CN116373306B - 一种馆藏文物防震随形卡固件的3d打印设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及文物保护技术领域，具体涉及一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法，包括：步骤一、利用扫描仪获取馆藏文物瓷器高精度三维点云数据；步骤二、在计算机软件中对三维点云数据进行预处理操作，最终获得三维重构数字化文物模型，步骤三、根据文物高精度三维模型和展陈文物防震所需卡固件基本尺寸要求计算设计出随形卡固件图纸，并在其软件中逆向建模形成文物展陈防震所需的高精度卡固件三维模型；步骤四、将设计好的文物随形卡固件三维模型数据输入3D打印机进行打印输出。本发明可以同时兼顾安全性及最小干预原则的固定措施，为博物馆布展设计提供有效的科学建议与优化方案。
Description
技术领域
本发明涉及文物保护技术领域，尤其涉及一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法。
背景技术
馆藏可移动文物是宝贵文化遗产，是历史文化的传承、民族的象征。馆藏文物种类繁多、特征各异，其中瓷器、陶器是典型的地震易损文物。馆藏文物在强烈地震作用下遭受损坏，造成不可估量的损失。调研国内馆藏文物放置现状可知，传统抗震固定措施仍被广泛应用于文物预防性保护中。由于卡固件具有一定的刚度、强度、耐久性、力学性能良好、构造简单、安装方便等优势，且对于固定的馆藏文物具有能够独立浮放的特点，是最常用的文物固定措施之一，同时，对文物的干预较小，满足文物的艺术展示需求；
但是文物的形态各异，针对不同的文物就需要采用不同大小的卡固件进行加固，对于卡固件的选用，缺少一种合理有效的方法，以同时兼顾安全性及最小干预原则。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中的问题，而提出的一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法，可以有效设计出符合馆藏文物瓷器展陈防震所需的随形卡固件。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法，包括以下步骤：
步骤一、利用扫描仪获取馆藏文物瓷器高精度三维点云数据；
步骤二、在计算机软件中对三维点云数据进行预处理操作，包括配准、去噪、重采样、封装、修正、表面重构等处理，最终获得三维重构数字化文物模型；
步骤三、根据文物高精度三维模型和展陈文物防震所需卡固件基本尺寸要求在3dMax软件中计算设计出随形卡固件图纸，并在其软件中逆向建模形成文物展陈防震所需的高精度卡固件三维模型；
步骤四、选取3D打印所需的材料，并将设计好的文物随形卡固件三维模型数据输入3D打印机进行打印输出。
在上述的一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法中，步骤一中文物高精度三维点云数据获取方法包括：首先分析瓷器文物的结构、纹理、色彩材质等特征，由于瓷器具有反光的特性，为了在三维扫描中获取的点云数据质量更高，保证点云拼接数据的完整性，以及获取文物高精度的纹理几何特征细节，所以要在瓷器表面粘贴大小合适的激光反射标志点，标记点粘贴距离适中，要粘贴牢固，尽量粘贴在被测物体没有特征的地方，如大平面、大曲面等；保证每个测量幅面内至少要识别三个标志点，并且在均匀的光照下获取物体表面的三维数据，基于以上操作本发明采用高精度便携式关节臂三维激光扫描仪FaroEdge，相比于常见的激光3D扫描仪，关节臂式3D扫描仪优势有以下两点：第一，工作的安全距离较大，可以在距离文物近1米远获取3D数据；第二，精度高，是目前扫描精度最高的3D扫描仪之一，点云数据精度可达10微米级，模型精度可达50微米；将设备仪器根据操作说明调试好，然后选用高精度的采集模式，对瓷器进行全方位的360度扫描，在扫描时根据软件提示进行操作，在移动过程中不能太快，距离不能过远，如果操作不合格软件将会进行报警提示，扫描后在点云处理软件中检查所获取的文物点云数据是否包含文物的各个视角，是否能够拼成一个完整的文物本体，若数据检查合格，保存并导出数据。
在上述的一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法中，步骤二中点云数据处理及模型重构的方法包括：将扫描的文物三维点云数据导入到Geomagic软件构建真三维模型，由于外部噪声的影响，获取的数据不仅包含扫描对象的数据，同时也包含扫描对象以外的数据，因此，扫描获取的点云通常存在重叠、多余、缺失和干扰等问题，需要对此进行处理，所以利用Geomagic软件自带的功能将点云数据进行去噪、重采样、配准、封装、补孔、去除锐化特征、简化三角形、修复相交区域、网格模型优化，曲面重建等操作，最后生成三维重构数字化文物模型。
