3D 打印技術在古陶瓷修復配補過程中的應用研究

曹 鋒，毛小龍

(1.江西師范大學 科學技術學院，江西 南昌 330027；2.江西師范大學，江西 南昌 330022)

0 引言

中國擁有數千年的陶瓷燒造歷史，在漫長的歲月中先民留下了許多古陶瓷文物。這些古陶瓷文物是研究中國文化和傳統技藝的第一手資料，既有歷史價值、科學價值、藝術價值，又有收藏價值、研究價值和教育價值[1]。但是，許多古陶瓷文物由于受到盜墓者的非法盜挖、城市基建和自然災害等不同的損害，變得殘缺不全。2016 年12月，第一次全國可移動文物普查數據公報顯示，全國共有陶器2287469件，數量占文物總數3.57%；瓷器2252805 件，數量占比3.52%[2]。大部分古陶瓷文物急需專業人員進行搶救性修復。目前從事文物修復的專業人士不足1000 人，成熟的專業人士只有400 人左右[3]。加快修復人才培養促進了古陶瓷修復技術的發展，修復技術的發展是提高修復工作效率的有效途徑。

1 研究背景

最初古陶瓷的修復主要是為了器物能恢復使用功能，或者是由于文物收藏市場的需要。隨著人們對傳統文化認識程度的加深，古陶瓷修復開始學習西方系統的文物保護和修復理念，并逐漸形成了我國的文物保護系統?，F代古陶瓷修復流程可以分為：清洗、粘接、補配、打底、作色、作釉六個步驟[4]。其中，補配的技法很多，也是修復過程中耗時比較長的一項。所以，這一步驟是提高文物修復工作的關鍵所在。傳統的翻模修復技術，如石膏翻模，紅白打樣膏翻模等材料很容易殘留在文物表面，對文物造成二次傷害[5]。對于圖案精細復雜的器物進行翻模難以復制到理想的程度，修復需要時間很長，步驟繁瑣。

3D 掃描打印技術是當前國內外最熱門的研究項目，是研發、生產、教育、醫療等領域重要輔助工具[6]，在文物修復中的應用也越來越受到重視。用3D 掃描打印補缺相比于傳統翻模修復有著無損、快速、精確等優點。目前，3D 打印設備品種繁多，各種3D 打印設備的打印原理、打印材料和打印輸出的結果都不同。為此，需要對各種類型的3D 打印設備參與古陶瓷補缺進行具體分析。

2 應用于殘缺古陶瓷補缺的3D 打印技術類型

2.1 3D 掃描打印補缺

3D 掃描打印補缺就是利用手持三維掃描儀對古陶瓷殘片進行全方位的掃描得到原始數據。接著應用計算機軟件對原始數據進行加工處理，對數字化的古陶瓷殘片建模并進行虛擬拼合，建模虛擬補配。然后，通過3D 打印設備把虛擬補配件打印出實物補配件。最后，結合傳統修復紋樣的方法完成修復。目前，3D 打印輸出設備所用到技術主要有四類：FDM（熔融沉積技術）；SLA（立體平版印刷）；SLS（選擇性激光燒結）；LOM（分層實體制造）。四種類型的3D 打印設備輸出的結果各不相同，這就需要具體問題詳細分析。根據古陶瓷類別，選擇合適的技術類型來修復殘缺的古陶瓷。

2.1.1 基于FDM 打印技術的3D 打印補缺

FDM 為熔融沉積技術（Fused Deposition Modeling），是一種不依靠激光作為成型能源。其通過加熱熔化各種絲材，利用液化后絲材堆積成補配件的方法。打印用的絲材可以是工程塑料ABS、聚碳酸酯PC 等。FDM 技術優點：打印設備維護簡單，打印耗材成本低，在打印過程中無化學變化，無毒性且不產生異味、粉塵、噪音等污染。缺點：FDM 打印技術的3D 打印補配件精度不高，通常為0.2 mm—0.3 mm，且打印出的成品有明顯的3D 打印痕跡。比較適合結構相對簡單，不需要凹凸雕刻紋樣的古陶瓷補缺修復，對精度要求較高的、結構復雜的古陶瓷補缺，修復較少采用FDM 技術。

2.1.2 基于SLA 打印技術的3D 打印補缺

SLA 為立體平版印刷技術（Stereo lithography Appearance），是一種用特定波長與強度的激光聚焦到光敏樹脂材料，利用光能的化學和熱作用使液態樹脂材料光固化，使之按照由點到線、由線到面、由面到體的方式構成補配件的技術。

