結(jié)合3D打印鑄造的青銅器可拆卸式修復(fù)研究

2021-07-02 02:17:10張珮琛

文物保護(hù)與考古科學(xué) 2021年3期

張珮琛

(上海博物館，上海 200003)

0 引言

青銅器在漫長(zhǎng)的埋藏和流傳過(guò)程中會(huì)遇到由物理、化學(xué)及生物因素造成的多種病害。主要?dú)w結(jié)為：自然因素、人為因素。

自然因素包括地震、洪水、土壤侵蝕、空氣污染、生物危害等，主要表現(xiàn)為自然力對(duì)文物的破壞。在這些自然因素的損耗下，青銅器會(huì)遭受由腐蝕礦化、墓葬坍塌等因素造成的擠壓變形、破碎等病害。

人為因素是指人類的自身行為作用于青銅文物，從而引起文物的質(zhì)變與毀損，主要表現(xiàn)在“盜竊性”與“修復(fù)性”破壞，即文物在非法盜掘、盜割、轉(zhuǎn)運(yùn)、倒賣的過(guò)程中造成的損壞，以及青銅文物在非規(guī)范的修復(fù)過(guò)程中采取的不可逆、不科學(xué)、不安全等材料與方法所造成的文物二次損壞。這樣的現(xiàn)象在早期古董商販的文物交易流通中普遍存在。在高額利益的驅(qū)使下，這些早期古董商販不僅在素器上加刻紋飾與銘文，更有將破損嚴(yán)重且無(wú)法修復(fù)的青銅器殘件，通過(guò)切割和焊接等手段把它們?cè)倨礈惓善?有些甚至是臆造的青銅器)。在很多傳世青銅器上可以看到這些遭受自然、人為等多種因素形成的綜合病害。

傳統(tǒng)青銅器修復(fù)對(duì)于殘缺的青銅器一般采取手工制作補(bǔ)配件后連接固定補(bǔ)配的方法。傳統(tǒng)青銅器補(bǔ)配，需要經(jīng)過(guò)塑形、翻石膏模、雕刻紋飾、翻蠟?zāi)！⑿拚災(zāi)！⑹炶T造、鑄件加工、連接(焊接或粘接)、作色等十余個(gè)步驟，整個(gè)周期較長(zhǎng)，且一旦安裝修復(fù)后不便于拆解，強(qiáng)行拆解很容易造成文物的二次損壞。

20世紀(jì)80年代后期，3D打印機(jī)的橫空出世，開啟了增材制造新時(shí)代。近年來(lái)，新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革使得3D打印步入快速發(fā)展期。在文物修復(fù)保護(hù)領(lǐng)域，隨著3D掃描、打印技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷發(fā)展與普及，很多博物館與文物修復(fù)工作者都嘗試將3D掃描與打印技術(shù)應(yīng)用到文物修復(fù)與復(fù)制中去：從文物信息的采集到文物實(shí)體的修復(fù)復(fù)制；從文物三維數(shù)據(jù)庫(kù)的建立到文物仿真衍生品的制作。

3D掃描的非接觸式采集文物信息的特點(diǎn)，杜絕了傳統(tǒng)接觸式采集復(fù)制文物信息而帶來(lái)的二次損害風(fēng)險(xiǎn)[1]。3D打印輸出的同時(shí)也將修復(fù)過(guò)程與步驟進(jìn)行了數(shù)字化記錄與儲(chǔ)存，為日后研究工作提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

隨著3D打印精度與輸出材料的不斷提升和豐富，以金屬增材為主的金屬3D打印以及3D打印結(jié)合鑄造的技術(shù)日趨成熟，并逐漸在傳統(tǒng)青銅文物修復(fù)技藝中加以應(yīng)用，使這門傳統(tǒng)技藝得到更為科學(xué)有效的發(fā)展。

本工作針對(duì)上海博物館舊藏的一件青銅器，嘗試將可拆卸式補(bǔ)配方式結(jié)合3D打印鑄造的方法融入到傳統(tǒng)文物修復(fù)流程中，以尋求一種全新的修復(fù)和展示形式。

