增材制造技术在文物保护中的应用

吴开明，沈佳彬，柯达威，章陈忠

（1.浙江机电职业技术学院，浙江 杭州 310053；2.先临三维科技股份有限公司，浙江 杭州 311258）

《中国制造2025》是国家于2015 年部署全面推进实施制造强国的战略文件，也是国家实施制造强国的十年行动总纲领。为响应这份战略性纲领文件，在智能制造领域，目前市场上有很多关于3D 打印方面的研究，但是对于三维模型的获取方面的研究却是比较少的。在工程实践环节中很多都是直接建立模型，但在某些应用领域需要直接获取三维原模型。由于在三维模型扫描方面的研究较少，同时学术界对于三维扫描在市场上应用领域的研究也较少，因此本文将主要在此方面进行研究。

三维扫描作为一种快速的立体测量设备，因其测量高速度、高精度、无接触、方便使用等优点而得到越来越多的应用。采用三维扫描仪对模型、样品、手板进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM 软件接口，在CAD 系统中可以对数据进行调整、修补，再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大缩短产品制造周期。针对这一情况，笔者做了此方面的调查研究。

1 三维扫描的原理

目前市面上经常看到的三维坐标测量仪器很多用来扫描工业产品，它属于逆向工程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能性能规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。

市面上三维扫描设备大体分为接触式三维扫描与非接触式三维扫描，其中接触式三维扫描一般采用三坐标测量原理进行扫描，非接触式三维扫描又分为光栅三维扫描和激光扫描。其原理分别为如下3 方面。第一，三坐标测量原理是指根据物方点的同名像点列出共线方程进行求解而得到点的三维坐标[1]，再依据这些测量点的空间坐标，通过数学方法计算出被测工件的几何尺寸和相互位置关系。其中经常看到的三维坐标测量仪器是三坐标测量机，大多数时候用来扫描工业产品，也用于反求测量[2]。传统的手动测量方式被三坐标测量机的发明而淘汰，它实现了现代化自动测量技术，同时三坐标测量机可以对之前不好测量的复杂零件进行测量，实现了对复杂零件表面轮廓尺寸的测量，而且提高了测量的精度，也大大提高了测量的效率[3]。第二，投影光栅法原理是基于三维重建技术，在物体表面投射光栅后，由2 台摄像机拍摄产生畸变的图像，利用相位解码获取每一点的相位信息，再结合1极线几何约束关系实现2 幅图像上点的匹配，最后根据标定结果，利用三角法计算点的三维坐标，以实现物体表面三维轮廓的测量。并结合彩色纹理模块获取物体表面对应空间信息的彩色纹理信息[4]。第三，激光三角法原理是采用激光器投射一束激光光束，光束打到物体表面时，根据物体特性，会有反射光反射回来，此时用摄像机捕获到反射光，当物体旋转时，表面位置会发生变化，线激光器打到物体表面的位置也会发生相应的变化，因此摄像机捕获到在摄像机成像平面的反射光点会发生相应的变化。本次研究就是采用激光三角法，其原理如图1 所示。

图1 激光三角测量原理图

图1 中，p'为摄像机的光点侧移距离，P表示物体表面偏移距离，n为成像平面中心点与透镜后主平面的距离，m为激光光轴与物体表面的交点到透镜前主平面的距离，α为激光光轴与被测表面法线之间的夹角，β为摄像机成像光轴与被测表面法线之间的夹角[5]。

2 三维扫描设备参数的对比

对于以上几种原理同时结合市面上各种产品的数据，整理出主流设备，分类如表1 所示。

表1 主流设备参数

随着技术的进步，上文提到的3 种基本原理应用到产品上也存在很大的差别，其中激光三角法由于精度较高，有更大的扫描范围，所以应用此技术的产品也是最受市场欢迎的。在文物保护领域，三维扫描具有很大的优势，如单点采集转批采集、实施野外测量等。通过优势转换可以解决传统的单点采集存在易受干扰、时间长、误差大等缺点，同时也降低了工作难度[6]。

