（材料加工工程专业论文）基于rpt的“金沙铜立人”数字化修复与仿制.pdf

啼7 7 9 1 3 s 基于r p t 的“金沙铜立人”数字化 修复与仿制 材料加工工程专业 研究生：辜勇导师：李伟 我国青铜器复制与仿制的历史比较悠久，但采用的技术相对落后，生产 规模也较小。在高度信息化、数字化的今天，青铜器复仿制虽然受到一些冲 击和影响，但仍然以小规模、家庭作坊式的手工或单件或小批量制作为主， 技术含量相对较低，其复仿制品充斥着中国各地青铜器市场。 快速原型技术( r p t ) 是一种先进的制造技术，它能快速地制造任何形 状的产品( 如工业原样、艺术品包括青铜器等) 。近年来，这项技术引入我国， 主要应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。随着信息化、数字化生产方 式的普及，将快速原型技术引入青铜器复制与仿制，能为青铜文物的保护与 开发提供一条全新的途径。 本文以“金沙铜立人”青铜器为研究对象，对成都金沙遗址出土的、具 有强烈地方特色、部分残缺的铜立人艺术品进行数字化修复与仿制，把先进 的r p t 技术与传统的失蜡精密铸造工艺相结合，实现先进技术与古老艺术的 融台，为青铜文物的保护与开发提供一种全新的尝试，获得以下几个方面的 研究成果： 1 建立在以微机为硬件配置、系统软件为w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 或 w i n d o w sx p 基础上的p r o 厄2 0 0 1 三维造型软件，适合“金沙铜立人” 青铜艺术品的数字化建模、修复以及复制要求。 2 根据“金沙铜立人”的文化信息( 名称、朝代、纹饰、用途、地区) 、 形态走向及特征信息，对此青铜器的残缺部分进行了数字化修复。 3 基于“金沙铜立人”的形态特征，根据三维造型图学理论，对此青铜艺 术品进行了体素的分解先构造主特征一再构造辅助特征一最后添 加附加特征，体现“先难后易”的分部建模思想；同时确定了每一体素 的造型方案，运用p r o e2 0 0 1 新增的i s d x 模块，充分发挥其在自由曲 面造型中的优点，按照点一线一面一实体的思想，对此青铜艺术品进行 了数字化仿制。 4 分析了s t l 文件格式的控制参数，并在保证精度的前提下，把“金沙 铜立人”的数字化模型转换为快速成型机能够接收的s t l 数据格式。 5 通过对几种成熟并已商品化的快速原型技术的比较，筛选出适合本课 题的快速原型方法及其设备，即采用s l 法和l p s 2 5 0 激光快速成型机。 在此基础上，运用成型机自带的l p s 4 2 版资料预处理软件对此艺术品 的数字模型进行了制作方向的选择、切片、加支撑等数据处理，再通 过成型机自带的l p s 工艺控制系统设置好所有工艺参数，最终制作出 “金沙铜立人”的快速原型模样。 6 通过对几种特种铸造方法的比较，筛选出适合此艺术品仿制的熔模失 蜡精密铸造方法。在此基础上，确定出铸造方案且对精密铸造过程中 的硅胶模制作、蜡模制作、模组组装、型壳制备、浇注过程等主要环 节进行了研究，获得了青铜器毛坯，并对该毛坯进行了后处理以及表 面处理( 做旧处理) 。 7 “金沙铜立人”的数字化修复与仿制，对于金沙遗址青铜文物的研究、 保护与开发具有现实和深远的意义，为广大青铜器爱好者和考古工作 者提供了一种可以借鉴的方法。 关键词：金沙铜立人微机三维造型修复仿制r p t 失蜡铸造 t h en u me r a lr e h a ba n dc o p yo f j i n s h a t o n g l i r e n b r o n z ew a r e b a s e do nr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g uy o n gs u p e r v i s o r ：l iw e i t h e r ei sal o n gt i m es i n c eb r o n z ew a r e sc o p ya p p e a r e d ，a n dt h et e c h n o l o g i e s a r eo f t r a d i t i o n a la n dr e l a t i v e l yo l d - f a s h i o n e dw i t hs m a l ls c a l eo f p r o d u c t i o n u pt o n o w , t h ew a y so fb r o n z ew a r e sc o p ys u c ha sh a n d c r a f t ，p i e c e - p r o d u c t i o no rs m a l l p r o d u c t i o ns c a l ea r es t i l lu s e d ，t h o u g ht h e yh a v eb e e ni n f l u e n c e db ym o d e m t e c h n o l o g i e s l i k ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) a n dc