1 設(shè)備與工具

CT：德國(guó)Yxlon公司，Y.CT Modular；用于對(duì)文物本體的斷層掃描。

XRF：布魯克BRUKER，型號(hào)為S1TITAN 300；用于對(duì)文物基體成分分析。

3D掃描：OKIO-5M；用于對(duì)文物三維數(shù)據(jù)采集。

3D打印：XF L120光固化；用于蠟?zāi)］敵觥?/p>

2文物現(xiàn)狀與修復(fù)方案的制定

2.1 文物現(xiàn)狀

上海博物館早年入藏一件青銅器(圖1)，高105 mm，口徑152 mm，腹徑183 mm，整體呈圓形，侈口束頸，鼓腹圓底，腹一側(cè)有獸首鋬。鼓腹部飾有獸面紋與龍紋，紋飾清晰而精美，腹內(nèi)底部有4字銘文，并自銘為“盂”。雖然此器外形完整，表面無(wú)明顯殘缺破損的痕跡，但器型怪異，不合常理，因此當(dāng)年入藏時(shí)品名暫定為“盂”。

圖1 商代晚期獸面紋殘斝

通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，看似完整的“盂”，通體有6處人為干擾痕跡(圖2)。器底部的4處痕跡中有3處為等邊三角形，大小相等，分布均勻，正是對(duì)應(yīng)三足酒器的位置，器腹中間有一塊90 mm×35 mm的矩形焊接痕跡(圖3)，位置正對(duì)應(yīng)器腹內(nèi)部的銘文，器物口沿兩側(cè)的干擾痕跡也是對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)酒器口沿部的2枚柱頭的位置。由此可見，此件器物原本并不是一件“盂”，而是一件商代晚期獸面紋斝的改制品。

圖2 CT掃描影像

圖3 CT掃描影像下顯示出加刻的銘文

斝是盛酒行祼禮之器，又有稱其兼可溫酒。《禮記·明堂位》記：“灌尊，夏后氏以雞夷，殷以斝，周以黃目。”《周禮·春官·司尊彝》記：“秋嘗，冬蒸，祼用斝彝黃彝。”青銅斝最早見于二里頭文化晚期，流行于整個(gè)商代，直至西周早期，其中尤以商代晚期青銅斝的種類、造型最為豐富，鑄造工藝也最為精良。

通過(guò)CT影像觀測(cè)6處干擾痕跡的斷面與器身斷面完全吻合，口沿部位斷裂的碎片采用錫焊連接(圖4)。通過(guò)CT影像對(duì)器物密度分析可以看出6處干擾部位的密度與文物主體一致，新鑄的配件或其他老器物的殘片很難達(dá)到密度完全一致。再運(yùn)用X射線熒光法(X-ray fluorescence，XRF)對(duì)上述6處干擾痕跡與文物主體進(jìn)行了成分檢測(cè)，結(jié)果顯示6處干擾部分與主體的銅錫鉛的含量基本相同(表1)。綜合CT與XRF的檢測(cè)結(jié)果可見，這件青銅斝雖有多處改制，但改制部分并沒有添加非原器的后期增補(bǔ)材料。

圖4 青銅斝口沿部位斷裂的碎片采用錫焊連接

表1 XRF檢測(cè)6處干擾部分與器身銅錫鉛含量對(duì)比

再通過(guò)顯微鏡對(duì)器腹內(nèi)底部的銘文觀察發(fā)現(xiàn)，腹內(nèi)的銘文字口邊緣粗糙，筆畫底部不平整有明顯偽刻痕跡。

通過(guò)一系列觀測(cè)與分析的結(jié)論可以判斷，此件商晚期斝可能是因?yàn)槁裨嵩颍鐾習(xí)r三足與二柱殘缺嚴(yán)重，而舊時(shí)古董商人非但沒有進(jìn)行正確的修復(fù)，反而將其三足與兩枚柱頭的殘存全部切割與打磨掉。

“改制”文物一直是舊時(shí)古董行業(yè)的潛規(guī)則操作。古董行業(yè)在追求利益最大化的情況下，將殘缺的文物在無(wú)法修復(fù)的情況下進(jìn)行破壞性“改制”，其方法包括：切割、重組、拼湊、增加紋飾與文字等，屬于文物偽造的一種類型。