在上述的一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法中，步骤三中逆向建模方法包括：将生成的三维重构数字文物模型导入逆向建模软件，然后基于文物实际尺寸模型和文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件尺寸高度设计符合表，在建模软件中逆向计算制作出符合尺寸要求的文物随形卡固件三维模型，并将3D模型导出为STL格式文件，生成设计图纸。
在上述的一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法中，步骤四中3D卡固件模型打印输出方法包括：根据馆藏文物所需要的防震卡固件展示效果和性能要求，馆藏文物随形卡固件模型的3D打印制作选择使用工业级SLA光固化AME R6000型号3D打印机进行打印，立体光固化成型(SLA)打印原理主要就是利用紫外激光为光源，再用振镜系统来控制激光光斑扫描，激光束会在液体树脂表面上先画出一个物件形状，随后打印平台会下降一定距离，再让平台浸入液体树脂中，如此反复，形成实体打印，这台打印机以透明光敏树脂为打印材料，该材料一般为液态，是由光引发剂,单体聚合物与预聚体组成的混合物，可在特定波长紫外光(250nm～400nm)照射下立刻引起聚合反应，完成固化，该打印设备的的成型尺寸600×600×400mm，成型精度在±0.1mm，成型精度可能因参数、零件几何形状/尺寸、前处理/后处理方式、材料和环境等因素而异，可以根据打印材料的不同，将分层打印层厚控制在0.05-0.25mm内，根据馆藏文物所需要的防震卡固件的实际需求，我们选择具有高透明度，低粘度的SLA透明光敏树脂8001作为打印材料,经力学性能测试，得出该材料的弹性模量为2900MPa，折断应力为86MPa，符合文物随形卡固件的打印制作要求，所建造的部件具有高透明度，优异的强度和韧性，高精度和良好的尺寸稳定性；
打印前，我们根据馆藏文物随形卡固件模型的展示效果和性能要求，将STL格式的随形卡固件3D模型导入到Materialise Magics Link UnionTech软件中，执行切片和精确定位等步骤，优化支撑结构创建，减少所耗费时间，确保零件可以高质量地打印，之后根据操作说明设置3D打印设备的启动参数，将打印的温度设置在22-26℃；打印湿度<40％rh；扫描速度在8-15m/s之中，参数设置完成后进行实体打印，最后经长时间的打印将随形卡固件3D模型打印出来，打印出模型后，彻底清除支撑材料，获得文物随形卡固件模型的打印实物，不同的文物随形卡固件模型打印时间与所选择的模型打印精度和模型体积大小有关，选择的模型精度越高，且模型体积越大，打印耗费的时间就越久，反之打印时间越短；本次打印的一套随形卡固件模型耗费时间在75分钟左右，打印输出的卡固件实物与3D模型对比分析精度在误差范围内，另外根据馆藏文物的展示效果，将打印输出的文物随形卡固件实物再加工，分别进行打磨处理与上色，最终完成馆藏文物所需要的防震卡固件的制作。
与现有的技术相比，本馆藏文物瓷器防震随形卡固件的3D打印设计方法的优点在于：
1、本发明利用三维激光扫描技术对文物进行全方位的扫描得到原始数据，然后利用计算机三维软件对原始数据进行加工处理，得到文物三维点云模型，之后根据加工后的文物三维模型和文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件标准表计算设计出一种馆藏文物防震所需的随形卡固件三维模型数据，并通过3D打印技术将文物的随形卡固件三维模型进行3D打印制作，最终可获得有效固定不同体态文物所需的随形卡固件，通过三维扫描和逆向建模取得的卡固件与手工测量制作的卡固件比较，外形与文物贴合度高，减少因外形不贴合产生的局部应力过大的安全隐患；而且《文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件标准表》尺寸经过科学实验验证，适用于展陈文物抗震固定，以同时兼顾安全性及最小干预原则的固定措施，为博物馆布展设计提供有效的科学建议与优化方案。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的随形卡固件模型图；
图3是文物防震随形卡固件固定示意图；
图4是随形卡固件模型设计示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
参照图1－图4，一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法，包括以下步骤：