o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ( c a m ) ，e t c t h em a r k e to f b r o n z ew a r et o d a yi sf u l lo fm a n m a d e p r o d u c t s r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ( r p t ) i sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gm e t h o d w ec a nu s ei tt om a k ea n yt y p eo fp r o d u c t si nas h o r tt i m e r e c e n t l y , t h i s t e c h n o l o g yh a sb e e ni m p o r t e di nc h i n aa n dm a i n l yu s e di nt h ef i e l do fa v i a t i o n ， a u t o m o b i l e ，m e d i c a la p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t s ，e t c a l o n g 谢t i it h ep o p u l a r i z a t i o n o f i n f o r m a t i o n a la n dn u m e r a lm o d eo f p r o d u c t i o n ，w ec a l la p p l yr p tt ot h eb r o n z e w a r e sc o p y t h i sw i l lg i v eu san e ww a yo fp r o t e c t i n ga n dd e v e l o p i n gb r o n z e a r t w o r k sc o p y t h i sp a p e ra i m st os e tu pab r i d g ec o n n e c t i n gt r a d i t i o n a ll o s tw a xp r o c e s s w i t hm o d e mn u m e r i c a lt e c h n o l o g yl i k er p t , t or e a l i z en u m e r a lr e h a ba n dc o p yo f “j i n - s h a - t o n g l i r e n b r o n z e w a r eb a s e do nr p t it oa m a l g a m a t em o d e m t e c h n o l o g i e sw i t hv e n e r a b l ea r t s ，a n dt ot r yt o 嘶n go u tan e ww a y f o rp r o t e c t i n g a n dd e v e l o p i n go f b r o n z ew a r e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do np ch a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dw i n d o w s9 8 ，w i n d o w s2 0 0 0o r w i n d o w sx ps y s t e ms o f t w a r e ，t h ep r o e2 0 01c a l lm e e tt h en e e do ft h eb r o n z e a r t w o r k sn u m e r a lm o d e l i n ga n dr e h a b 2 b a s e do nc u l t u r e s h a p et r e n da n dc h a r a c t e ro f j i n s h a t o n g l i r e n b r o n z ew a r e ，t h ed e f o r m i t yo f t h i sa r t w o r kw a sn u m e r a u yr e h a b b e d 3 o nt h eb a s i so ft h es h a p ec h a r s c t e r , i no r d e rt om a k eg o o du s eo f3 d m o d e l i n gt h e o r y , “j i n - s h a - t o n g l i - r e n b r o n z ew a r e w a sc o p i e d t h r o u g h d i s a s s e m b l i n gt h et i s s u eo f 血ea r t w o r k t h ep r o c e s s e sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t