三维扫面逆向工程在石湾公仔量产流程上的研究

(佛山科学技术学院 广东 佛山 528000)

探索三维扫描技术、逆向重构技术与3D打印技术与传统的手工艺项目相结合，让现代扫描打印技术在传统手工艺品制作过程的产品设计、开料制作、二次创作、修补完善等过程中起到具体作用，将现代科技与传统技艺相结合，从而突破传统的石湾公仔批量制作、生产的缺陷，降低破损率，从而降低生产成本。

一、相关产业研究

(一)石湾公仔相关产业现状

石湾陶瓷公仔艺术，民间俗称石湾公仔，是中国陶瓷名镇——广东省佛山市石湾镇出产的陶瓷手工艺品，石湾公仔被视为平民的艺术品，因为它不仅可以用来收藏，还可以当作风水摆件放置在家中，或作为实际生活用品使用。石湾陶艺在一步步的发展中逐渐脱离实用性，向艺术靠近，成为表现艺术的一种载体，这可能是它没有被时代丢弃的原因。给人以美的享受是“石湾公仔”的价值之一，但让它能够成功申为非遗的决定性因素是，它像百科全书一样把每个时代人们的生活习惯、风俗信仰、社会百态记录下来。经过长期的历史演变，这种传统民间艺术渐渐受到重视[1]，但相关的企业、陶艺家、设计师等对石湾公仔的投入大体在情感化设计及材料、成型方面的研究[2]，在生产流程的技术研究上较匮乏。

(二)三维扫描逆向工程与3D陶瓷打印

三维扫描逆向工程和快速原型技术不但能够缩短产品开发的时间，也能够检测现有的产品、修复损坏的产品、检测产品的实际数据与设计数据之间的误差[3]，其作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段,可以胜任消化外来技术成果的要求。它们的出现改变了传统产品设计开发模式,大大缩短了产品周期,提高产品研发的成功率。

当今，国外各个行业越来注重产品的外观设计，以此来吸引顾客，最终在商业上取得成功。国外已有很多研究，其中包括硬件和工艺开发、材料开发、应用开发，以及提供商业可用和专有服务的逆向工程专业化服务。目前，逆向工程广泛应用于产品改型或仿型设计。西门子电气的逆向工程小组通过对涡轮叶片进行逆向设计，优化设计方案，在不到12天的时间内就开发出了用于其它方面的新型涡轮，目前该套系统已开始对外提供逆向工程应用服务。2000年，波音公司应用逆向工程技术对波音747的尾翼进行了复原设计，并在一个工作日内制造出了零件，为老式飞机的维修和零件更换提供了快捷途径。

陶瓷3D打印技术是当前研制出来的一种新技术，能够清晰地利用数字化的方式展现产品，陶瓷3D打印技术与传统陶瓷设计方法相比，有着较为明显的优势，不仅能够将设计师的想法更好地展现在电脑中，修改起来更为方便，节省了传统陶瓷设计方法中手工制作的时间与成本，还运用了转换器将三维与二维互换，提升了制作效率及精确程度。但这一过程也存在一定的弊端，3D打印技术会导致表面质量不高，出现凹凸不平的纹理，这一纹理虽独具特色，可以突出陶瓷自身的特点，但不能满足表面光滑的要求，要想提升其光滑程度，需要对瓷器的外表进行优化打磨[5]。

二、三维扫面逆向工程在石湾公仔生产中的应用

在石湾公仔传统的手工艺制品流程中，耗时且耗费最高的部分在于人力制作步骤。随着商业化对手工艺制品的要求逐渐提高，传统的量产方式如开模、倒模等制作方式，试错成本高，量产效率低。三维扫描逆向工程与3D打印技术的结合使得前期手工制作的石湾公仔模型可通过中期的三维扫描逆向工程，到后期3D陶瓷打印模式实现量产，同时随时对产品形态与颜色进行微点调控。通过对生产流程的控制，在减少生产步骤、降低人工成本、降低生产制造的时间等成本上达到最大化量产的效果。

石湾公仔是佛山市一项历史悠久的文化产业，该项目为石湾公仔的生产提出新的流程和思路，并能够通过数字模型对石湾公仔的造型做长久的保留和修改，旨在用新技术方式，对传统的佛山石湾公仔的相关文化产业的传承和发展出一份力。

三、基于三维扫描逆向工程的石湾公仔生产流程

从手工实物设计——数字模拟再设计——二次实物测试——实物批量生产的思路，与一般产品设计流程不同，该项目的设计流程思维是将已手工简易制作的产品或虚拟产品在软件中做多次的创新、修改等工作，可通过相关软件对产品做物理测试，再通过3D打印技术成型后做实物测试，对数字模型进行二次修改，最后达到批量生产的结果，大大降低试错成本与制造流程中的人力、物力的资金投入。基于三维扫描逆向工程的石湾公仔生产流程具体步骤如图1：

步骤1.实物模型向数字模型的转化。将三维几何点云数据转化为CAD模型数据，对原始数据进行分析过滤，随后基于处理后的点云数据实现产品表面曲面的重构及优化，充分融合了特征建模与非特征建模的优势，可实现复杂的多曲面、大曲率模型的逆向重构最终生成符合生产要求的石湾公仔的CAD可计算模型。

步骤2.数字模型的二次创新与修改。将收集的空间点云数据进行整理后的佛山石湾陶瓷公仔进行数字化修改、弥补和二次创新等操作，降低产品二次改造的难度与成本；同时可突破因工艺者制作技艺限制的瓶颈，让石湾公仔造型与色彩更丰富、更具地方特色，且应商业化需求可做更高级的个性定制。在产品量产前做相关软件的物理测试，大大降低试错成本。

步骤3.数字模型进行实物量产。与传统的手工倒模方式不同在于3D打印技术是将陶瓷材料以层级堆叠的形式塑造形体，在制作过程中需要研究和总结不同模型的打印方式。最终通过3D打印技术做样品测试后，可使得不规则的手工艺品经过多次的创新设计行为。

图1