步骤一、利用扫描仪获取馆藏文物瓷器高精度三维点云数据；其中文物高精度三维点云数据获取方法包括：首先分析瓷器文物的结构、纹理、色彩材质等特征，由于瓷器具有反光的特性，为了在三维扫描中获取的点云数据质量更高，保证点云拼接数据的完整性，以及获取文物高精度的纹理几何特征细节，所以要在瓷器表面粘贴大小合适的激光反射标志点，标记点粘贴距离适中，要粘贴牢固，尽量粘贴在被测物体没有特征的地方，如大平面、大曲面等；保证每个测量幅面内至少要识别三个标志点，并且在均匀的光照下获取物体表面的三维数据，基于以上操作本发明采用高精度便携式关节臂三维激光扫描仪Faro Edge，相比于常见的激光3D扫描仪，关节臂式3D扫描仪优势有以下两点：第一，工作的安全距离较大，可以在距离文物近1米远获取3D数据；第二，精度高，是目前扫描精度最高的3D扫描仪之一，点云数据精度可达10微米级，模型精度可达50微米；将设备仪器根据操作说明调试好，然后选用高精度的采集模式，对瓷器进行全方位的360度扫描，在扫描时根据软件提示进行操作，在移动过程中不能太快，距离不能过远，如果操作不合格软件将会进行报警提示，扫描后在点云处理软件中检查所获取的文物点云数据是否包含文物的各个视角，是否能够拼成一个完整的文物本体，若数据检查合格，保存并导出数据。
步骤二、在计算机软件中对三维点云数据进行预处理操作，包括配准、去噪、重采样、封装、修正、表面重构等处理，最终获得三维重构数字化文物模型；其中点云数据处理及模型重构的方法包括：将扫描的文物三维点云数据导入到Geomagic软件构建真三维模型，由于外部噪声的影响，获取的数据不仅包含扫描对象的数据，同时也包含扫描对象以外的数据，因此，扫描获取的点云通常存在重叠、多余、缺失和干扰等问题，需要对此进行处理，所以利用Geomagic软件自带的功能将点云数据进行去噪、重采样、配准、封装、补孔、去除锐化特征、简化三角形、修复相交区域、网格模型优化，曲面重建等操作，最后生成三维重构数字化文物模型。
步骤三、根据文物高精度三维模型和展陈文物防震所需卡固件基本尺寸要求在3dMax软件中计算设计出随形卡固件图纸，并在其软件中逆向建模形成文物展陈防震所需的高精度卡固件三维模型；其中逆向建模方法包括：将生成的三维重构数字文物模型导入3dMax逆向建模软件，然后基于文物实际尺寸模型和文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件尺寸高度设计符合表(如下表所示)，在建模软件中逆向计算制作出符合尺寸要求的文物随形卡固件三维模型，并将3D模型导出为STL格式文件。
步骤四、选取3D打印所需的材料，并将设计好的文物随形卡固件三维模型数据输入3D打印机进行打印输出，其中3D卡固件模型打印输出方法包括：根据馆藏文物所需要的防震卡固件展示效果和性能要求，馆藏文物随形卡固件模型的3D打印制作选择使用工业级SLA光固化AME R6000型号3D打印机进行打印，立体光固化成型(SLA)打印原理主要就是利用紫外激光为光源，再用振镜系统来控制激光光斑扫描，激光束会在液体树脂表面上先画出一个物件形状，随后打印平台会下降一定距离，再让平台浸入液体树脂中，如此反复，形成实体打印，这台打印机以透明光敏树脂为打印材料，该材料一般为液态，是由光引发剂,单体聚合物与预聚体组成的混合物，可在特定波长紫外光(250nm～400nm)照射下立刻引起聚合反应，完成固化，该打印设备的的成型尺寸600×600×400mm，成型精度在±0.1mm，成型精度可能因参数、零件几何形状/尺寸、前处理/后处理方式、材料和环境等因素而异，可以根据打印材料的不同，将分层打印层厚控制在0.05-0.25mm内，根据馆藏文物所需要的防震卡固件的实际需求，我们选择具有高透明度，低粘度的SLA透明光敏树脂8001作为打印材料,经力学性能测试，得出该材料的弹性模量为2900MPa，折断应力为86MPa，符合文物随形卡固件的打印制作要求，所建造的部件具有高透明度，优异的强度和韧性，高精度和良好的尺寸稳定性；打印前，我们根据馆藏文物随形卡固件模型的展示效果和性能要求，将STL格式的随形卡固件3D模型导入到Materialise Magics Link UnionTech软件中，执行切片和精确定位等步骤，优化支撑结构创建，减少所耗费时间，确保零件可以高质量地打印，之后根据操作说明设置3D打印设备的启动参数，将打印的温度设置在22-26℃；打印湿度<40％rh；扫描速度在8-15m/s之中，参数设置完成后进行实体打印，最后经长时间的打印将随形卡固件3D模型打印出来，打印出模型后，彻底清除支撑材料，获得文物随形卡固件模型的打印实物，不同的文物随形卡固件模型打印时间与所选择的模型打印精度和模型体积大小有关，选择的模型精度越高，且模型体积越大，打印耗费的时间就越久，反之打印时间越短；本次打印的一套随形卡固件模型耗费时间在75分钟左右，打印输出的卡固件实物与3D模型对比分析精度在误差范围内，另外根据馆藏文物的展示效果，将打印输出的文物随形卡固件实物再加工，分别进行打磨处理与上色，最终完成馆藏文物所需要的防震卡固件的制作。
实施例二
步骤三中，将生成的三维重构数字文物模型导入Cinema 4D三维设计建模软件，然后基于文物实际尺寸模型和文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件尺寸高度设计符合表(如下表所示)，在Cinema4D建模软件中计算制作出符合馆藏文物防震所需尺寸的随形卡固件三维模型，分为有孔随形卡固件模型和无孔随形卡固件模型，根据展陈防震需求选取合适的随形卡固件类型；最后利用octane渲染器对设计出来的随形卡固件进行渲染，最后将制作完成得文物卡固件三维模型导出为STL格式，为后续卡固件实体打印做准备。