c o n s t r u c tm a i nc h a r a c t e r s s e c o n d ，c o n s t r u c ta s s i s t a n tc h a r a c t e r s ，a n dt h i r d a d d e x t r ac h a r a c t e r s m e a n w h i l e ，m o d e l i n gp r o g r a m m eo fe v e r yt i s s u es h o u l db e d e c i d e d a n dt h e n ，a c c o r d i n gt ot h ei d e ao f “p o i n t - c u r v e ，s u r f a c e s o l i d ”。 t h ei n c r e a s e di s d xm o d u l eo fp r o e2 0 0 1w a su s e dt oc o m p l e t en u m e r a lc o p yo f t 1 1 i sb r o n z ea r t w o r k 4 p a r a m e t e r so ft h es t ld a t ef i l ew a s a n a l y s e d a n dd a t ao f j i n s h a t o n g - l i - r e n ”n u m e r a lm o d e l i n gw a sc h a n g e dt os t lf o r m a tw h i c hc a n b ea c c e p t e db yr a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n ea c c u r a t e l y 5 t h es lm e t h o da n dl p s 2 5 0l a s e rr a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n ew e r ed e c i d e d ， a n dd a t ah a n d l i n gs u c ha sd i r e c t i o ns e l e c t i o n ，s l i c e ，b r a c e ，e t e w a sc a r r i e do u tb y t h ed a t ep r e p r o c e s s i n gs o f t w a r eo fl p s 4 2v e r s i o n l a s t l y , t h em a c h i n e sl p s p r o c e s s c o n t r o ls y s t e mw a su s e dt os e ta l it h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n dt h e nt h e r a p i dp r o t o t y p i n gp r o d u c to f “j i n - s h a t o n g l i r e n b r o n z ew a r ew a ss u c c e s s f u l l y c o m p l e t e d 6 b yc o m p a r i n gs e v e r a ls p e c i a l c a s t i n gp r o c e s s e s ，t h el o s tw a xp r o c e s sw h i c h i sf i tt ot h ea r t w o r kc o p yw a sc h o s e n t h e n ，t h ec a s t i n gp r o j e c tw a sc o n s t r u c t e d a n dt h ec o p y i n gp r o c e d u r e sw e r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ：f a c t u r i n go fs i l i c ag e l m o u l d ，m a k i n go fw a xm o u l d ，a s s e m b l i n go fc l u s t e r s ，p r e p a r i n go fs h e l la n d p o u r i n go fb r o n z em e l t ，e t c a f t e rt h es o l i d i f i c a t i o na n dt h ec l e a r i n go ft h i sb r o n z e c a s t i n g ， s p e c i a l s u r f a c et r e a t m e n tw a sd o n ei no r d e rt o d e c o r a t e “j i n s h a - t o n g - l i - r e n ”b r o n