青銅器較大量偽造的出現(xiàn)始于宋代。北宋金石學(xué)興起，促進(jìn)了宮廷貴族、文人學(xué)者對(duì)古代青銅器與金文的研究，帶動(dòng)了青銅器收藏風(fēng)氣的興盛，青銅器買賣也就成為古董商人逐利之手段，偽造青銅器便應(yīng)運(yùn)而生。宋代趙希鵠《洞天清祿集》中有《古鐘鼎彝器辨》一節(jié)就有專門提到古銅器改制的方法，可見銅器作偽在宋代時(shí)已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)專門的技術(shù)。清乾隆以后，金石學(xué)的再次復(fù)興以及宮廷貴族的喜好，為青銅器收藏市場(chǎng)注入了強(qiáng)心劑。熱衷于金石學(xué)研究的學(xué)者們更是追捧帶銘文的青銅器，使得有銘青銅器的價(jià)值遠(yuǎn)高于無(wú)銘器。這一現(xiàn)象進(jìn)一步刺激了古董商與作偽者漁利之心，對(duì)于殘破或無(wú)銘的青銅器物他們往往會(huì)采取“真器改造”“真器刻偽銘”的作偽方法，以增加殘破之器的價(jià)值。

“真器改造”就是將真器加工、改造為不合定規(guī)的奇特形制。此類還有不同手法：有將真器主體添加部件，也有將真器破損部位切除減少的，更有將分屬幾件真器的殘件拼湊成一件，或在部分真器殘件上任意新鑄接上不符合器制的部件。

對(duì)于“真器作偽銘”，凡屬此種類型者多是在原來(lái)無(wú)銘的真器上偽制銘文，且常選擇容易鏨刻銘文的敞口器形，如鼎、簋、盤、匜之類。真器作偽銘不僅是技術(shù)活，還需作偽者掌握銘文字體、內(nèi)容以及銘文制作工藝等多項(xiàng)知識(shí)和技能。

此件商晚期“改制”斝正是晚清古董商采用“真器改造”和“真器作偽銘”這2種典型作偽手段結(jié)合的案例。由于此斝器形為鼓腹束頸，腹底不易鏨刻。作偽者不惜以破壞真器為代價(jià)，在器腹底部切下90 mm×35 mm的矩形銅片，待細(xì)心鏨刻完成銘文后再焊接回原處，繼而將焊接痕跡作色隱去。費(fèi)勁周折，都是為了使得這件偽器更具可信度。此“改制”斝正是研究這一時(shí)代中國(guó)傳統(tǒng)文物修復(fù)史的極有意義的實(shí)物證據(jù)。

2.2 修復(fù)方案制定

器物“病害”的原因雖已找到，但修復(fù)過(guò)程仍是一波三折。因原器三足二柱全部缺失，國(guó)內(nèi)出土雖有類似器型，但因體型比例、紋飾風(fēng)格差異太大而沒有找到適合缺失部分的尺寸依據(jù)。按照文物修復(fù)保護(hù)的原則，不能在沒有依據(jù)的情況下，對(duì)文物進(jìn)行盲目修復(fù)，不偽造文物的美學(xué)、概念以及物質(zhì)特征。因此在沒有依據(jù)的情況下，寧可暫時(shí)不修復(fù)。最終在機(jī)緣與努力下，原上海博物館青銅部主任周亞先生在日本神戶白鶴美術(shù)館找到了一件與上博殘斝形制幾乎一樣的完整器型——商代晚期獸面紋斝(圖5)。斝通高23 cm，口徑150 mm，腹徑180 mm，圓形，斂口，鼓腹，口上一對(duì)立柱，菌頂，腹一側(cè)有獸首鋬，三棱錐狀足。商代晚期足部鑄造采用封范技術(shù)，即這三足看似實(shí)心，實(shí)則是內(nèi)置懸范的中空金屬結(jié)構(gòu)。此件無(wú)論形體比例還是紋飾風(fēng)格都與上博此件殘斝極為接近，因此為修復(fù)提供了有力的依據(jù)。

圖5 日本白鶴美術(shù)館收藏的商晚期獸面紋斝

由于“改制”文物具有時(shí)代特殊性，因此在制定此件“改制”青銅器的修復(fù)方案時(shí)，嘗試盡可能地保留其具有研究?jī)r(jià)值的“改制”痕跡。要想做到這點(diǎn)就必須采取一系列不同于傳統(tǒng)修復(fù)的方法，這也是對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)“完美復(fù)原式”的青銅器修復(fù)方式的一些探索。

