Rekonstrukcja zabytkowego miecza – inżynieria odwrotna i druk 3D

Strona głównaRekonstrukcja zabytkowego miecza – inżynieria odwrotna i druk 3D
2021-05-13

Rekonstrukcja zabytkowych przedmiotów to proces żmudny i pracochłonny. Zazwyczaj do tego celu wykorzystuje się tradycyjne techniki, jak odlewanie. 

Niektóre z zabytkowych przedmiotów są tak cenne i delikatne, że nie wystawia się ich w przestrzeni publicznej. Wtedy też tworzy się repliki, które można wystawić. Jednakże stworzenie replik takich przedmiotów przy pomocy tradycyjnych technik może być procesem zbyt inwazyjnym, który będzie wiązał się z uszkodzeniem zabytku. Tutaj z pomocą przychodzi inżynieria odwrotna, w połączeniu ze stosunkowo tanim drukiem 3D. 

W tym artykule przedstawię Ci w jaki sposób nasza firma pomogła klientowi poprzez oferowane przez nas usługi druku 3D i inżynierii odwrotnej w odtworzeniu zabytkowego przedmiotu, jakim jest miecz z Kielczy. Jeśli chcesz zapoznać się z kolejnymi etapami procesu rekonstrukcji, to koniecznie czytaj dalej.

Jeśli natomiast interesuje Cię tworzenie zupełnie nowych przedmiotów – wynalazków – to koniecznie zobacz nasz DARMOWY kurs: Poradnik ABC Wynalazcy.

Jak odtworzyć zabytek archeologiczny z użyciem nowych technologii?

Co roku w Polsce odkrywanych jest dziesiątki przedmiotów archeologicznych będących dziedzictwem naszych przodków. Są to nie tylko wspaniałe odkrycia ze względu na wartość historyczną, ale w szczególności na wartość edukacyjną, dzięki której kolejne pokolenia będą mogły naocznie i namacalnie zagłębić się w historii naszego narodu. Na przestrzeni ostatnich lat powstało wiele serwisów czy inicjatyw społecznych zajmujących się szerzeniem wiedzy o nowych i starszych znaleziskach z różnych regionów Polski. Wiele z przedmiotów, które ujrzały światło dzienne po wielu dziesiątkach, a nieraz i setkach lat spędzonych w zapomnieniu pod wodą, w ziemi, w murach lub pod nimi nie przypomina już swoim kształtem tego, czym charakteryzowały się w latach swojej świetności.  Tutaj pojawia się zadanie, nad którego rozwiązaniem staje codziennie wielu odkrywców i archeologów. Jak pokazać przedmiot, który był używany przez naszych przodków jeśli zostają z niego tylko resztki, często nawet nieprzypominające swojego pierwowzoru?

Na szczęście dzisiejsza technika pozwala nam odwzorować właściwie każdy detal zapomniany przez ostatnie pokolenia. Nie chodzi tutaj o prace typowo rzemieślnicze, jak rzeźbienie, odlewanie czy struganie, mając przed sobą obrazek lub strzępy przedmiotu sprzed kilku wieków. Mówimy tutaj o nowoczesnych technologiach takich jak inżynieria odwrotna i druk 3D.

Inżynieria odwrotna

Technologia odwzorowywania istniejących przedmiotów nazywana jest fachowo inżynierią odwrotną. Technologia ta pozwala na bardzo dokładne odwzorowanie przedmiotów z użyciem metod tradycyjnych takich jak ręczne mierzenie przedmiotu lub też metod profesjonalnych, jak skanowanie 3D czy też zastosowanie maszyn współrzędnościowych. Więcej informacji na temat tej technologii i naszych realizacji z jej użyciem możesz znaleźć w artykule: Tworzenie części zamiennych – inżynieria odwrotna: case study.

Obecnie, do rekonstrukcji różnych artefaktów stosuje się programy komputerowe, które mogą odtworzyć elementy nawet ze zdjęć! Tak powstałe modele eksportuje się do odpowiednich formatów, dzięki czemu można je wykorzystać podczas późniejszych procesów wytwarzania, jak na przykład metodą ubytkową, przyrostową czy też odlewaniem.