z ew a r e 7 t h es t u d yo fn u m e r a lr e h a ba n dc o p yo f “j i n - s h a - t o n g l i r e n ”b r o n z e w a r ei s s i g n i f i c a n t i tw i l i a s s i s tu sw i t hf u r t h e rr e s e a r c h p r o t e c t i o na n d d e v e l o p m e n to f b r o n z ew a r ef o u n d e di nj i n s h aa r c h a e o l o g i c a ls i t e k e yw o r d s ：“j i n - s h a - t o n g - l i - r e n b r o n z ew a r e ；p c3 dm o d e l i n g ；r e h a b ；c o p y ； r p t ；l o s tw a xc a s t i n g 绪论 1 绪论 随着改革开放的进一步深入，中国的青铜艺术近年来越来越受到世人的 关注。青铜技术及其制成品在某种意义上代表着中国古代文明，是最具中华 文化特征的一种艺术形式，自古以来受到上流社会以及普通百姓的极大推崇， 广为流传。现代文明与古老青铜技术在当今中国能够共存，并得到适度的发 展，体现了中华文化的博大与包容，在改革开放的今天，仍然受到多方面的 关心与支持。 产品创新设计系统将计算机技术和先进制造技术即快速原型技术( r a p i d p r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y r p t ) 相结合，应用到艺术品的原型设计和仿制中， 为传统的艺术品修复和仿制提供了一个全新的途径和环境。通过该系统，在 计算机虚拟环境中，实现三维实体造型，从各个角度对造型进行编辑修改， 充分反应艺术品的原始造型，并赋予材质和渲染，达到完美逼真的视觉效果， 因此，可对艺术品的修复设计进行全面地评价，得到最佳的仿制效果；同时， 衬用计算机可以方便地对设计的造型进行缩放，按照需要与快速成形机连接 输出，得到规整、光滑、表面流畅的修复原型和仿制原型，进而为艺术品的 制造提供高质量的生产原型。 1 1 青铜器市场及其复仿制的现状 l 1 1 青铜器市场的现状 考古艺术品市场是一个十分庞大的市场，它从多方面对旅游、文化交流 等社会经济活动带来了显著的影响。国内许多历史文化名城( 如西安、洛阳、 成都等) 和著名的考古遗址( 如二里头、三星堆、金沙遗址等) 一般都建有 博物馆来供考古专家研究或游人参观。由于中国青铜文化的萌生、发展和衰 退构成了中国古代长达约2 0 0 0 年的青铜时代，因此作为青铜文化的一个最重 要的代表青铜器在整个考古艺术品中占有很大比例。青铜器以其瑰丽的形 制、文饰、铭文及其青铜色斑包含着丰富的人文信息和文化内涵，日益成为 当代人文交流、对外交往中的礼器。现存的青铜器已越来越不能满足广大青 铜器收藏者和普通百姓的需要，所以为满足广大游客、青铜器爱好者和考古 学研究的需要，对考古艺术品( 特别是青铜器) 进行复仿制具有广阔的市场 四j i l 大学硕士学位论文 空间和现实意义。 1 1 2 青铜器复仿制的现状 中国青铜器的复仿制作有着悠久的历史，但它们在成形技术和生产规模 上，长期以来直到现在一直以小规模、家庭作坊式的手工制作、单件制作为 主，技术含量相对较低。随着人们对青铜器需求的增加，青铜器复仿制这一 传统行业正焕发出蓬勃的生机和活力，其从业人数日渐增多，目前主要以民 间手工艺人、专业人士为主，另外也有不少研究学者、考古专家涉足此行业。 虽然他们的素质参差不齐，但绝大多数仍采用传统工艺制作，其复仿制品充 斥着中国各地青铜器市场。 近年来，随着信息化、数字化生产方式的普及，有少数单位提出把先进 制造技术( r p t ) 引入到青铜器复仿制作中，并仿制出青铜器( 如昆明理工 大学制作的孔雀香炉。1 、昆明斑铜厂制作的牛虎铜案。3 等) ，这对提升青铜器 失蜡铸造技术含量起到了推进作用。本文基于快速原型技术对金沙遗址的铜 立人进行了数字化修复与仿制，为金沙遗址青铜文物、四川青铜文物乃至全 国各地的青铜文物的保护与开发探索出一种可以借鉴的方法。 1 2 金沙遗址简介 成都金沙遗址是我国2 0 0 1 年的重大考古发现，它再现了商代晚期至西周 时期古蜀文化的辉煌，引起国内外强烈关注。遗址位于成都市西郊苏坡乡金 沙村，其规模十分宏大，目前遗址所清理出的金器、玉器、石器、青铜器、 象牙器等珍贵文物多达千余件，其中有4 0 0 多件青铜器，主要以小型器物为 主，有铜立人像、铜瑗、铜戈、铜铃等，其中铜立人像与三星堆出土的青铜 立人像相差无几，目前尚未出土与三星堆一致的大型青铜面具、神树等青铜器。 从文物时代看，绝大部分约为商代( 约公元前1 7 世纪初一公元前11 世纪) 晚期和西周( 约公元前1 1 世纪一公元前7 7 1 年) 早期，少部分为春秋时期( 公 元前7 7 0 年一公元前4 7 6 年) 。而且，随着发掘的进展，不排除还有重大发现 的可能“1 。 专家分析说，已出土的】0 0 0 多件文物折射的信息告诉我们，古蜀统治者 的活动早在3 0 0 0 年前就开始了。