文物实际尺寸模型和文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件尺寸高度设计符合表(单位：mm)
其中，各软件设备名称及主要用途：
1Geomagic studio数据分块、模型构建；
23DSMax 2020逆向建模；
3Zbrush 4R6模型减面；
4lightroom照片调色；
5Cinema 4D三维贴图。
进一步说明，上述固定连接，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义理解，例如，可以是焊接，也可以是胶合，或者一体成型设置等本领域技术人员熟知的惯用手段。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用扫描仪获取馆藏文物瓷器高精度三维点云数据；
步骤二、在计算机软件中对三维点云数据进行预处理操作，包括配准、去噪、重采样、封装、修正、表面重构处理，最终获得三维重构数字化文物模型；
步骤三、根据文物高精度三维模型和展陈文物防震所需卡固件基本尺寸要求在3dMax软件中计算设计出随形卡固件图纸，并在其软件中逆向建模形成文物展陈防震所需的高精度卡固件三维模型，其中逆向建模方法包括：将生成的三维重构数字文物模型导入3dMax逆向建模软件，然后基于文物实际尺寸模型和文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件尺寸高度设计符合表，在建模软件中逆向计算制作出符合尺寸要求的文物随形卡固件三维模型，并将3D模型导出为STL格式文件；
文物实际尺寸模型和文物底部卡固法馆藏文物所需的最小卡固件尺寸高度设计符合表(单位：mm)
步骤四、选取3D打印所需的材料，并将设计好的文物随形卡固件三维模型数据输入3D打印机进行打印输出，3D卡固件模型打印输出方法包括：根据馆藏文物所需要的防震卡固件展示效果和性能要求，馆藏文物随形卡固件模型的3D打印制作选择使用工业级SLA光固化AME R6000型号3D打印机进行打印，根据馆藏文物所需要的防震卡固件的实际需求，选择具有高透明度，低粘度的SLA透明光敏 8001作为打印材料,打印前，根据馆藏文物随形卡固件模型的展示效果和性能要求，将STL格式的随形卡固件3D模型导入到Materialise Magics Link UnionTech软件中，执行切片和精确定位步骤，优化支撑结构创建，减少所耗费时间，确保零件高质量地打印，之后根据操作说明设置3D打印设备的启动参数，将打印的温度设置在22-26℃；打印湿度<40％rh；扫描速度在8-15m/s之中，参数设置完成后进行实体打印，最后经长时间的打印将随形卡固件3D模型打印出来，打印出模型后，彻底清除支撑材料，获得文物随形卡固件模型的打印实物,另外根据馆藏文物的展示效果，将打印输出的文物随形卡固件实物再加工，分别进行打磨处理与上色，最终完成馆藏文物所需要的防震卡固件的制作。
2.根据权利要求1所述的一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法，其特征在于：步骤一中文物高精度三维点云数据获取方法包括：
首先分析瓷器文物的结构、纹理、色彩材质特征，由于瓷器具有反光的特性，为了在三维扫描中获取的点云数据质量更高，保证点云拼接数据的完整性，以及获取文物高精度的纹理几何特征细节，所以要在瓷器表面粘贴大小合适的激光反射标志点，标记点粘贴距离适中，要粘贴牢固，尽量粘贴在被测物体没有特征的大平面、大曲面处；保证每个测量幅面内至少要识别三个标志点，并且在均匀的光照下获取物体表面的三维数据，将设备仪器根据操作说明调试好，然后选用高精度的采集模式，对瓷器进行全方位的360度扫描，在扫描时根据软件提示进行操作，扫描后在点云处理软件中检查所获取的文物点云数据是否包含文物的各个视角，是否能够拼成一个完整的文物本体，若数据检查合格，保存并导出数据。
3.根据权利要求1所述的一种馆藏文物防震随形卡固件的3D打印设计方法，其特征在于：步骤二中点云数据处理及模型重构的方法包括：
将扫描的文物三维点云数据导入到Geomagic软件构建真三维模型，由于外部噪声的影响，获取的数据不仅包含扫描对象的数据，同时也包含扫描对象以外的数据，因此，扫描获取的点云存在重叠、多余、缺失和干扰问题，需要对此进行处理，所以利用Geomagic软件自带的功能将点云数据进行去噪、重采样、配准、封装、补孔、去除锐化特征、简化三角形、修复相交区域、网格模型优化，曲面重建操作，最后生成三维重构数字化文物模型。
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