Druk 3D

Na szczególną uwagę zasługuje metoda przyrostowa, a dokładnie druk 3D. Jest to proces wytwarzania trójwymiarowych przedmiotów na podstawie modelu 3D, który polega na nakładaniu materiału warstwa po warstwie aż do uzyskania odpowiedniej bryły. Obecnie jest to prężnie rozwijająca się dziedzina produkcji. Druk 3D wykorzystuje się już w takich przemysłach jak automotive, lotnictwo, elektronika, a nawet w sporcie! O rodzajach, wadach, zaletach i zastosowaniach druku 3D można przeczytać więcej w naszym artykule dotyczącym szybkiego prototypowania.

druk 3D
Druk 3D przykładowego elementu

Miecz z Kielczy: case study

Powróćmy jednak do historycznych przedmiotów. W jaki sposób wykorzystać inżynierię odwrotną i druk 3D do rekonstrukcji artefaktów? Najlepiej będzie jeśli posłużę się przykładem ze zrealizowanego projektu.

W 2020 roku zgłosił się do nas przedstawiciel Inicjatywy społecznej Moreantiqua, której celem jest reaktywowanie muzeum ziemi Strzeleckiej. O sukcesach tej organizacji można przeczytać na ich stronie.  Na zlecenie Moreantiqua podjęliśmy się wykonania repliki miecza z Kielczy, czyli śląskiego Ekskalibura. Jest to miecz antenowy pochodzący z epoki brązu. Został wykonany około 1000-800 lat p.n.e. Replika ta miała posłużyć za matrycę do późniejszego powielenia artefaktu z brązu metodą odlewania. Dzięki uprzejmości dyrekcji Muzeum Górnośląskiego w Bytomiu otrzymaliśmy model 3D miecza z uzupełnionymi ubytkami. Model 3D został wykonany za pomocą skanera 3D, następnie odpowiednio obrobiony w celu dopracowania brakujących części.

Model 3D miecza otrzymany od Muzeum
Model 3D miecza otrzymany od Muzeum

Oprócz wspomnianego modelu otrzymaliśmy również zdjęcie przedstawiające aktualne pozostałości miecza, jak również grafikę przedstawiającą jak miecz wyglądał w całej swej okazałości kilkaset lat temu. 

Wygląd odtwarzanego miecza w poszczególnych okresach
Wygląd odtwarzanego miecza w poszczególnych okresach

Przygotowanie modelu miecza do druku 3D

Model 3D przeznaczony do druku 3D musi być zapisany w obsługiwanym przez programy przygotowujące kod do drukarki 3D formacie. Jest to najczęściej format STL, czyli format zapisu modelu 3D w postaci siatki trójkątów, która stanowi przybliżenie kształtu oryginalnego modelu. 

Model 3D jest importowany do programu typu slicer (ang. slice – kroić w plasty), który tworzy instrukcję dla drukarki 3D w znormalizowanym języku poleceń dla urządzeń CNC, czyli G-Code.

Podział modelu miecza do druku 3D

Przy przygotowywaniu modelu do druku pojawił się pewien problem. Okazało się, że rozmiar finalny miecza jest zbyt duży w porównaniu do obszaru roboczego drukarki. Według modelu 3D miecz powinien mieć finalną długość około 70 cm. Natomiast drukarka, na której miał powstać model ma pole robocze o wysokości maksymalnie 20 cm. Dlatego też konieczne było podzielenie miecza na kilka części w programie CAD, a dokładnie na 7 części.

Dobór materiału do druku 3D repliki miecza

W kolejnym etapie należało dobrać odpowiedni materiał do wydruku. Wzięto przy tym pod uwagę, że konieczne będzie późniejsze łączenie poszczególnych części oraz przeprowadzenie ich obróbki tak, aby miejsca łączeń pozostały niewidoczne.  Wobec tego zdecydowano się użyć ABS-u, który jest wytrzymały a jednocześnie podatny na obróbkę chemiczną.

