基于3D打印技術的傳統織造機具仿真再現

焦芳琪+鄧椿山+周莉

摘要：3D打印技術的迅猛發展及在各個領域的應用，也使得非物質文化遺產的保存方法得以擴展和信息化。本文著重討論基于3D打印技術的傳統織造機具——夏布織機的仿真建模，從夏布織機的構造、3D建模、3D打印仿真再現3個階段進行數字信息化，使之更易長期保存和廣泛交流。以期對非物質文化的保留和傳承提供數字化的可操作性方案。

關鍵詞：3D打印；夏布織機；仿真技術；建模

中圖分類號：TS941.19

文獻標志碼：A Simulation and Reproduction of Traditional Loom Based on 3D Printing Technology

Abstract： The paper mainly discusses the simulation and modeling of traditional loom – grass cloth loom by using 3D printing technology. The structure of the grass cloth loom， the 3D modeling process and the 3D printing process are digitalized， so that the data can be stored for a long time and widely exchanged， thus providing a digitalized and viable solution for the reservation and inheritance of intangible cultural heritage. Key words： 3D printing； grass cloth loom； simulation technology； modeling

傳統技藝是人類在歷史上創造并以活態形式傳承至今的、充分代表一個民族的文化底蘊、審美情趣及藝術水平的最為優秀的傳統手工技藝與技能。傳統織造技術中有一部分已經失傳，還有一部分以加工機具為主的技藝已伴隨機具的棄用和毀壞而面臨失傳，如何在短時期內最大可能地保留傳統技藝刻不容緩。本研究立足我國西南地區的傳統機具和手工技藝，通過對傳統機具的構造、織造流程和技藝特征的采集，用3D打印技術再現散落的技術傳承和建立系統性研究。本文以重慶榮昌夏布織機為研究對象，從夏布織機的構造、3D建模、3D打印仿真再現3個階段進行數字信息化，使之更易長期保存和廣泛交流。

1夏布織機構造及其織造技術

夏布是一種將天然苧麻纖維通過手工紡織加工而成的平紋布。苧麻纖維構造中的空隙大、透氣性好、傳熱快、吸水多而散濕快，是天然纖維之王，有“中國草”之美稱。這些特性使其制作的布料牢實耐用、挺括滑爽、透氣排汗，被廣泛用于制作夏季服裝和蚊帳等床品，于是得名“夏布”。夏布生產主要通過打麻、挽麻團、牽線、穿扣、刷漿、織布、漂洗及整形、印染等工序而成。織布是夏布制作中的重要一環，工藝要求高，投梭打緯的力量要求均勻，布的平面邊緣要織得平順、伸展、無破。織機主要包括機架、羊角、綜筘、布棍、織布梭5個部分。

這種傳統的夏布織機主要織造過程是：首先將卷有上漿經紗的“羊角”（經軸）置于夏布織機上，將織機上的方形布棍穿入上下經紗連成的數個接孔中，布棍和織布工人背腰部的繃繩相連固定，接著在織布筘的前方進行掛綜，即每個筘眼下的經紗用棕線（穿綜）掛起，掛綜后將棕線棍放置于織機架上方，除去竹縞棍，將織布筘固定在筘架上，拉緊經紗開始織布；織布時先將繭狀緯紗浸濕后置于織布梭中，左右交替拋梭并用力快速往身邊拉筘架敲緊緯紗、左右腳交替上下拉綜。織夏布需要一定的濕度環境，氣候干燥時需要將織布工人和整個織機置于薄膜罩中或封閉濕度較高的地下室。

2基于3D打印的仿真技術

數字化仿真技術是對系統模型的試驗，研究已存在的或設計中的系統性能的方法及其技術。仿真可以再現系統的狀態、動態行為及其性能特征，用于分析系統配置是否合理、性能是否滿足要求，預測系統可能存在的缺陷，為系統設計提供決策支持和科學依據。數字化傳統機具仿真技術依托信息、計算機、紡織、染整、服裝、機械、材料學等學科組織新技術的研究開發，通過結構和物理現象分析，運用實物測試與虛擬測試混合的方法，進行二維、三維結構組合的運動分析，推動科研成果的產業化。

傳統織造技藝與數字化成形技術相結合，使先進制造理念和技術的應用領域拓寬，虛擬現實技術（VirtualReality，簡稱VR）通過人機界面對傳統織造技術中的加工機具和手工技藝等復雜數據進行可視化操作與交互，產生計算機模型圖形圖像，是藝術學科交叉性的體現，是一種新的藝術語言形式，是VR藝術呈現其獨特優勢的關鍵。與數字化成形技術結合，生產二維圖形進行原始材料生成，也可通過快速凝固激光材料制備與成形技術（3D打印技術，3-DimensionsPrinting），生成三維實物，對傳統織造技術中的加工機具和手工技藝實現了完整的傳承（圖1）。