金沙遗址将改写成都历史和四川古代史，对遗 址出土文物分析，很多都是有特殊用途的礼器，应为当时蜀地最高统治阶层的遗 物，这些遗物在风格上与三星堆出土文物相似，也存在某种差异，表明该遗址与 三星堆有着较为密切的渊源关系。遗址出土数量众多的象牙、精美的玉琮等外来 文化用品表明，金沙文化不是孤立的，它是深受中原、长江下游等文化深刻作 用的产物，再次证明了中华文化的悠久历史和多元一体“1 。 1 3 快速原型技术简介 1 3 1 快速原型技术的基本原理 快速原型技术( r p t ) 是2 0 世纪8 0 年代末开始商品化的一种高新制造技 术。这一高新技术是制造技术领域的一次重大突破。它是建立在c a d c a m 技 术、激光技术、数控技术和材料科学与工程基础上的设计和制造零件原型的 新制造技术。r p t 技术的原理就是将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造 ( c a m ) 、计算机数字控制( c n c ) 、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术 集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得 到各层截面的二维轮廓信息。按照这些轮廓信息，成形头选择性地固化一层 层的液态树脂( 或切割一层层的纸，烧结一层层的粉末材料，喷涂一层层的 热熔材料或粘结荆等) ，形成各个轮廓截面并逐步顺序叠加成三维产品“1 。因 此它不同于传统的切削加工方法，它是一种“使材料生长而不是去掉材料的 制造过程”“1 。它体现的是一种离散堆积的成形原理，是数字他驱动的成形 技术，一个制造单元就对应一个数字脉冲，即数字化的过程不仅驱动了工具， 而且直接驱动材料成形的数字化制造，从而获得成形制造过程最大的柔性和 快速性嘲。 这种新兴的制造技术将立体成形变为一层层的平面加工，对待成形的几 何实体外形几乎没有任何限制，形状复杂的物体和简单的物体可用同样的方 法进行制造，而且同样容易。在复杂形体的成形能力方面，它具有传统制造 技术无法l - i ：；拟的优势，受到工业界的高度重视，并在国内外得到迅速的发展。 1 3 2 快速原型技术的种类及特点 四川大学硕士学位论文 快速原型技术按制造工艺原理可分为：立体印刷成型( s l a s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 、层合实体制造( l o m l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ) 、选域激光烧结( s l s - - s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 、熔融沉 积制模( f d m f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 、三维喷涂粘结( 3 d p g t h r e e d i m e n s i o n a lp r i n t i n ga n dg l u i n g ) 、焊接成型( w e l d i n gf o r m i n g ) 、数码累 积造型( d i g i t a l b r i c kl a y i n g ) 、光掩膜法( s g c - - s o l i dg r o u n dc u r i n g ) 、 直接壳法( d s p c d i r e c ts h e l lp r o d u c t i o nc a s t i n g ) 等“1 。 快速原型技术具有以下特点。“”： 制造原型所用的材料种类较多，有金属和非金属材料： 制造工艺与原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优势； 产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量 零件的生产； 采用非接触加工方法，无工具更换和磨损； 整个生产过程数字化，与c a d 模型具有直接的关联，在成形机的成形 范围内零件可大可小，可随时修改，随时制造，所见即所得： 生产效率高，使c a d 模型转换为物理模型的时间缩短8 0 5 0 0 以 上： 越过了c a p p 过程，由c a d 直接驱动c a m ，实现了c a d c a m 的无缝连接。 1 4 结合r p t 和失蜡铸造工艺的艺术品数字化修复和仿制 随着三维图像学的发展，三维设计软件功能也日夜完善。三维设计是从 三维开始，它符合人们的思维习惯，而且可视化程度高。设计者设计或仿制 产品( 含艺术品) 的构思总是从三维开始的，制造出的产品当然也是三维的。 构思与产品中间的设计过去是二维的，现在若用三维设计把这种颠倒的关系 理顺过来，进行渲染并赋予材料属性后在计算机上就能看到有真实感的零件， 同时还可以进行结构检查、干涉检查，以模拟三维装配时是否存在错误。此 外，还可以进一步进行c a m 、c a e 方面的工作。 c a d 是计算机技术在设计过程中的应用，它在工业生产以及艺术品修复 和仿制中的作用已得到广泛共识。