Proces druku 3D modelu miecza

Wszystkie części zostały wydrukowane z wypełnieniem 100% i w skali  108%. Powiększenie skali o 8 % było konieczne ze względu na skurcz materiału występujący podczas procesu odlewania w brązie. Aby finalny przedmiot miał odpowiedni rozmiar, matryca musiała zostać powiększona. 

Montaż miecza z Kielczy

Jedną z końcowych prac był montaż, czyli łączenie ze sobą oddzielnych części tak, aby tworzyły zaplanowaną całość. Poszczególne części sklejono w całość za pomocą rozpuszczonego w acetonie ABS-u.

Problem z wydrukiem miecza i jego rozwiązanie

Niestety okazało się, że wydruk nie spełnia swojej funkcji. Całość była bardzo źle wyważona, głównie ze względu na poszerzenie na końcu głowni gdzie było więcej materiału i koniec miecza ważył więcej niż rękojeść. W efekcie spowodowało to pękanie miecza na łączeniach. 

Rozwiązaniem tego problemu była modyfikacja modelu i jego ponowny wydruk.

Modyfikacja modelu miecza i jego ponowny wydruk 3D

Modyfikacja miecza polegała na „odchudzeniu” głowni i jej usztywnieniu, aby nie była podatna na ugięcia i pękanie. W tym celu wykonano otwór wewnątrz modelu 3D począwszy od głowicy przez rękojeść aż do grani w celu wprowadzenia w gotowym modelu metalowego rdzenia z pręta gwintowanego M4. Otwór poprowadzono na głębokość, która pozwalała na bezpieczne wkręcanie pręta nie powodując przebicia zewnętrznej powierzchni modelu.

Ponadto podczas druku zmniejszono wypełnienie części, z których składała się głownia. Zamiast 100% wybrano wypełnienie 30%. Jednocześnie zwiększono grubość ścianek zewnętrznych do 1mm.

Montaż polegał na nakręcaniu poszczególnych części na pręt. Stał się on przez to „kręgosłupem” dla całej matrycy. Dzięki temu zabiegowi element uzyskał większą sztywność, stał się lepiej wyważony i nie pękał w krytycznych miejscach. [

Post-processing wydruku miecza z Kielczy

Post-processing wydruków 3D to różne techniki obróbki druku 3D, które mają na celu zwiększenie jakości powierzchni lub też ulepszenie jego estetyki. Nie każdy wydruk 3D wymaga dodatkowej obróbki. Jednakże w przypadku repliki miecza była ona konieczna. 

Obróbka musiała być wykonana w taki sposób, aby zachować szczegóły powłoki zewnętrznej ukazujące strukturę i charakterystyczne znamiona na rekonstrukcji wg otrzymanego wzorca. Największe wyzwanie stanowiło takie obrobienie powierzchni, aby zachować jej jednolitość i aby żadne z łączeń nie było widoczne. Do obróbki wydruku 3D miecza wykorzystano metody obróbki mechanicznej i chemicznej.

Obróbka mechaniczna wydruku

Obróbkę mechaniczną najczęściej stosuje się przy usuwaniu supportów. W przypadku druku 3D miecza miejsca występowania supportów zostały wyszlifowane. Dla uzyskania lepszego efektu estetycznego, tą samą metodą pozbyto się również charakterystycznych w metodzie druku FDM widocznych linii, powstających podczas drukowania warstwa po warstwie.

