傳統文物修復、復制與3D打印技術新材料的結合應用

商鑫龍

摘要：3D打印技術起源于美國，其隨著計算機處理系統升級、信息產業革命的推進以及新材料的廣泛應用，而獲得突飛猛進的成長并逐漸走進公眾視野。現在3D打印技術已經成為零部件制造和現代模型模具制造等領域的龍頭技術，其基于計算機疊層技術和材料累加技術實現制作對象的快速成形，具備不受模型復雜程度影響和數字化控制的優勢。

關鍵詞：傳統文物復制、修復;3D打印技術;新材料的結合應用

引言：在信息技術高度發達的當下，3D打印技術已在多個不同的領域展現了其所具備的高效與便捷性，并且由于3D打印技術帶有的非接觸性掃描的工作性能，使其適應了文物保護修復任務的精確性與細致性。文物作為古人智慧的結晶，存在時間久遠，材質易受損害，導致修復保護工作停滯不前。3D打印技術通過“個性化定制”和“無實物接觸”的方式在修復文物的同時避免了二次損害。

●? ?3D打印技術的工作原理及特點

（一）3D打印技術進行文物修復的工作原理

3D打印技術最早出現于上個世紀90年代的美國，本質上是綜合運用了光固化和紙層疊等技術完成模擬對象的快速成形。后期隨著信息技術革命的開展，計算機處理系統不斷完善，3D打印技術與計算機控制系統相融合實現了從圖像到三維立體模型的構建。3D打印技術中所運用的材料不同于傳統的打印機，其主要包括工程塑料、樹脂材料和石膏粉末等物質，統稱為新材料。3D打印機是由控制、機械組件、打印頭、新材料和介質等組成的。在打印機與電腦連接后，通過在電腦控制端掃描輸入模型圖紙，再將新材料層層疊加最終形成模型的復制。在電腦前端設計三維立體圖形再分層打印輸出的工作模式，有助于保證復制工作的精確性。在文物復制工作中，工作人員先采用三維掃描儀對文物表面進行掃描以得到準確的三維數據，同時三維掃描儀所使用的是與自然光強度相似對文物表面色彩影響小的白光掃描儀。在數據測量完畢后，結果會自動上傳到電腦端的矢量建模軟件中。工作人員事先在軟件中編寫好計算公式，當數據上傳成功后，計算機將進行分析計算把所需的數據等比例進行放大或縮小，方便滿足使用需求進行3D打印。最后由于其所使用的材料的特殊性導致不同技術和材料具備各自不同的建模速度、模型強度、外觀分辨率以及細節的精細程度，并相差甚遠。所以工作人員要依據實際需要對其進行選擇，完成從數據藍圖到立體模型的轉變。

（二）3D打印技術的特點

第一點，3D打印技術具有個性化定制的特點。與傳統打印機最主要的不同之處在于，3D打印機所使用的材料具有特殊性，包括工程塑料、樹脂等工業原料，所以其能夠滿足立體建模的需要。在利用3D打印機進行文物的修復與復制工作時，要先對破損文物開展全面的掃描，將涉及到的各項數據如文物材質、長寬高等精準測量并錄入到與打印機相連的計算機控制系統中。針對文物相關信息的復雜程度的不同，工作人員掃描所用的時間也有所不同。通常情況下，高度為20厘米的陶瓷罐大致需要10分鐘。計算機中的建模系統根據測量數據進行計算處理，同樣依據工作人員對結果精確性需求的不同，處理時間也有差異，一般情況下數據精確度在0.3毫米需要10到20分鐘。由此得出的三維數據是矢量的，即建模的大小可以進行等比例的縮放。CAD建模對打印機要求比較低可以兼容多種類型，如常見的光敏樹脂也稱液化打印、粉末化打印和絲化打印。液化打印是將液體材料利用激光進行固化，特點是精確度高、堅固性強，可以進行打磨拋光。后者則是通過數字化的圖形信息不斷增加材料而建模，其特點是增材制造可塑性強、成本較低，但也存在著建模的牢固性和精確性不足的問題。據上述所列，工作人員在實際應用中從使用材料、成本、大小、建模的復雜性、精確度和牢固性等幾個角度考量完成個性化定制。