SLA 打印技術是3D 打印技術中精度最高的，精度可以達到0.001 μm，且打印的補配件表面也最光滑，加工速度快，能夠打印結構復雜，有凹凸紋理的補配件。不足之處：首先，打印用的光敏樹脂原料為液體，有一定毒性，打印過程中一定要做好安全防護工作；其次，打印好的補配件強度達不到真正陶瓷的強度，有一定的差距；最后，SLA 技術的設備成本、維護成本和材料成本都遠遠高于FDM 技術下的打印成本。因此，基于SLA 立體平版打印技術主要應用于結構復雜的文物修復領域。

2.1.3 基于SLS 打印技術的3D 打印補缺

SLS 為選擇性激光燒結技術（Selected Laser Sintering）。其成型原理是：在開始加工前，在工作平臺上鋪一層粉末狀打印材料，需要把充有氮氣的工作臺升溫，并保持在粉末材料的熔點以下。然后，激光束在計算機的控制下按照截面輪廓對實心部分粉末進行燒結，使粉末融化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結完成后，工作臺向下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，進行下一層燒結。依次循環，從而形成所打印的模型。SLS技術的優點：一是能生產較硬的模具；二是可以采用多種原料，包括如工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等；三是零件的構建時間短，可達到1in/h 高度。SLS 技術的缺點：加工成本高，加工室需要隔絕空氣，需要不斷地充氮氣；打印過程中產生的有毒氣體和粉塵污染環境，需要有效處理。該項技術應用于古陶瓷修復比較少。

2.1.4 基于LOM 打印技術的3D 打印補缺

LOM 技術全稱為分層實體制造法（Laminated Object Manufacturing）。它以片材（如紙片、塑料薄膜或復合材料）為原材料，使用激光為切割工具，根據虛擬補配件成型數據的橫截面輪廓線數據，切割出補配件的輪廓。接著送料進設備，把新的一層打印耗材用熱粘壓方法粘合，然后對其進行又一次切割。這樣一層層地切割、粘合，最終成為補配件。LOM 常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等。該技術的優點是工作可靠，模型支撐性好、成本低、效率高。缺點是前期和后期處理設備上殘留的打印材料很費時間，且不能制造中空結構件。所以，該項技術很少用于古陶瓷補缺。

2.2 實際補缺案例

根據以上四種3D打印技術的分析結果可以看出，適合于殘損古陶瓷補配件3D 打印的最優技術是FDM 打印技術和SLA 打印技術。

目前，江西省動漫創意與數字娛樂重點實驗室正在修復一批江西省博物館收藏的古陶瓷文物。這批文物存在各種狀況：有體積非常大的陶罐；也有破損特別嚴重的陶瓷器皿殘片。而且要求在短時間內修復十多件。遵循古陶瓷修復流程，筆者選用FDM 打印技術和SLA 立體平版打印技術對這批殘損古陶瓷進行補缺修復。

2.2.1 3D 掃描古陶瓷殘件

對清理整潔并完成編號后的古陶瓷文物碎片進行數字化信息采集。掃描前先貼好掃描標志點定位，為后期在軟件中處理三維掃描數據做參考。利用三維坐標測量儀和高精度三維激光掃描儀掃描古陶瓷碎片，得到虛擬三維數字圖像并存檔。掃描完成的文件信息需要經過預處理，比如文物的反光、噪點信息等。如果細節部分不完整，還需要進行二次掃描。值得注意的是，清理過程中需要重點清理碎片中的泥沙。掃描過程中也要避免古陶瓷文物碎片與掃描儀燈光直接接觸。圖1為手持三維激光掃描儀掃描古陶瓷碎片。掃描儀為SCAN 20? 三維掃描儀。

圖1 手持三維激光掃描儀掃描瓷碗碎片Fig.1 Scanning porcelain bowl fragments with hand-held 3D laser scanner

2.2.2 軟件虛擬修復

通過手持式3D 掃描儀得到數據進行處理，可以獲得高精度三維數據文件。對原始數據里的錯誤進行修復后得到.stl 文件。把該文件導入到3ds max 三維軟件，利用3ds max 三維軟件建模得到殘缺部分的三維模型，再在該軟件中里對古陶瓷文物碎片進行虛擬拼合。拼合的過程中，要注意原文物的厚度，厚度可以用在三維軟件中用“殼”工具完成。利用3ds max 軟件建模，得到虛擬補配件是古陶瓷文物碎片虛擬拼合和打印3D 實物補配件的關鍵。軟件后期輸出的格式為.stl 的高清數字文件，后續也用于3D 打印輸出。三維軟件常見的還有CINEMA 4D、Pro-E、Alias、UG、rhino等，都可以對.stl 格式文件進行操作，也可以用作虛擬修復。選取一種常見而且修復工作者又比較熟悉的三維軟件很重要。圖2 為虛擬修復拼合古陶瓷碎片。