3 三维数据的获取与处理

在文物保护领域，扫描仪的应用解决了由于文物贵重而不适合远距离长时间搬运等难题。通过梳理最近几年关于3D 打印与逆向设计应用于文物保护领域的相关文献[7]，团队认为在技术上已经取得了一些进展。所以此次需要在保护文物真品不受损的情况下，获取文物数据，做出小样延伸品，供人观赏，不受地域时间的限制。

通过前期的准备，调查研究团队决定采用手持式3D 扫描仪。在具体扫描仪型号选取方面，团队工程师选择扫描范围为210 mm×150 mm，像素达到131 万，扫描速度为10 帧/s 的EinScan-Pro 扫描仪。它能够完整获取各类物品的形状和尺寸数据，高精度的特性使得细节部位的展示效果也十分优秀，能够清晰地还原出物品最真实的相貌。

它拥有4 种扫描模式，即手持快速扫描、手持精细扫描、固定全自动扫描和固定自由扫描，其中手持快速扫描扫描速度快，达10 帧/s，适合大型工件、人体、雕塑物体的扫描。如图2 所示。

图2 三维扫描仪扫描文物

图2 中的唐朝仕女石像高1.2 m，表面细节少，故此次扫描采取EinScan-Pro 手持快速扫描模式，无需贴标志点，喷显像剂，扫描时间为10 min。

在成功获取了唐朝仕女像的三维数据后，需要采用专业的软件进行点云的处理，这里采用Geomagic Design X 软件。目前市面上有很多处理点云的软件，比如RhinoPoints、CloudCompare 等。经过详细比对，发现Geomagic Design X 软件是由3D Systems 公司进行开发的，能够很好地对接到下一步的3D 打印机中，所以采用此种软件。在点云处理方面，首先进行点云杂点的过滤、点云的采样、面片的构造、网格面片的修补、拟合曲面等步骤。同时为了尽可能地体现文物的细节，采用了误差分析模块，根据需求设定曲面与原始数据之间的偏差上下限值，将公差大的部分通过修正模型达到一种完美状态，最终导出实体文件。

4 三维模型的打印

为了展现此文物的细节方面，对于打印设备的选择也经过深思熟虑。笔者对比了市面上几款不同的3D打印机产品。

经过多方面参数对比后，最终选取了iSLA-650Pro 3D 打印机，光斑大小为0.1 mm，激光波长为355 nm，分层厚度为0.05 mm，扫描速度大于10 m/s，振镜精度自动标定。在保证更好成型质量的同时也减少了后处理工作量。打印机如图3 所示。

图3 iSLA-650Pro 3D 打印机

实验室中最终选定先临三维公司的iSLA-650Pro 3D 打印技术，以光敏树脂为材料，开发延伸品，以3D打印的形式保留下的仕女像，如图4 所示。当然，打印出的仕女石像还是需要去除一些支撑，由于材料的缘故需要将模型放入99%工业乙醇中使支撑材料变得柔软。去除支撑后为了使表面进行快速固化，团队使用了紫外灯进行照射。由于紫外光辐射后会产生离子和游离子基，这些离子或游离子基与预聚体或不饱和单体中的双键起交联反应，形成单体基因，从而引发交联和聚合反应使树脂由液态转化为固态。通过运用此种方法来打印出文物模型，使来访者不必远程拜访藏主，也可领略唐朝仕女风貌。数字化的展示方式打破了时间和空间的局限，使人们能在屏幕上领略中华文化的博大精深。

图4 仕女3D 打印模型

5 结束语

本项目采用扫描仪对实体文物进行三维立体扫描，经过点云数据处理后三维建模，最后形成三维数字化文物。它是高科技应用于文物修复、保存、管理以及展示的一种体现，同时也是文物保护研究领域亟待解决的问题。文物三维扫描数据可用于文化遗产领域的文物或场馆三维建模、文物修复、文物保护，也可用于工业仿制、产品检测。团队将最新科技与文物保护有效结合起来，在文物保护中没有直接接触文物，故不会对其造成二次伤害。

随着社会对文物保护越来越重视，此方面的科研工作也逐渐深入。许多学者也展开了3D 打印与逆向工程在此领域的应用，当然目前还存在着一些困难，比如打印材料的价格、材料的色彩、设备的打印效率等问题。团队相信，随着科研力量的不断投入，科研工作者终将攻克这些难题，为未来的文物保护贡献自己的智慧。