第二點，3D打印技術在開展文物的復制與修復工作時主要采用無實物接觸掃描的方式。文物作為前人智慧的結晶，承載著大量的歷史人文信息，對于考古工作的推進有深遠影響。由于文物本身所具有的寶貴的文化價值以及歷史久遠所導致的材料的脆弱性，對在保護文物的前提下收集相關三維數據提出了更高的要求。傳統的打印機進行文件掃描時，需要將文件放置于打印機制定的掃描屏幕上，而3D打印機已經配備了可移動的掃描儀并實現遠程的立體掃描，即利用3D打印技術掃描時其激光可以穿過物體本身構建立體數據庫，同時無需與實物相接觸，避免了為進行掃描而移動文物所造成的二次損壞。除此之外，3D打印技術主要是采用白光掃描儀。因為文物修復工作的特殊性導致其只能在室內進行，受室內光線等因素的影響，傳統打印機在掃描后會出現文物顏色失真嚴重現象頻發。白光掃描儀的光譜與自然光相似，所以利用白光掃描得到的結果與原物最為相近，精確度更高。同時傳統打印機的掃描光譜以藍光為主，其帶有一定的輻射性。在對如古代書籍、字畫等紙質文物進行復制和修復工作時，極易導致文物因受到過度輻射而造成二次受損。3D打印技術使用白色光譜因與自然光的亮度和輻射強度相似，所以對紙質文物的二次損害風險最小。綜上，3D打印技術因具有無實物接觸的特性使其能夠兼顧文物的修復與保護。

第三點，3D打印技術基于逆向工程進行CAD建模。與傳統的打印技術相比，其先進性和高效性主要體現在把所需的加工材料直接堆積逐層累加而快速地得到目標物，所以節省了大量的中間步驟，實現制作工期的縮短和能源損耗降低的目的。在開展文物復制與修復工作時，由于具體情況下的需求不同，采用逆向工程即根據實物獲得數據模型進行反求的過程。包括兩大步驟：信息采集以及模型建立。為保護所要掃描的文物，信息的采集工作依靠力、光、電、磁等物理手段推進。其中物體幾何信息的收集主要是通過力和光的接觸，來構建空間坐標系，然后將獲得的文物的相關信息標注在坐標系中，形成由幾何信息構建的實體模型。使用最為廣泛的建模軟件是CAD建模軟件對于結構較為簡單的物體可以直接建立模型。逆向工程的主要步驟包括以下幾點，以器的復制為例。首先，在初步掃描完成后利用計算機控制系統進行幾何結構的分析和器的底稿上傳工作。通過對幾何物體的分析得知該瓷器為軸對稱的旋轉體結構，所以為簡化數據收集工作只需要對其的側面曲線、高度、厚度建立模型即可。接下來利用CAD軟件中的“SKETCH”功能查看上傳的底稿，即瓷器的前視圖片。同時輸入之前得到的數據，如瓷器的高度、厚度等，調整坐標系至前視圖，修改設置為“含材料顏色”。把文物移動到坐標系的對稱軸上，完成模型樹Printing 1的構建。之后，建立幾何模型。根據上傳的底稿可以通過曲線擬合獲得瓷器的輪廓，雖在數據的精度上仍有一定的上升空間，但是其掃描建模的效率得到很大程度上的提升。選定模型樹PRODUCE1制作零部件，繪制建模的曲線草圖，將得到的草圖進行360度旋轉并依據厚度抽殼完成整個模型的構件。最后進行模型的處理以及外觀渲染工序。工作人員利用上述的坐標系導出瓷器各項具體的細小數據信息著重處理。如打磨、作舊、拋光、上色。為還原和增加復制品的視覺效果，還應同時開展模型渲染工序。點擊進入CAD軟件的產品基本結構實時渲染功能，增設點光源、定點光源和聚光源等。綜上所述，逆向工程適應了文物修復工作精細化處理的需要，在色彩、細節等方面基本實現一比一的復原。

