型的核心组成部分。

关键词：扫描技术； 3D打印技术；数字模型的形成；艺术铸造

稿件编号:1512-1160

这里介绍的中小件模型的数字化制作技术主要指三维扫描3D打印技术。3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在20世纪90年代中期，即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

对于不同材质、用途的模型制作，采用不同的扫描技术，不同的打印技术。这里主要从本公司的一些实际制作方面详细介绍数字模型的制作过程，从所用的加拿大手持扫描仪和德国蓝光扫描仪在工作中不同分配使用，从粉末烧结的打印到光敏树脂打印，我们所经历的经验与进步。

1 扫描技术及软件后期修复的应用

扫描水平的高低会直接影响模型的质量，加拿大手持扫描仪和德国蓝光扫描仪能够直接完全复制三维空间的模型。

1.1 加拿大手持扫描的应用

这个名称为“Go！SCAN3D”的扫描仪，能根据物体的几何形状，有无定位目标点均可扫面，不过对一些稍大的、造型复杂的模型，我们可采用贴加荧光点完成扫描，扫面的图像可以通过Vxelements的软件进行分析，生成精度达0.5 mm的三维几何图像。

在实际工作中，可非常方便的制作真人铜像（全家福、婚纱照等），由于这款扫描仪的轻便，容易携带，扫描的对象可扩大到室外的雕塑以及旅游景点的一些文物雕塑的扫描。2014年我们分别完成了万荣后土祠文物《后土娘娘》塑像扫描复原制作、夏县司马温公祠室内外文物雕塑的扫描制作。另外，还解决了对中小件雕塑的测量难题，不再采取手工的测量法，仅仅两分钟，通过扫描仪及软件的配合，既可快又精确地测量出面积。

以下通过对人物扫描的制作以及《后土娘娘》雕塑的扫描处理加以说明。

1.1.1 对真人对象的扫描

⑴打开扫描软件Vxelements对人物进行扫描，扫描的过程中要求对象尽量不要晃动，以免影响扫描效果。对象扫描完成后，导出扫描好的stl格式的三维文件，扫描工作完成。如图1，由于扫描过程时间相对较长，我们采用多次扫描对象。

⑵将扫描的文件导入Geomagic studio软件，对扫描带来的漏洞进行修复、补洞及删除多余的杂点，由于这款扫描仪对光、颜色的辨识度不同，黑色头发部分一般扫描成为缺陷；将修复好的文件导出obj格式即可。如图2。

图1 多次扫描对象图

图2 对拼接好的三维图像进行补洞

⑶进入ZBrush软件，将做好的文件导入，对模型上修补的部分进行细化（如眼睛、眉毛、头发部分），可用常用笔刷clay的贴加减泥或者move移动或者smooth平滑，可添加笔刷效果做修饰效果，这些都是修复模型的简洁工具，非常实用，修复完成后导出stl格式。如图3。

图3 修复完成最终效果

1.1.2 对《后土娘娘》雕像的扫描及修复

采用手持扫描仪对该雕像进行扫描，由于该雕像的时间比较久，材质上的一些原因，破旧损坏的面比较多，后期的修复足足花了半个月的时间，其制作流程与上述婚纱照的扫描、修复、雕刻类同，各阶段修复结果如图4、5、6。

图4 扫描好的stl文件导入Geomagic studio软件

图5 修复补洞

图6 ZBrush软件修复的最终效果

1.2 德国蓝光扫描仪的应用

这款称为Comet L3D 5M的蓝光扫描仪，采用创新的LED照明技术，在特定的范围内，只需要调整镜头，即可快速、便捷地更换视场，若加上系统与转台的使用，更为方便。采用此款扫描仪进行数据采集，测得的数据精确、质量高，其精度达到0.02 mm。在工作中，我们广泛用于对雕塑模型的放大缩小以及对植物花草的复制，为雕塑家改变尺寸重新制作节省了时间，既快又准确，还不缺乏艺术性；对花草植物的扫描，主要是想将自然存在的美加上一些创作的元素使其更有美的欣赏。

以下介绍本公司正在扫描制作的魏小明老师雕塑系列衍生品制作过程。谈到这里必须首先介绍这位有着独特雕塑风格的魏小明老师，出生于1957年，画家、雕塑家、教授，她的女性作品造型修长，充满幻想的美，就如她所言：“创作不应偏重看得到的生活，更重要的是创作者想象中的生活，想象很重要”。这里我们就以魏小明老师其代表作之一做以介绍。

1.2.1 魏小明雕塑作品《风花》实例

⑴进入Come TPlus软件，打开扫描仪光源，对准扫描物，当扫描仪发出的两点重合为一时扫描为佳，由于该雕塑为中件雕塑，这里不使用转盘，用手动进行全方位上下左右360°的扫描，扫描一部分后再与有共同扫描面有特征的找点拼合，一张张三维图像拼合成像，直至扫描完成。导出stl格式文件这样扫描出的三维模型非常完美，没有任何缺陷，完全复制精品。如图7。

