3D打印技術在古代早期陶器復制中的應用

卜衛民

摘要：隨著3D打印技術應用范圍的不斷發展與普及，越來越多的博物館和文物修復人員嘗試將3D打印技術融入到傳統的文物修復中去。本文主要圍繞新石器時期的陶器復制工作，從文物信息的采集到文物實體的修復復制，討論3D打印技術在操作中的具體應用及其優劣。文章主要運用的研究方法是比較法與復原實驗的方法。3D掃描的非接觸式采集文物信息的特點，杜絕了傳統接觸式采集復制文物信息而帶來的二次損害風險。3D打印逐漸融入到傳統文物修復方案的制定與實施中，使其可以適應多材質文物的不同需求，更好的提升了傳統文物修復的效率。

關鍵詞：3D打印;文物修復;復制

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0128-03

因為大多文物具有不可再生性與較高的歷史價值，還會伴隨著易損性、不穩定性等因素。所以每一位文物工作者在與文物接觸時，保證文物的絕對安全是首要條件。3D打印技術的非接觸性取樣是文物修復團隊最為重視的特點之一。3D打印技術可以在不損傷文物的前提下，通過三維掃描儀收集詳細的文物數據。并且，電子測量后的處理數據速度快，具有很高的精準度。三維掃描技術得到的數據容性較好，可以在最快時間內高效完成復制文物的前期準備工作。

1 文物保護與博物館展示對于3D打印技術的需求

1.1 我國文物復制的條款與文物資源利用保護

《中華人民共和國文物保護實施條例》，第四十六條明確指出“復制、拍攝、拓印館藏文物，不得對館藏文物造成損害”。所以我國的法律就要求文物修復工作者要運用更多高新技術手段，在保證文物絕對安全的前提下完成復制工作。在科技不斷發展、全球化進程加快的今天，復制和傳播已經成為一種趨勢。我國博物館有著豐富的館藏，但是由于展廳面積的限制，導致我國目前展出的文物數量有限，而目前即使通過出版畫冊也不能有效地解決此問題^[1]。我國目前破損文物較多，博物館修復人才的缺乏導致修復與復制的效率難以快速提升。根據“全國館藏文物腐蝕損失調查”顯示，目前我國3200余座國有博物館中，有近50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害，重度以上腐蝕的館藏文物達230多萬件，占被腐蝕文物的16.5%^[2]。3D打印技術能將文物的三維形象放在博物館的官方網站上進行虛擬展示，觀眾可以360度觀察器物及其細節，這勢必會促進社會各界對于文物的研究、利用和創新。

3D打印技術較好地保存了文物的細節信息，所以采集信息完畢后可以在任何時間復制文物。2017年，IS武裝分子在敘利亞地區破壞了眾多博物館與遺址，文物被毀、丟失，流入黑市者不計其數。為了譴責IS恐怖組織的暴行，由歐美高校與博物館合資組建的數碼考古學研究所（IDA），用全球最大3D打印機復制了敘利亞貝爾神廟的拱門并在英國與美國的廣場上公開展出。而國家文物局在發布《第一次全國可移動文物普查工作報告》后，也希望社會各界能夠激活中華優秀傳統文化的生命力和影響力，促進文物資源活起來。所以3D打印技術在文物復制中的應用，也能發揮現代科技在傳承中華優秀傳統文化的獨特作用。

1.2 實驗室修復前的數據采集與制定修復方案

受到考古工地的空間與發掘時間的限制，一些出土的密封器物可能會轉移到實驗室中進行開啟、記錄與研究。所以借助于CT掃描技術考古人員就已經預先知道內部的器物狀態，并且可以利用3D打印預先打印出來進行觀察，這為下一步的實驗考古提供了依據。在上海博物館考古部對于青龍鎮遺址的考古發掘中，實驗室通過對隆平寺塔基地宮出土的套函進行CT掃描，就已經知道內部的器物的疊壓關系，并且用建模的技術將佛珠底部的銀質蓮花進行了還原。這樣我們就可以根據掃描的狀況實現制定文物修復的保護方案。因為獲取了三維數據，就可以對文物缺失的部分進行還原、填充與補缺。