●? ?3D打印技術在文物保護工作中的應用

（一）技術應用前景

3D打印技術與傳統工藝相比，把加工材料依據形狀的不同分為粉末、線性和面型;依據材料不同分為金屬、非金屬無機材料和塑料材料等，這就省略了很多中間步驟，縮短所需的工期，減少能源損耗，降低技術的門檻需求。現代化的信息技術在文物修復工作中的運用，體現在對文物進行三維激光掃描得到文物的具體點集后，上傳到計算機終端的控制系統上進行信息過濾和建模。目前，3D打印技術主要用于古建筑、石窟、古書籍字畫掃描構建，完成數據的儲存為接下來各項工作的推進奠定基礎。3D打印技術的應用前景主要體現在以下幾個方面：第一點，考古現場文物幾何模型細節上的全真保存。考古現場環境較為復雜，同時空間跨度較大并且以大量的幾何物體信息為主，囊括了從細小顆粒物到巨型古建筑等。使用3D打印實現了根據具體的需求將文物放大或縮小，然后打印出文物的幾何模型。第二點，快速復制考古現場的文物。傳統的打印技術對于部分體積較小的文物可以實現復制展覽，但是對于一些體積較大并且易碎的文物如古代家具、瓷器、文書等，參觀者無法近距離進行觀賞。在使用3D打印技術后，只需要選擇塑料材質的復制品就可以實現搬運、展示和近距離接觸。第三點，考古現場文物的永久保存。由于考古現場環境較為復雜，人流量大產生的氧氣和二氧化碳等對長時間保存在地下密封環境中的文物有一定的影響，可能導致其褪色、風化。同時考古現場的自然環境與埋藏時的環境相比已經有很大的變化，風力、溫度、光照等因素都是使文物頻發二次損害的主要原因。除此之外，文物都是出產年代久遠的物品，在開挖或民間傳遞的過程中將不斷老化，材質的損耗程度有較大的差異。使用3D打印技術建立虛擬模型的方式，由于所使用的材料是金屬、非金屬無極材質和塑料材質等，其強度較高可以實現文物全部信息的保留，為日后研究工作的進一步開展提供信息數據支持。綜上所述，隨著3D打印數據的成熟，利用計算機技術完成考古現場文物虛擬模型的構建和信息化儲存，進而對模型開展管理和應用將成為可能，因此具有廣闊的發展前景 。

（二）技術難點

使用3D打印技術采集文物數據信息進行虛擬模型的建立的一般流程為：建立虛擬模型、處理虛擬模型和虛擬模型的打印三個步驟。建立虛擬模型的時間占據總流程的90%，因此模型的數據處理是一個極為復雜的過程。剩余的全部時間都分配給模型的打印工作。根據掃描對象的幾何特點的不同，現今應用快速建模技術主要分為：大尺寸文物、三維曲度文物和二維文物建模三大類。在大尺寸建模類型中主要以古建筑物、洞窟和地下墓群虛擬模型的構件為主，具有一定的難度和挑戰性。但當建筑物屬于簡單幾何體時可以直接利用CAD軟件進行構建，隨后組裝為一個整體。在三維曲度文物建模中，主要采用掃描手臂完成激光掃描的工作，現今應用最為廣泛的是美國FARO公司出品的掃描手臂和奧地利RIEGL公司出品的三維掃描激光儀。兩者可以用于從汽車到硬幣等不同大小的物品的三維掃描，也可以用于飾品、家具、車馬、建筑等文物的掃描。在二維文物的建模中，主要是針對如紡織品、書籍字畫、壁畫、石窟雕塑等二維文物的掃描儲存。利用的技術包括攝影技術和掃描技術。

文物的3D打印技術基本上是通過計算機控制系統端的指令全自動進行，所以進行文物復制的時間與3D打印機的工作效率緊密相關。現在需要攻克的技術難關集中于代碼的生成與轉換和3D打印具體實施階段。前者是利用CAD軟件中保存好的文物信息文件轉換為打印機識別的STL、STP等格式，但是由于文物的體積以及材質等的廣泛性，數據庫中現有的信息在實際操作過程中難以滿足新出土類型文物的需要，導致在代碼的轉換中容易出現亂碼、無法識別的問題。對此應通過專業的軟件如REPLICATION對文物從高度、材質、厚度等方面進行自動切片保存，在數據庫中開展對比工作，幫助工作人員盡快識別新材料，借助相似程度較高的材質進行分析實驗形成新的代碼，隨后轉化為打印機可以識別的代碼類型。最后還可以估計打印時間，保存到專門的儲存卡中備用，完善文物修復中的方面的具體信息。后者則是在完成代碼的轉換后，把儲存卡插入到計算機上進行數據的讀取。3D打印機自動開展底板的加熱功能，為模型的出品奠定基礎。但是在實際操作中，由于打印機的長期使用而導致加熱功能不穩定時常發生。對此，工作人員應通過長期的工作和計算機數據庫信息的不斷完善，對文物打印所需的溫度和時間有一個大致的了解，并在建模的過程中實時觀測溫度變化，一般情況下基本控制在110℃左右即可，其中加熱噴嘴的溫度可以略高達到220℃左右最為適宜。在解決這兩大難題后，將有助于3D打印技術的進一步推廣和文物保護的順利進行。