然而由于过去的计算机性能的限制，体现 4 绪论 着c a d 最新技术的高档软件几乎都是工作站级的，基于u n i x 操作系统，微 机上的多数c a d 软件主要侧重于二维功能。软件的发展呼唤更高更快的计算 机系统，而计算机硬件的更新换代为开发更好的c a d 系统创造了前提条件。 随着当前微机性能的不断提高，具有以前工作站性能的微机c a d 软件系统已 经出现，比如美国s o l i dw o r k s 公司于1 9 9 5 年推出的新一代微机c a d 软件 s o l i dw o r k s ，a u t o d e s k 公司的予公司k i n e t i x 于1 9 9 6 年4 月发布的基于 w i n d o w s 平台的3 d s m a x ，美国参数化技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 推出的p r o e n g i n e e r2 0 0 1 等。并且随着这些微机价 格的越来越便宜，使得原来只能在工作站级运行的三维造型软件在很多中小 企业也能得到充分的应用，并且这些三维造型软件的功能正在不断增强，更 多的c a d 软件已具有c a m 、c a e 方面的功能模块。所以，本文作者认为现 在低价位的微机和适合于微机上运行的三维造型软件已经能够适合于一般三 维造型的需要。 从第一代商业化快速原型制造系统1 9 8 7 年在美国3 ds y s t e m s 公司问世至 今，快速原型技术的研究和开发工作开展的如火如茶。目前，国外开发并销 售r p 系统的企业有2 0 多家”。 国内r p 研究起步是在1 9 9 1 年左右，北京隆源自动成型系统有限公司、 清华大学、西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学等单位在成型理论、 工艺、设备、材料、软件开发等方面做了大量的研究工作。有些单位已开发 出商品化、能够做出复杂原型的r p 系统。例如，北京隆源自动成型有限公司 开发出的a f s - - 3 0 0 激光快速原型机( 选域激光烧结系统) 、清华大学研制的 多功能快速造型系统m r p t s 和基于f d m 的熔融挤出成型系统( m e m - - 2 5 0 ) 、 西安交通大学先进制造技术研究所下属的陕西恒通智能机器有限公司生产的 l p s 系列激光快速成型机等“。 近年来，将微机三维几何造型技术、快速原型技术和特种铸造技术集成 起来应用到模具设计与制造中，形成的快速模具设计与制造法，它能缩短模 具制造周期，降低成本，提高模具制造柔性，对缩短新产品的设计、开发和 试制周期起到了关键作用，受到工业界的高度重视。同理，我们可以设想把 这三种技术集成起来应用到艺术品的数字化仿制中，即通过三坐标测量仪或 四川大学硕士学位论文 数码相片等办法获取艺术品的原始数据信息，利用微机三维几何造型技术对 艺术品进行三维造型( 数字化过程) ，造型完毕后通过数据格式转换为快速原 型机能接收的s t l 格式，利用先进快速原型技术制造出艺术品的快速原型模 洋，在此基础上翻制硅胶模，再压制蜡模，接着利用失蜡铸造技术铸造出艺 术品的实物样品，最后对此实物样品进行表面处理就可以实现艺术品的数字 化仿制。 我们相信，微机三维几何造型技术、快速原型技术与精密铸造成形工艺 的有机结合，为各种规模的艺术品开发和仿制提供了一种现实可行的途径。 快速原型技术与艺术品铸造的有机结合，对于发挥快速原型的技术优势，提 升艺术品失蜡铸造的技术含量；对于丰富艺术品复仿制的手段，促进艺术品 数字化修复和仿制具有重要意义。 1 5 研究目的与意义 本文针对当前青铜艺术品复仿制技术相对落后的现状，提出一种不同于 传统工艺的新型青铜艺术品复仿制技术，即“集合微机三维造型技术、快速 成型技术和失蜡精密铸造工艺为一体的全新青铜艺术品复仿制技术”，并使用 此技术对四川成都金沙遗址的铜立人进行数字化修复与仿制，为广大青铜爱 好者和考古工作者提供一种可以借鉴的思路。 通过本课题可验证用现代的先进制造技术( 快速原型技术) 来修复和仿 制古代青铜艺术品的可行性及其实验方法，能为广大青铜文物研究者提供了 实实在在的研究实物，同时，将最现代的快速原型制造技术应用于青铜器艺 术品的仿制与修复，使传统的“失腊铸造”工艺技术融入数字化技术与计算 机集成制造技术等高技术中，实现“古一今”以及“旧一新”的大跨越。 本文提出的集合微机三维造型技术、快速成型技术和失蜡精密铸造工艺 为一体的全新青铜艺术品复仿制技术，其具体过程为：先根据收集到的青铜 艺术品原始信息( 三坐标测量得到的数据、数码相片等) ，在计算机上运用三 维造型软件( p r o e 、3 d m a x 等) 对艺术品进行三维造型( 数字化过程) ，再 把建好的模型通过s t l 格式输入快速成型机通过快速原型机资料预处理软 件对其进行分层、加支撑等处理，利用工艺控制系统设置好工艺参数，制作 6 绪论 出艺术品的快速原型模样，接着利用此快速原型模样翻制出硅胶模，进而压 制出蜡模，然后通过失蜡精密铸造得到艺术品的青铜铸件，最后对青铜铸件 进行后处理和表面处理( 做旧处理) 就可完成此青铜艺术品的的数字化仿制。 