图7 Come TPlus软件正在进行扫描

⑵将扫描的三维图像导入Geomagio studio软件，把我们扫描雕塑时放的水平面删除（不是雕塑的内容），完成修复，导出obj格式文件。如图8。

图8 Geomagio studio软件的修复过程

⑶如果雕塑家要求我们对表面肌理做抛光或者添加纹理，再导入ZBrush软件中进行操作，如保持原雕塑，此步骤可以省略，直接进行打印。如图9。

图9 根据模型的表面肌理进行抛光的效果

1.2.2 对百合花实物的扫面

由于真花材质上的原因，本身比较轻薄，运用转盘扫描时，稳定性不好，给扫描带来很大的困难，在扫描的过程中我们暂时采用物体的支撑和喷洒显影剂方法，暂时解决了真花的扫描难题，但并不是很满意。为了方便扫描，我们采用将花瓣和花蕊分开扫描，对照拼接。如图10、11、12。

图10 Come TPlus软件正在进行扫描

图11 Geomagio studio软件中对花进行拼合和修复

图12 ZBrush中变形修复及细节

应该注意的是，在ZBrush软件中使花瓣有个共同的着地点，平稳摆放，在不违背真实与美观的前提下，即可欣赏又可使用，是一件很美的艺术摆件品，又是一件高档享用的烟灰缸，这种创新艺术是我们一直追求的方向和目标。

2 打印机的应用技术及模型的后期修复

2.1 3D激光粉末烧结打印机

3D激光粉末烧结打印机使用的材料是粉末状，它是一种以截面形状集合表现出来的立体模型，打印出的模型比较酥软、易碎，而且在制作的过程中温度控制不佳时会产生模型一分为几块的状况，在工作实践中我们采取了后期的修复工作解决了这一问题。但总体来说，此款打印机打印出的模型比较粗糙，只可作为雕塑前期的轮廓定形使用。这里主要介绍该打印机的运用，以及对模型的后期修复过程。

⑴将前期修复好的三维stl格式的文件导入Magics软件进行缩放、抽壳、打孔以及零件的切层（CLI格式），切层建议尺寸为0.15 mm。设备精度（0.15~0.2 mm）。最后将文件转换为AFI格式或者AFM格式。如图13。

图13 Magics软件进行数据修复

⑵将文件输入打印机系统，做好打印前的所有准备工作，扑粉（必须做测试），调整室内温度，成型过程。此款打印机的打印时间比较长，约10 cm的模型打印的时间为6～7 h。当模型打印完成后，必须等待完全冷却后方可取出模型。如图14。

图14 工作人员清理刚打印完成的模型

⑶对模型进行去处多余的粉尘，以便在进行泡蜡（蜡温70 ℃）的过程中不会影响模型的清晰度，这样做主要是解决粉末打印机打印出的模型的表面的层出纹理，这个纹理影响了模型的表面质量，如图15。

图15 左为打印模型，右为泡蜡修复好的模型

2.2 3D光敏树脂打印机

快速成型树脂打印机最大的优点是实现了模型制作的自动化。这款名为RS6000的打印机，材料为树脂液体，它通过打印箱内的“Z”轴托板，由激光在计算机的控制下逐层扫描成型。在其打印的过程中，室内的温度必须保持25 ℃左右，打印的全过程一键自动化，操作非常方便，打印机的精度为0.05～0.15 mm。打印切层数据一般为0.07 mm，与我们起初使用的激光粉末烧结打印机相比，这款打印机更加精确、细致，几乎省去了后期打印成型模型的修复。此款打印机的打印时间比较长，约10 cm的模型打印的时间为4～5 h。下面通过我们实际工作的内容进行介绍说明。

⑴把扫描好的模型stl格式文件导入Magics软件，对模型设置壁厚、打孔，是原材料能够通畅流出，避免不必要的浪费，并对模型做相应的缩放、支撑、切层，制作打印前的数据，如图16。

图16 Magics软件进行数据处理

⑵将制作好的cli格式文件，输入打印系统进行模拟加工，模拟完成后直接进入打印系统。

⑶将打印好的模型小心取出，对模型进行两次酒精清洗，使支撑松软，便于去掉支撑。用砂纸轻轻打掉支撑留下的毛刺，模型完成。如图17。

图17 打印好的树脂模型

3 部分数字化制作的铜件欣赏（图18-23）

图18 女像铜件

图19 坐佛模型及最终结果

图20 吴雅琳老师雕塑作品《海上生明月》铜件

图21 吴信坤老师的《梦回大唐》雕塑铜件

图22 《后土娘娘》塑像铜件

图23 黎明老师的雕塑作品《青年毛泽东》铜件

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

中图分类号：TG249.9；

文献标识码：A；

文章编号:1006-9658（2016）03-0084-05

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.025

收稿日期:2015-12-11

作者简介：王甜（1984—），女，铸造工程师，主要从事艺术铸造3D模型的设计与制作.