2 博物館對于3D打印技術與復制品的展示

2.1 對于珍貴文物與稀缺文物的必要復制

博物館為了展覽的完整性或教育效果，會在展覽中展出一些文物的復制品。但為了避免混淆觀眾對于文物真偽的視聽，博物館要使用盡可能接近原始器物的復制品，并且在展品的名牌上還要進行標注。一些文物的原件出于文物保護要求的考慮，藏起存放于文物庫房進行妥善保管。中國國家博物館收藏的后母戊大方鼎出于樓層承重的考慮采用復制品展示，但是由于精細地復制所以在幾十年間沒有影響展示效果。地方博物館的很多文物都被調撥給了中國國家博物館，但是有些文物對于敘述一個地方的歷史至關重要的，例如云南石寨山出土的滇王金印。所以對于調撥至中國國家博物館的地方珍貴文物，需要利用3D打印技術復制一件復制品在當地的博物館進行展示。

在展覽中需要相關文物進行教育展示時，可以借助3D打印技術以其產品難以分辨的外觀、感受解決這一問題。過去的展示方式在展示大型建筑、遺址的微縮模型時，都是采取了藝術化的處理效果，很多能體現真實感的細節都在模型的制作中被人為地剔除了。所以3D打印可以將大型的建筑、遺址等比縮小進行展示，能給觀眾帶來豐富的觀展體驗。而陶器對保管、展示條件有一定要求。早期陶器的燒造溫度一般是在600度左右，在某些文化中的燒造溫度可達900度。而瓷器的燒造溫度在120以上才能發生瓷化反映，所以瓷器的質地較為堅硬，而一些陶器上的彩繪很容易在長時間的照射下褪色，這給文物保護工作帶來了新的問題。

2.2 對于考古發掘過程與修復過程的展示

在揚州舉辦的《蕭后冠實驗室考古與保護成果展》上，就展出了蕭后冠原尺寸3D打印樹脂模型。這個模型能清晰地辨認出蕭后冠與放置在一起的器物，可以告訴觀眾蕭后冠在最初發現時的原始狀況。所以3D打印技術可以將一些動態的過程實體化，這樣以實體的模型展示代替了傳統的圖片展示，能讓觀眾獲得更為直觀的感受。

3D打印技術修復文物的過程也可以用展覽的形式表現，這樣可以提高觀眾文物保護的意識，增加對于科學文物修復的理解。傳統的手工一般是直接在文物上翻模，對于不適于翻模的文物則采用粘土塑形復制，這一過程在展示上比較單一，就是展示模具與復制品。但是我們在展覽中可以把實驗室搬入展廳，把設備、材料與制作過程都進行展示，這樣展品更為多元，也滿足了觀眾的好奇心。2013年，陜西歷史博物館舉辦了《巧手良醫——陜西歷史博物館文物保護修復工作展》。在這次展覽上一批高科技的設備得以展示，并且展覽中文物修復工作者將館藏文物金怪獸通過3D打印技術耗時15個小時制作出來進行展示，和文物原件幾乎完全一致的效果讓觀眾難辨真假。

3 基于3D打印技術對崧澤遺址陶豆的復制

3.1 文物狀態分析與定位粘紙的使用

上海博物館文物修復研究團隊曾為上海崧澤遺址博物館進行一批早期陶器的復制工作。崧澤古文化遺址是新石器時代遺址，距今約5000-6000年。由于博物館需要這批器物籌備新的展覽，文物修復團隊需要在短時間內完成復制10多件陶器的復制工作。這批陶器的形制與尺寸較為多元，有直徑約50多公分的陶鼎，還伴隨上次修復產生的新的不穩定性;還有的陶器胎體較薄，并且其密度的分布并不均勻。這些問題為使用傳統復制技術帶來了一定的困難。因此復制團隊嘗試了使用3D打印技術進行復制文物的工作，本文以灰陶鏤空紋豆（圖1）為例來敘述復制過程中的幾個關鍵的步驟。