与传统技术相比，这种全新青铜器复仿制技术的主要优势在于： ( 1 ) 对市场的响应速度快； ( 2 ) 同一规格比例的产品具有严格的一致性： ( 3 ) 技术含量相对较高，专业化程度更强； ( 4 ) 制作不同比例的产品时优势明显( 传统技术须重新手工制作要求比例 的原型，新技术只须输入制作比例即可) ： 本课题立足于成都“金沙遗址”出土的国家一级青铜艺术品文化，具有 强烈的地方色彩，通过把快速原型技术应用于青铜艺术品的数字化修复与仿 制的这一实践，为地方文物保护与开发探索了一条全新的途径；通过此课题可 探索出基于有限的数码相片信息，来构建形象逼真的艺术品外形的途径、方 法及其可行性；通过此课题可探索在三维造型软件( p r o e ) 上实现人体造型 的一般步骤和可能遇到的问题及解决方案；通过此课题可掌握快速原型技术、 l p s 2 5 0 激光快速原型机的使用、三维造型软件( 如p r 0 e ) 、接口技术、失蜡 精密铸造方法和表面处理技术。 1 6 研究内容、研究方案及技术路线 1 研究内容 ( 1 ) 评价和筛选适合于金沙铜立人造型的三维造型软件( 以a u t o c a d 、3 d m a x s 和p r o e 作为评价软件) 及其相应的快速原型数据处理软件，以及相应 的硬件配置。 ( 2 ) 考察微机三维造型软件的图形输出文件格式和快速原型机能接受的图 形文件格式，评价三维造型软件和快速原型机之间交换的文件和相关信 息交换的各种方式，并推荐合适的交换方式，对所存在的问题加以研究、 提出解决途径。 ( 3 ) 讨论和分析快速原型系统的数据预处理软件对输入模型切片的容错性， 及对缺陷和未闭合的处理。 7 四川大学硕士学位论文 ( 4 ) 讨论和分析快速原型制造系统及其原型特点，分析影响原型精度的因 素，并采取措施进行控制；选择适合于金沙铜立人制造的快速原型系统 及相应的原型。 ( 5 ) 讨论和评价快速原型与精密铸造工艺相结合仿制金沙铜立人的可能途 径和可能存在的问题，并提出解决措施。 2 研究方案 ( 1 ) 根据三维几何造型原理、快速原型技术要求对现今的计算机配置、系统 软件和几何造型软件做出选择。 ( 2 ) 基于有限数字信息( 数码相片) 的情况下，对金沙铜立人的残缺部分 进行修复，为数字化过程做好准备。 ( 3 ) 根据三维造型图学理论，找出适合铜立人三维造型的方法，确定出造 型方案，对此艺术品进行数字化仿制。 ( 4 ) 比较几种成熟的并已商品化的快速原型技术，选择适合金沙铜立人仿 制的快速原型方法及相应的原型机设备。 ( 5 ) 运用成型机所带的资料预处理软件对铜立人的数值模型进行制作方向 的选择、切片、加支撑等数据处理，再通过工艺控制系统设置好成形 参数，接着利用快速成型机制作出铜立人的快速原型模样。 ( 6 ) 通过对几种特种铸造方法的比较，选出适合铜立人仿制的特种铸造方 法，即熔模精密铸造方法，在此基础上确定出铸造方案，并对此精密 铸造过程中的硅胶模制作、蜡模的制作、模组组装、型壳的制备、浇 注过程等主要环节进行介绍。 ( 7 ) 在得到铜立人的青铜铸件后，对此铸件进行了后处理( 清除型壳、自 浇冒口系统上取下铸件、清除铸件上残余耐火材料等) 以及表面处理。 3 技术路线 本文主要由四部分组成，即“金沙铜立人”数字化过程、快速原型制作 过程、原型的失蜡铸造过程以及后处理和表面处理过程，具体技术路线如图 i i 所示。 “金沙铜立人” 数字化过程 快速原型 制作过程 原型的失蜡 铸造过程 后处理及表 面处理过程 图i 一1 技术路线图 9 四川大学硕士学位论文 2 三维几何造型前的准备 在对基于快速原型技术和失蜡精密铸造工艺的“金沙铜立人”数字化修 复和仿制方案进行讨论前，首先应根据铜立人艺术品复杂的造型技术要求( 自 由曲面较多) ，对现今流行的微机级三维造型软件、系统软件和硬件配置( 即 设计平台) 作出评价，并筛选出适合此课题要求的造型设计方案，为接下来 的数字化过程做好铺垫。 2 1 三维几何造型对设计平台的要求 为完成“金沙铜立人”数字化仿制中的规则形体和不规则形体( 即具有 自由曲面的形体) 造型，下面分别对三维几何造型的原理和模式，曲面造型 两个部分进行讨论，给出铜立人三维几何造型的合理方案和铜立人三维几何 造型对设计平台的要求。 2 1 1 三维几何造型的原理和模式 几何模型描述的是具有几何特性的形体。它包含两种重要信息：即几何 信息( g e o m e 研ci n f o r m a t i o n ) 和拓扑信息( t o p o l o g i c a li n f o r m a t i o n ) a 几何信 息是指描述几何元素( 如点、线、面等) 空间位置和大小的信息，如点的空 间坐标值、线段的长度等。拓扑信息是指几何元素之间的相互连接关系的信 息。它只反应几何元素的结构关系，而不考虑它们各自的绝对位置，这种关 系称为拓扑关系。几何元素之间总共有九种拓扑关系，即面面相邻性、边 一边相邻性、顶点一顶点相邻性、边面相邻性、顶点一面相邻性、顶点一 边相邻性、面一边包含性、面一顶点包含性、边一顶点包含性1 。 几何造型是指一种技术，它能将物体的形状存储在计算机内，形成该物 体的三维几何模型，并能为各种具体应用提供信息，如能随时在任意方向显 示物体形状，计算体积、重心、惯性矩，由模型产生有限网络，由模型进行 碰撞、干涉检查等。这个模型是对原物体的确切的数学描述或是对原物体某 种状态的真实模拟“。 