Obróbka chemiczna wydruku

Następnie tak przygotowany model poddano obróbce chemicznej. W tym przypadku była to obróbka przy pomocy acetonu, która miała na celu wygładzenia powierzchni i wyrównania pozostałości po łączeniach. Do obróbki chemicznej korzysta się też z innych środków chemicznych.Aceton rozpuszcza ABS tworząc na powierzchni przedmiotu jednolitą powłokę, która nie tylko nadaje połysk, ale również wzmacnia całą konstrukcję. Z uwagi na to, że miecz ma bardzo małą grubość, obróbkę w acetonie należało przeprowadzać bardzo delikatnie. Kąpiel acetonowa, która polega na umieszczeniu przedmiotu w oparach tego preparatu mogła spowodować nadmierne rozpuszczenie przedmiotu, przez co element mógł się zdeformować. Z metody tej zrezygnowano z obawy na zbytnie rozmiękczenie miecza. Z tych względów acetonowanie wykonano inną metodą. Na każdą stronę miecza z Kielczy kilkukrotnie delikatnie naniesiono cienką warstwę acetonu za pomocą miękkiego pędzla. Każdą warstwę nanoszono w odpowiednich odstępach czasowych, aby aceton odparował po poprzednim zabiegu. Proces ten sprawdził się bardzo dobrze. Jednak niektóre małe szczegóły (nierówności) zostały zgubione – szczególnie te, które miały bardzo małą głębokość.

Po wykonanym acetonowaniu przed przekazaniem miecza z Kielczy do ostatecznej obróbki tj. malowania sprawdzono jeszcze raz wytrzymałość oraz jakość powierzchni.

Malowanie wydruku 3D miecza z Kielczy

Rekonstrukcja artefaktu oprócz swojego przeznaczenia jako matryca miała służyć jako element wystawowy więc należało nadać mu odpowiednią strukturę i barwy odpowiadające pierwowzorowi. Aby uzyskać ten efekt miecz został poddany procesowi malowania. Jednak przed malowaniem należy przygotować odpowiednio wydruk. W pierwszej kolejności, po acetonowaniu, cała powierzchnia miecza została przetarta papierem ściernym P1000 i oczyszczony z pyłu za pomocą miękkiego pędzla. Następnie wydruk został pokryty warstwą podkładu w celu zwiększenia przyczepności farby.Miecz został pomalowany farbami akrylowymi. Są to farby dobrze kryjące oraz stosunkowo szybko schnące, co pozwala na skrócenie czasu pracy oraz w łatwy sposób uzyskanie różnych faktur. Pierwsze dwie warstwy farby w kolorze palonej sieny pomieszanej z ciemnym brązem (Bruno Van Dyck), zostały naniesione pędzlem, aby dokładnie pokryć powierzchnię miecza. Kolejna została naniesiona gąbką, to pozwala na uzyskanie chropowatej faktury, która ma imitować starą miedź. W trakcie korodowania na miedzi pojawia się patyna. Jest to zielonkawy nalot. Wymieszana farba w kolorach ultramarine green, bronze (akryl błyszczący) oraz titanium white naniesiona została obficie mokrą gąbką w wybranych fragmentach wydruku, tak aby naśladować autentyczny miecz z Kielczy. Dodatkowo, by nadać wydrukowi większej autentyczności suchą gąbką dodano delikatne przetarcia błyszczącą farbą w kolorze bronze.

Ostatnim etapem malowania wydruku było zabezpieczenie całości półmatowym, bezbarwnym lakierem w sprayu do farb akrylowych.

Podsumowanie – Rekonstrukcja zabytkowego miecza – inżynieria odwrotna i druk 3D

Jak widzisz rekonstrukcja zabytkowych przedmiotów z wykorzystaniem nowoczesnych technologii jest jak najbardziej możliwa. W dzisiejszych czasach za pomocą technik inżynierii odwrotnej i druku 3D jesteśmy w stanie otrzymać replikę dowolnego przedmiotu.

Jeśli po przeczytaniu tego wpisu chciałbyś skorzystać z naszych usług w zakresie inżynierii odwrotnej lub druku 3D lub też zlecić nam wykonanie repliki zabytkowego przedmiotu lub innego elementu, to koniecznie do nas napisz na kontakt@wynalazca.tv lub napisz komentarz pod tym wpisem.

Redagowała, współautorka: mgr inż. Wiktoria Wojnarowska

Zamów wydruk 3D

Wynalazca TV

Tagi:

[1] http://moreantiqua.com/ (stan na dzień 25.02.2021)
[2] https://archeologia.com.pl/event/nieznana-historia-miecz-z-kielczy/ (stan na dzień 25.02.2021)
[3] https://wynalazca.tv/ (stan na dzień 25.02.2021)