基于三维扫描及3D打印对南越王句鑃复制设计

唐剑隐，胡耀佳，高力强，陈世辉，王为钢，艾伦华

(武汉工控艺术制造有限公司，湖北　武汉　430000)

0　引言

武汉工控艺术制造有限公司(前武汉机械工艺研究所)在1983年首次成功复制了1978年湖北省随县(今随州市)曾侯乙墓出土的曾侯乙65件套编钟。1997年香港回归庆典时，在世界著名指挥家谭盾先生的指挥下，这套复制编钟奏响了 “天·地·人” 交响曲。该套钟已定为国家二级文物，现藏湖北省博物馆。自成功复制曾侯乙编制后，公司一直致力于文物复制工作，特别在古代打击乐器方面积累了大量研究成果。2017年，武汉工控艺术制造有限公司承接“北京师范大学—香港浸会大学联合国际学院(UIC)南越王墓句鑃复制”项目，本项目要求在原句鑃整套8件的基础上，根据现代演奏乐器音律要求，将整套句鑃扩大至18件，公司技术人员通过细致研究设计，在原句鑃基础上，按照现代音律要求对新18件套句鑃进行详细设计。

1　设计方案

1.1　整体尺寸设计

南越王墓出土的句鑃整套为8件，项目要求按照现代演奏音律要求扩大至18件，需在原句鑃尺寸基础上按照音律分布要求重新设计整套句鑃，设计尺寸如表1所示。

1.2　设计流程

句鑃复制设计流程为：①1号句鑃蜡模制作;②三维扫描1号蜡模，输出点云数据，经处理后建立三维实体模型，并按照设计尺寸等比例放缩得到整套18件套句鑃三维实体模型；③模型输入3D打印机打印实体；④利用打印实体进行翻模后一次性浇注成型出产品。

2　基于三维扫描及3D打印技术对句鑃的复制设计

2.1　设备型号及工作原理

(1) 三维扫描仪使用先进的德国蔡司COMET-L3D-2系列蓝光扫描仪。该扫描仪为非接触式光栅蓝光三维扫描仪，工作原理为：使用蓝光对输入对象进行三维扫描，使用CCD相机接收其反射光束，根据三角测距原理获得与拍摄物体之间的距离，并进行三维数据化处理，经过软件的处理得到物体的坐标点(称点云)或者三角面。其扫描精度可达0.008 mm，由于该仪器具有非接触式扫描方式和扫描精度高等优点，因此非常适用于文物相关行业。扫描仪如图1所示。

表1　18件套句鑃设计尺寸　mm

(2) 3D打印机使用美国3D SYSTEMS公司ProJet MJP 3600 MAX打印机，其基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机根据此信息控制激光器(或喷嘴)有选择性地烧结一层接一层的粉末材料(或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料)形成一系列具有微小厚度的片状实体，然后再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层叠加。

ProJet MJP 3600 MAX型3D打印机采用光固化成型法(简称SLA)，成型材料为光敏树脂，在极高清(XHD)模式下，打印层厚可达16 μm。3D打印机如图2所示。

图1ZEISS COMET-L3D-2 5M扫描仪图2ProJet MJP 3600 MAX打印机

2.2　三维扫描、数据处理及建模

(1) 1号句鑃蜡模三维扫描。设计人员先按照设计尺寸制做1号钟体蜡模，如图3所示。

(2) 扫描蜡模及对扫描点云数据处理。利用三维扫描仪对1号蜡模进行数据采集，采集后的原始点云数据如图4所示。

图31号句鑃蜡模图41号蜡模原始点云数据

从图4中不难看出，钟体的表面点云数据需要进行光顺处理，同时钟体边缘点云数据有不规则噪点，需进行噪点去除和边界平滑处理。对点云数据的处理使用Geomagic Studio逆向软件，先对点云数据进行表面光顺处理，去除点云噪点；然后再对处理后的点云数据钟体曲面进行面域优化，对点云边界进行平滑处理，并镜像后创建实体。1号钟体实体模型如图5所示。

图5　1号钟体实体模型

(3) 实体放缩。利用1号钟体实体模型，使用Soild Works软件根据表1的设计尺寸进行实体放缩，得到18件套句鑃实体模型，并保存为STL格式。18件套句鑃实体模型如图6所示。

2.3　3D打印

将设计的三维实体模型以“STL”格式输入3D打印机，使用光敏树脂为打印材料，打印出18件套句鑃实体，其中2号句鑃打印实体如图7所示。

图618件套句鑃实体模型图72号句鑃打印实体

3　结语

编钟兴起于西周，盛于春秋战国直至秦汉。编钟类乐器的发声原理大体是：钟体小，音调就高，音量也小；钟体大，音调就低，音量也大，所以铸造时的尺寸和形状对编钟类乐器有重要的影响。而钟体部分又是由许多不统一的曲面组成，这使得传统的三维建模设计很难还原编钟钟体实际形状，以前的设计工艺是每一个钟体都由技术熟练的雕刻技师依照编钟主要尺寸反复修正制作蜡模，再利用蜡模进行翻模浇注，蜡模设计制作需花费大量的时间，而且对雕刻技师的水平要求极高。通过三维扫描技术和3D打印技术相结合的逆向反求设计，在对一个实体扫描建模后通过放缩的方式得到一套句鑃的实体模型，不仅大大节约了制作蜡模的时间，而且使一套句鑃钟体曲面保持一致，这将最大程度地保持句鑃的整体美观效果，并提高后期的调音效果。

参考文献：

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