三维形体在计算机内的三种存储模式决定了几何造型的三种模式1 ： 线框模型( w i r e f r a m em o d e l ) 微机三维几何造型前的准备 线框模型是以线条来表现三维模型的轮廓线。线框模型的优点主要是可 以产生任意视图，视图问能保持正确的投影关系：能生成任意视点或视向的 透视图及轴测图：构造模型时操作简便，在c p u 时间及存储空间方面开销低。 缺点是此模型不能消隐，不能做任意剖切，不能计算物性，不能进行两个面 的求交，无法生成数控加工刀具轨迹，不能自动划分有限元网络，不能检查 物体间碰撞、干涉等。 表面模型( s u r f a c em o d e l ) 表面模型通常用于构造复杂的曲面物体，构形时常常利用线框功能，先 构造一线框图，然后用扫描或旋转等手段变成曲面，当然也可以用系统提供 的许多曲面图素来建立各种曲面模型。表面模型的优点是能实现以下功能： 消隐、着色、表面积计算、二曲面求交、数控刀具轨迹生成、有限元网络划 分、擅长构造复杂的曲面物体等。缺点是有时产生对物体的二义性理解( 无 法区分面的哪一侧在体内，哪一侧在体外) 。 实体模型( s o l i dm o d e l ) 实体模型与表面模型的不同之处在于确定了表面的哪一侧存在实体这一 问题。常用的方法是用向边的右手法则确定所在面的外法线的方向( 即用右 手沿着边的顺序方向握住，大拇指所指向的方向则为该面的外法线的方向) 。 实体模型的数据结构不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、 体的拓扑信息，这是实体模型与线框或表面模型的根本区别。正因为如此， 实体模型成了设计与制造自动化及集成的基础。所以实体模型是我们所选择 的三维造型软件应具备的基本造型模式。 2 1 2 实体模型的造型能力 实体模型的构造方法常用机内存储的体素( p r i m i t i v e ) ，经集合论中的交、 并、差运算构成复杂形体。“。但这仅仅局限于诸如长方体、圆柱体等较规则 实体的构造，它无法构造出具有复杂型面、自由曲面的实体模型，如青铜器 艺术品上经常遇到的带有复杂、特殊曲面的人体模型。因此，我们需要遥过 曲面造型对实体模型的这一缺陷进行弥补，从而增强其复杂形体的造型能力。 四川大学硕士学位论文 2 1 3n u r b s 曲面造型的原理和模式 1 曲面设计基础_ n u r b s 方法 复杂外形的零件造型和制造是任何c a d c a m 软件必须解决的问题，这 实际上是曲线、曲面理论在工程上的具体应用。随着实体造型技术的不断成 熟以及曲面造型技术的不断发展，曲面、实体造型技术迫切要求融为一体， 即采用以精确曲面为壳的实体技术来构造外形复杂的零件。这就需要用统一 的方法来表示自由型曲面和初等解析曲面，从而导致了非均匀有理b 样条 ( n u b r s ) 的广泛流行。国际标准化组织( i s o ) 在1 9 9 1 年颁布的关于工业 产品数据交换的s t e p 国际标准中，将n u r b s 方法作为定义工业产品几何形 状的唯一数学描述方法，从而使n u r b s 方法成为曲面造型技术发展趋势中最 重要的基础“”。目前许多优秀的c a d c a m 软件如i - d e a s 、u g i i 、p r o e 、 c a t i a 、3 d s m a x 等都广泛采用了n u r b s 技术“。 n u r b s 的巨大魅力在于其优越的功能与潜在的开发能力，它为统一表示 初等解析曲线曲面与自由型曲线曲面找到了精确的数学方法，可以在一个几 何设计系统中使用统一的数学模型，克服了过去采用普通b 样条方法和b e z i e r 方法的缺点“；同时在n u r b s 的数学表示中引入了控制点和权因子，这对 形状的设计及控制提供了更大的灵活性：n u r b s 还具有透视投影变换和仿射 变换的不变性，局部性及强有力的几何修改技术，使得n u r b s 可方便地表示 出各种用户所需要的不同形状，尤其在汽车车身设计、飞机外形设计、工业 产品设计及艺术品造型领域有着十分广泛的应用前景n 3 3 。 n u r b s 的全名是“非均匀有理b 样条( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e ) ”， 是一种处理曲线曲面数据的先进的数学方法。它为初等曲线与曲面( 如：圆 柱、圆锥等) 也为自由型盐线与曲面的精确表示提供了一个公共的数学模型。 ( 1 ) n u r b s 曲线的表示及其性质“5 3 有关n u r b s 曲线的表示有几种形式，这里给出定义一条k 次n u r b s 曲线的有理基函数表示： r ( d = p 灿( “) j * o 微机三维几何造型前的准各 磁嘲) 一幽生 f ( m ) j = o 上式中：u u ：阻o ，札u 2 ，一一t + 】 尸，为控制定点产o ，1 ，月 0 3 1 ，i = 0 ，i ，月称为权因子( w e i g h t s ) ； i ( “) 为由节点矢量己，决定的k 次规范b 样条基函数。 从上述的表示中，可以导出n u r b s 曲线的几何性质： i ) 局部性；2 ) 凸包性；3 ) 仿射与透视变换不变性；4 ) 参数连续 性；5