3 可拆卸式配缺結(jié)合3D打印的應(yīng)用

3.1 打印配缺

近年來(lái)，軟件及數(shù)字化工具的發(fā)展、打印精密機(jī)械設(shè)備的提高以及材料科學(xué)的研發(fā)，使得3D打印生成金屬技術(shù)在3D打印領(lǐng)域發(fā)展迅速，并已成為現(xiàn)代金屬配件制造的有效手段，在文物修復(fù)保護(hù)中也逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。目前主流的3D打印生成金屬技術(shù)的特性，對(duì)于此類殘損青銅器的修復(fù)可以起到很好的輔助作用，不過(guò)3D打印生成金屬的方法很多，不同的方法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。選擇與實(shí)際文物修復(fù)情況最切合的3D打印結(jié)合鑄造的方法，并將其融入到傳統(tǒng)文物修復(fù)流程中，使得文物修復(fù)和復(fù)制工作變得更為安全、精準(zhǔn)與有效。要做到在修復(fù)器物的同時(shí)，保留具有研究?jī)r(jià)值的“改制”痕跡。保留“改制”痕跡就意味著對(duì)文物本體的修復(fù)工作必須是不破壞原始痕跡的、可逆的。這是在最少干預(yù)性與展陳效果之間尋求一種平衡的方法。

根據(jù)材料與加工設(shè)備的不同，3D打印生成金屬技術(shù)上主要有兩大類：直接快速打印與間接快速鑄造。

直接快速打印，就是直接用金屬3D打印機(jī)打印出鑄件。一般采用選擇性激光熔融技術(shù)(selective laser melting，SLM)。SLM是通過(guò)激光器對(duì)金屬粉末直接進(jìn)行熱作用，使其完全融化再經(jīng)過(guò)冷卻成型的技術(shù)。該方法首先在預(yù)打印件操作面上鋪金屬粉末，控制激光束以打印件界面輪廓進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)完一層后下移工作臺(tái)然后重新鋪粉，逐層燒結(jié)，直至完成[2]。SLM技術(shù)為了更好地融化金屬需要使用金屬有較高吸收率的激光束，所以一般使用的是Nd-YAG激光器(1.064 μm)和光纖激光器(1.09 μm)等波長(zhǎng)較短的激光束。該方法工藝簡(jiǎn)單、快速，無(wú)需支撐。但其缺點(diǎn)是對(duì)于要求精細(xì)打印的青銅器紋飾而言顯然精度不夠；而且SLM對(duì)于熔融的金屬粉末的要求比較高，銅錫鉛三元合金的變化比例不易控制；基于SLM的成形機(jī)制，雖能在一定程度上改善激光成形件的致密度和表面光潔度，但因成形過(guò)程中粉末發(fā)生完全熔化/凝固，故在固液轉(zhuǎn)變過(guò)程中將出現(xiàn)明顯的收縮變形，致使成形打印件中積聚較大的熱應(yīng)力，并將在冷卻過(guò)程中得以釋放，造成成形打印件發(fā)生變形，甚至開裂的隱患[3]。

間接快速鑄造，是通過(guò)3D打印技術(shù)制作蠟?zāi)＿M(jìn)行數(shù)熔模鑄造，取代了傳統(tǒng)鑄造配缺時(shí)需要使用的石膏模、樹脂模等中間步驟，還可以避免傳統(tǒng)鑄造配缺中從塑形、翻模、注蠟以及鑄造等過(guò)程間出現(xiàn)的多次體量收縮而產(chǎn)生的成品誤差。在間接快速鑄造中，這系列收縮誤差可以輕松地通過(guò)計(jì)算機(jī)直接釋放比例后再直接進(jìn)行熔模鑄造，使得文物修復(fù)配缺更為精準(zhǔn)[4]。

“直接金屬打印”和“間接快速鑄造”的金相結(jié)構(gòu)也不盡相同，從金相結(jié)構(gòu)可以看出，間接快速鑄造與原來(lái)器物鑄造的金相更為接近。

根據(jù)此件“改制”文物的特性，綜合各項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)，最終采用間接快速鑄造的方法，通過(guò)3D打印技術(shù)打印蠟?zāi)＃龠M(jìn)行熔模鑄造配件。