●? ?利用3D打印技術進行文物復制

以帶蓋黑陶罐的復制為例，應按照三維數據的高精度獲取，利用三維軟件進行建模和三維數據成果輸出，完成3D打印三個步驟逐步推進。首先，復制一件歷史久遠并且工藝較為復雜的帶蓋黑陶罐之前，需要其具體的三維數據，主要通過三維掃描儀進行收集。白光掃描儀對帶蓋黑陶罐的外形輪廓線進行初步掃描，由于其呈現出軸對稱的特點，所以只需要采集到一部分，并在數據上傳后把帶蓋黑陶罐的虛擬模型移動到坐標系的中心軸上，旋轉360度后即可得到原物的輪廓前視圖底稿。接下來工作人員導出掃描出的標的物的細節信息，標記到坐標系中得到完成的虛擬模型。然后根據所得到的三維數據，通過數據的矢量性進行相應比例的放大或縮小。對于本次復制工作中對帶蓋黑陶罐的需求僅進行一比一的還原即可，并且因為只需要對陶器的外形進行復制，為了節約成本投入、縮短工期、降低能耗，原材采用材質較輕的光敏樹脂最為合適，還原了帶蓋黑陶罐外形壁較薄的特點。同時為了增加復制品的真實性和質感，要在復制品的內部均勻鋪設一層石膏，使其的壁厚和重量增加。粉末化材質的牢固性與強度皆不如光敏樹脂耐用性好，不符合帶蓋黑陶罐紋飾和細節的復制標準。在復制品初步完成后，應進行復制品的補色和細節方面的打磨、拋光。在白色復制品的表面涂上一層混合黃土、香灰和含有一定水分的白膠組成的調和液。在混合液半干后用濕布擦去混合液殘留在其表面的黃色，但紋飾縫隙上已經保存了干涸的黃色涂料，呈現出“塵土”的形態及顏色。直至調和液完全干透后，再在整個復制品上噴涂按照帶蓋黑陶罐本身顏色所調的深色染料。最后等到第二次噴涂的深色染料也干透后，用如尖頭竹刀等器具剔除掉紋飾表面的黑色染料。由于底下已有一定量的含有附著力不強的白膠黏附的黃土調和物，導致其很容易就復原出與泥土相似的顏色。為保護帶蓋黑陶罐不受復雜自然環境的影響，所以對其的三維掃描主要在室內進行，導致復制品掃出的顏色與原物相比有差別，失真現象頻發。同時帶蓋黑陶罐本身的紋路較為復雜，三維掃描對帶蓋黑陶罐表面顏色的調整和控制所需的技術要求較高，通常情況下不容易打印出理想的效果。所以在光敏樹脂打印中采用白色材料并在模型初建后，用傳統的手繪工藝還原帶蓋黑陶罐的原有成色以及用土沁的方式，進行作舊復原其歷史風貌。此時和原件仔細對比，在大致的外貌形態、層次感和斑駁感等方面已和原件達到了真假難辨的程度。一件長達幾千年的歷史文物就這樣栩栩如生地展現在觀賞者的面前。

●? ?總結

3D打印技術以其“個性化定制”和“無實物接觸掃描”的工作原理適應了文物修復與復制工作的需要，在修復文物的同時有效避免了二次損害的發生，已經作為一項成熟的修復手段得到廣泛應用。與傳統的修復手段相比，具有高效、精準、無損害的優勢，能夠在不同的需求下自主進行選擇，對于現代工業技術而言具有跨時代的意義。

（作者單位：安徽徽博文物修復研究所有限公司）

參考文獻

（1）劉亮、李園、吳小燕，3D打印技術在文物修復上的應用和探討——以鵲尾爐修復為例[J]，湖南省博物館館刊，2018;

（2）黃婷婷，新技術和新材料在建筑設計中的應用分析[J]，建筑工程技術與設計，2018，000（009）：1031;

（3）饒媛蘭，紙質文物保護修復的傳統方式與現代技術[J]，遺產與保護研究，2018，003（010）：39—41。