以夏布織機的3D模型再現為例：首先需要通過圖片各方位采集得到操作對象，這一技術涉及到三維建模和逆向工程。夏布織機模型建立之后，利用ZBRUSH軟件為其添加紋理效果，輸出STL格式的三維模型，導入MeshLab和Netfabb軟件中進行模型測試或修改，特殊需求模型可采用MAKEITSTAND等輔助技術添加所需效果，最終輸入以ReplicatorG為代表的3D打印機驅動軟件完成實物制作（圖2）。此外，還可通過VRML和JAVA3D等面向WEB的三維建模語言將模型信息聯至互聯網與客戶互動，形成3D網頁設計，使大眾全面參與到再現環節。

3夏布織機再現中的關鍵技術

3.1夏布織機模型的建立

通過三維建模的方法得到夏布織機模型，三維建模的手段也必然影響3D打印的可操作性。三維建模分為多邊形、面片和曲面建模3種形式。根據對3種主要建模方式的適用性分析，夏布織機三維建模的基本思路是以POLY建模構成織機基本體，以面片建模和NURBS建模進行局部處理，綜合建模方式可減少工作時間，提高建模效率。

3.2夏布織機模型傳導及修復

STL（StandardTemplateLibrary）格式，是在計算機圖形應用系統中，用于表示三角形網格的一種文件格式。只能描述三維物體的幾何信息，不支持顏色材質等信息，在以ReplicatorG為代表的3D打印機驅動軟件可讀。三維模型軟件制作中，3DMAX、RHINO、Alibre等軟件可直接導出STL格式，MAYA需導出OBJ格式文件，再通過MeshLab軟件進行格式轉換。曲面經過三角化處理后生成的近似模型，原實體曲面全部被三角形面片所代替。這樣，在STL曲面模型生成過程中，必然會產生轉換精度問題。通過導出時的參數化調整能夠使STL格式模型盡量精細化。

STL文件常見錯誤均會導致模型的不完整，在建模過程中應該有意識地審查對象。在3DMAX軟件導出STL格式文件之前中可對物體添加STL CHECK編輯器作為初步審查（3DMAX STL CHECK檢查精度并不高），輸出STL文件導入NETFABB繼續審查和修復，合格標準為邊界（Border edges）、無效朝向（invalid orientation）、孔洞（Holes）3 個參數值均為0。

3.3 夏布織機的3D打印再現效果

隨著3D打印技術的迅速發展，自1986年至今，已出現大約20多種不同的成型方法和工藝。選取FDM、LOM、SLS等3種制造方式作為打印的主要技術原因如下。

（1）材料無污染。3種打印方式所用材料適應面廣，且無毒無污染。其他如立體刻光（stereo lithography， SLA）技術由于所用材料樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發展趨勢。

（2）符合立體造型方法。3D打印機的操作空間有限，需將夏布織機分成多個部分分別打印，SLS制造技術除了燒結零件，還能夠連接各部件。

（3）成本較低，效率高，且操作簡便。

4 結語

在對非物質文化遺產的研究中，民間技藝的“非物質”特性固然重要，但是更不應忽略的是對其背后“物”的特征的深入研究，借助現代制造技術，有效傳承才是問題的關鍵。如果說3D打印技術成就了傳統文化的新形式，那么便不能忽視技藝的產業價值和藝術價值。對傳統織造機具和織造技藝的數字再現也就成為非物質文化遺產傳承的最直接手段，建立非物質文化數據庫是當務之急。非物質文化遺產結構上受到實體、虛擬經濟以及技術、地域、文化等多方面制約，具有耗散結構。以新型技術引發的條件變化達到分支點，非物質文化遺產結構有可能通過漲落進入新的穩定狀態。通過過程分析，只要根據傳統機具建立完整的三維模型，并且導出STL格式進行調試且模型無誤，便可以根據所需3D再現。

參考文獻

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作者簡介：焦芳琪，女，1987年生，碩士研究生，主要研究方向為紡織服裝產業經濟。

通訊作者：周 莉，女，1977年生，副教授，主要研究方向為服裝數字化技術。

作者單位：西南大學紡織服裝學院，重慶市生物纖維材料與現代紡織工程技術研究中心。

基金項目：中央高校基本業務費專項資金資助項目（XDJK2014A011），重慶市社會科學基金項目（2014YBYS093、2014YBJJ027）。