在對灰陶鏤空紋豆進行取樣的過程中，除了貼一些定位粘紙以外，文物修復團隊幾乎在取樣的過程中不接觸器物，做到了與文物最少接觸的修復原則。這些定位貼紙主要附著在陶豆的盤與束腰部位，在邊緣外側與底部也有附著。定位粘紙的粘度較低，并且還可以有效地避開彩繪、裂痕等部分，容易摘取對陶器表面基本沒有損傷與損害。圖1就是本次修復中定位粘紙的具體粘貼位置。

3.2 陶豆三維數據的采集與三維圖像的制作

文物復制工作最重要的是文物的安全，因此有關文物的數據采集都應該在博物館完成，不應搬運文物。所以如果相關設備是第三方提供，首先應該保證文物數據采集在博物館完成，其次簽訂文物信息保密協議不得外傳。因此通過以下固定式3D掃描儀、及數據采集板，我們可以獲得具體的文物信息。文物復制團隊主要利用采集工具及圖像測量軟件，對于灰陶鏤空紋豆的三維數據信息進行采集。

進行3D打印的前提是盡可能多地獲取器物的高精度三維數據，文物修復團隊對于文物的測繪要達到正負一毫米的精度。數據的采集主要依靠三維掃描儀來實現，為了保證對于陶器表面的最小干預，我們選擇了與自然光最為接近的白光掃描儀。在光柵條紋持續1 0分鐘投影到灰陶鏤空紋豆表面后，借助兩個高分辨率CCD數碼相機對光柵干涉條紋進行拍照。這樣器物表面的三維坐標點集就被有效地收集，獲得了這件器物的點云（Point Cloud）。

數據采集輸入電腦后通過后臺數據處理，文物復制團隊可以獲取高精度的三維數據，并通過CAD軟件可以進一步完善數據直接生成三維圖像（圖2）。部分誤差需要由人工進行檢測問題，以便后期高精度的圖像輸出。3D數字建模技術獲得數據易于修改與調整，都是通過軟件中的工具完成。這樣可以保證文物絕對安全的情況下，進行文物復制的精準輸出。基于高精度3D掃描儀取型，后期軟件再修改的基礎上，我們獲得極為精確的文物體量數據，包括一些細節信息。雖然電腦對于顏色的輸出還不能完全符合器物的真實顏色，但將來一旦攻克應該能更普及更適用于文物復制工作。

3.3 復制陶豆白模與復制品修正

獲取灰陶鏤空陶豆的數字信息后，再通過熔融沉積成型技術（FDM）進行打印輸出。熔融沉積成型技術利用高溫將光敏樹脂材料融化成液態，通過打印頭按照數字建模擠出后冷卻固化。光敏樹脂成型后顏色為白色，質量較輕，與原物有一定差距。后期文物復制團隊通過灌注石膏等方法使兩者重量接近，并可獲得較好的完整度。獲取灰陶鏤空陶豆白模后，我們先進行基礎打磨，使用水砂紙打磨至光滑，消除所有3D打印造成的紋樣，并根據原物進行查遺補漏工作，將外型修整一致（圖3）。

外型修整工作完成后，復制團隊使用石膏、丙烯顏料、Jade 403無酸白乳膠、HMG Paraloid 72、滑石粉、煙灰、黃土等材料進行作色工作，先用石膏敷至內部，使3D打印復制品的質量與真品接近。之后作色步驟分為底色制作、運用乳膠的快速干燥性混合黃土煙灰等，便可制作出較有質感的底色。通過丙烯顏料與滑石粉組合精確繪制細節顏色，最后使用Araldite為基材調和顏色，通過“點”、“擦”、“剝離”等手法，做出陶器表面的機理和質感，使真品與復制品的顏色質感逐漸接近，根據經驗再調整顏色最終完成灰陶鏤空陶豆的復制工作（圖4）。