首先通過(guò)藍(lán)光3D掃描獲取“改制”斝的精確立體三維數(shù)據(jù)(圖6)，根據(jù)日本白鶴美術(shù)館收藏的商晚期獸面紋斝的數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用SOLIDWORKS軟件對(duì)此件殘斝進(jìn)行三個(gè)中空足與二柱的數(shù)碼創(chuàng)建(圖7)。創(chuàng)建后的配件可以完美地模擬出器物的鑄造細(xì)節(jié)，數(shù)字化配件可以通過(guò)3D打印機(jī)直接輸出蠟?zāi)！Ｔ趥鹘y(tǒng)青銅器配缺修復(fù)的工序中，從泥模塑型到石膏翻模，再到石膏注蠟和最后失蠟鑄造，這幾個(gè)模型轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的收縮，尤其是注蠟的與鑄銅的收縮比例累計(jì)可高達(dá)10%。這就要求在傳統(tǒng)配缺修復(fù)的開始，就要將這樣的收縮比計(jì)算在內(nèi)，也就相當(dāng)于將原模型在制作過(guò)程中放大10%左右，這需要修復(fù)人員掌握足夠的經(jīng)驗(yàn)與技巧。現(xiàn)在通過(guò)計(jì)算機(jī)建模后直接輸出蠟?zāi)＃瑫r(shí)可以依據(jù)蠟?zāi)ｈT銅的收縮比將打印的蠟?zāi)＞_地等比放大，避免了傳統(tǒng)修復(fù)中模型材質(zhì)反復(fù)周轉(zhuǎn)的收縮誤差。此次采用的蠟?zāi)４蛴〖夹g(shù)是光固化LCD掩膜技術(shù)(LCD masking)，是利用LCD作為光固化光源的技術(shù)(圖8)。這是繼傳統(tǒng)的光敏樹脂選擇性固化打印(stereo lithography apparatus，SLA)和連續(xù)無(wú)分層液體界面提取技術(shù)(continuous liquid interface production technology，CLIP)等光固化成形技術(shù)后更進(jìn)一步的改良技術(shù)，其精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗材通用性強(qiáng)、打印成本低廉等優(yōu)點(diǎn)是面成形LCD掩膜技術(shù)最大的亮點(diǎn)。

圖6 3D掃描獲取“改制”斝的精確立體三維數(shù)據(jù)

圖7 利用軟件對(duì)此件殘斝進(jìn)行三足與二柱的數(shù)碼創(chuàng)建

圖8 面成形LCD掩膜技術(shù)打印的柱頭蠟?zāi)?/p>

3.2 無(wú)損裝配

通過(guò)建模等比放大2%蠟?zāi)＃谌勰Ｊ灧ㄨT造后收縮得以補(bǔ)償(圖9)，配件與器物殘缺部分完全吻合。在接下來(lái)安裝配件的過(guò)程中也首次嘗試了可拆卸釹磁鐵無(wú)損安裝的方法。釹磁鐵也稱釹鐵硼永磁材料，是以金屬間化合物Nd2Fe14B為基礎(chǔ)的永磁材料，主要成分為稀土元素釹(Nd)以及鐵(Fe)、硼(B)。在準(zhǔn)備安裝配缺的三條錐足與兩枚柱頭內(nèi)部用環(huán)氧樹脂粘接安裝第三代釹磁鐵。第三代永磁釹鐵硼是當(dāng)代磁體中性能最強(qiáng)的永磁體。此次修復(fù)在每條足里使用了20 mm(直徑)×5 mm(厚度)N35圓形釹鐵硼磁鐵，根據(jù)吸力公式(體積×密度×600倍=吸力)，每條腿上N35磁鐵可以吸附7 000 g左右的物件，而實(shí)際單足重量只有390 g。

圖9 3D打印的白模、蠟?zāi)：丸T件

在器腹外側(cè)底部三足對(duì)應(yīng)的位置粘接一片厚0.3 mm、直徑15 mm的薄鐵片，鐵片面積雖局部遮擋空心錐足斷面的部分中心，但對(duì)于重要的空心錐足斷口信息的保留沒有任何影響。同樣，在安裝柱頭的位置，配合柱頭連接面形狀的中心，粘接一片厚0.3 mm、長(zhǎng)8 mm、寬5 mm的薄鐵片。通過(guò)足內(nèi)以及柱頭中的強(qiáng)磁鐵，配缺件被牢固地吸附在器身上斷損的位置。其強(qiáng)大吸力可將原本質(zhì)量不重的空心足與柱頭配件牢固地吸附于器物，使安裝后的青銅斝可以穩(wěn)定站立，而附件又可隨時(shí)拆卸，快速還原成最初狀態(tài)(圖10～13)。雖然肉眼觀測(cè)磁力吸附牢固，不過(guò)出于文物安全考慮，在后期展陳時(shí)會(huì)在器物腹部下制作獨(dú)立的支撐架，承托器物重量，以消除因器身自重、斝足外撇的受力角度以及滑動(dòng)摩擦力等因素對(duì)文物造成的安全隱患。