3.4 3D打印技術在陶器復制中仍需解決的問題

目前3D打印技術在文物修復領域中已經得到了一定的運用。例如：三維重建和3D打印在兵馬俑修復中的應用，對兵馬俑各碎片的點云數據建立三維模型后制造多套復制品探索拼接方法^[3]。并且有很多碩博士對3D打印技術進行了理論上的探討，例如對于3D打印技術應用于文物復制的可行性進行研究^[4]，還有面向館藏文物的三維數據獲取及可視化研究等^[5]。可見3D打印技術應用于文物保護、復制、修復逐漸走向成熟，隨著理論、實驗的大量積累成為文物工作的常用設備與技術。但是3D打印技術在陶器復制中仍有兩個問題需要科技人員解決

首先，對于一些陶器上的淺浮雕與一些精細的痕跡無法做到高精度的復制。文物復制要求最大限度地還原文物的真實情況。早期的陶器大多是慢輪制作或是手工制作，其表面留有很多手工制作的痕跡。由于古代陶器可能存在多次使用的狀況，所以一些陶器上的起伏較為微妙，這給3D打印技術與傳統復制手法帶來了一定的困難。例如在后期景德鎮的窖址中，我們就可以看到工匠制造匣缽的指紋，當然這種情況在早期的陶器中也有發狐所以隨著光學拍照定位技術的不斷發展與激光打印液態樹脂的固化精度不斷提高，相信文物本身的諸多細微的細節也能夠得到進一步關注。尤其是擁有精細紋樣的青銅器，在底材堅固的銅器表面進行傳統翻制，對文物的影響基本可控，因此我們可以查閱我館老前輩的翻模模具，這體現了翻模工藝的精準、精巧與巧妙，也是工匠精神的最好詮釋，在不久的將來，待3D打印技術再進一步發展，可能這些精美的模具再也不會產生。

第二，目前可使用的打印材料限于光敏樹脂、銅、錫、鈦等材料，對于陶土類的文物殘缺還不能用類似材質進行打印。目前傳統方法對于器物復制遵循的思路，就是按照模擬原始模具與工序重新實踐器物的制造過程。所以傳統手法對于陶器的復制往往是采取翻模的手法，即打樣稿、制作石膏與硅橡膠等對文物直接取樣（在有保護層的基礎之上），接著在翻模結束后進行復制。這樣運用傳統器物復制技術就可以使用同一種介質去復制并做舊，這樣更接近文物的真是材質。但是3D打印在陶器文物的復制中只能獲得一個表面。美國紐約大學藝術史教授喬迅的《魅惑的表面：明清的玩好之物》一書中，指出人們從文物的“表面資源”中獲得了愉悅并由此產生人們精神與身體的互動 。所以說只要是3D打印技術與傳統復制技術對于表面的細節、彩繪進行很好的結合，這一技術難關可以綜合兩種手法進行處理。

第三，3D打印是通過逐層疊加的方式獲得立體的模型，而每一層的打印針頭釋放液體的劑量很少，1厘米的厚度高度可能需要兩個半小時的打印時間。所以在3D打印的過程中，不能受到任何外力的干擾，否則的話一次間斷可能使液體固化而影響最終打印的效果。而傳統的工藝基本上不受到時間的限制，但是復制技藝的習得需要時間，而且不能快速地被他人學習，所以傳統文物修復技藝的傳承容易中斷，但是3D打印技術可以培養更多的人掌握這項技術。

4 結論

筆者通過一項復制實例闡述了3D打印技術對于文物復制的重要性，該項技術的良好應用使得文物修復團隊在“零”接觸文物的前提下，完成了灰陶鏤空陶豆的復制工作。基于我國文物保護條例，我們的復制工作必須在絕對安全條件下進行，所以3D打印技術的發展、推進、應用于文物復制、修復領域是必須推進的工作，需要更多博物館修復團隊在保障文物絕對安全的前提下進行更多的實驗與研究。但傳統復制技術并不應該被科技淘汰。3D打印技術的復制能力尚不能應用于精細文物，而傳統技術能夠在非常穩定的文物上進行精細復制。所以在積極接納新技術的同時，可將傳統復制技術作為非物質文化繼續傳承。

參考文獻

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[6]（美）喬迅.魅惑的表面：明清的玩好之物[M].北京：中央編譯出版社出版，2017：14.