圖2 虛擬修復拼合古陶瓷碎片Fig.2 Virtual restoration of ancient ceramic fragments

2.2.3 3D 打印補配件

運用基于FDM 打印技術的3D 打印補缺，打印用的線材選用工程塑料ABS。把.stl 文件導入3D打印設備，得到補配件的界面輪廓信息。由于加工過程是把熱塑性絲材熔化成半液態，從噴頭噴出0.127 mm 厚的輪廓，快速冷卻后只剩薄薄的一層。因此，當完成一層后，噴頭再在該層輪廓上面開始運動做第二層輪廓。如此循環，最終形成補配件。因為補配件是層層堆積而成。所以，打印的補配件表面有細小的“臺階效應”，不能做到完全光滑。在打印面積較大的補配件時，必須要有支撐支架托著還沒有完全成型的補配件。這一步很關鍵，否則沒有完全冷卻的補配件，容易塌陷變形，影響后期修復效果。

運用基于SLA 立體平版打印技術3D 打印補缺，打印材料選用環氧樹脂。它是光敏樹脂的一種，環氧氯丙烷與雙酚A 或多元醇的縮聚產物。光敏樹脂在激光的作用下，由液體變化成乳白色固體。由于運用SLA 技術制作模型的過程中激光高精度的點位掃描，可以精確到0.001 μm。所以，打印過程中文物的形態、表面的紋理區以及文物的銘文，都能被1∶1 地打印出來。打印的形態、紋理、色彩與原文物基本上沒有誤差[7]。SLA 打印技術繪圖作業也是類似FDM 打印技術，方法是使用層層堆砌打印。不過由于打印的精度高，不會產生3D 打印的“臺階效應”，打印補配件的過程中不需要做支撐效果就可以成型。圖3 為3D 打印實體補配件，3D 打印機為MakerBot Replicator+型。

圖3 3D 打印實體補配件Fig.3 3D printing actual accessories

2.2.4 古陶瓷補缺件的花紋修復

將3D打印好的補配件表面留下的打印紋路用水砂紙磨平，按照虛擬拼合的結果，用502 膠水或者AB 膠粘合古陶瓷殘片和打印的補配件。由于光敏樹脂3D 打印出來的補配件外壁厚度比較薄，材料的材質比較輕。所以，可在補配件的內壁均勻地鋪上一層石膏。外表面也要刷一層薄薄的石膏，接縫處如果有空隙一般也用石膏補齊。使用丙烯顏料、滑石粉、洛陽黃土、香灰、石英粉、瓷粉、清漆等材料進行作色，運用“貼”“擦”“點”等手法，畫出古陶瓷配件的表面花紋。由于使用SLA 立體平版打印技術3D 打印補缺件有凹凸紋理，只需要把花紋繪制出來。因為文中吉州窯樣品修復的案例存在較多的對稱結構，所以補配件參考了對稱面的紋路進行修復。使用FDM 打印技術的3D 打印補缺件，由于沒有凹凸紋理，修復原理與使用SLA 立體平版打印技術3D 打印的補缺件類似。圖4 為FDM 打印技術設備打印出的補配件。圖5 為SLA 技術設備打印出的補配件。圖6為修復完成后的古陶瓷文物。

圖4 FDM 打印技術設備打印出的補配件Fig.4 Accessories printed by FDM printing equipment

圖5 SLA 技術設備打印出的補配件Fig.5 Accessories printed by SLA printing equipment

圖6 修復完成后的古陶瓷文物Fig.6 Ancient ceramic relics after restoration

2.2.5 案例總結

筆者通過參與古陶瓷修復實例，在修復過程中總結了許多寶貴的經驗。在不破壞殘損古陶瓷文物的前提下，完成了修復任務，保證了文物的絕對安全。目前，3D 打印材料越來越豐富，陶瓷打印材料也已出現，如3D 彩繪技術。可通過軟件復原文物表面紋飾、3D 噴繪完成紋飾復原，進一步提高效率與精確程度。當然，3D 打印技術對古陶瓷文物進行修復固然非常重要，實際應用效果也非?？煽?。但是，文物保護修復工作人員還是不應徹底丟棄傳統修復技術。對于高端修復，有時候還是需要傳統修復技術的介入，二者缺一不可。

3 不同技術下3D 打印方法的比較梳理

3D 掃描打印技術廣泛應用于教育、醫療等行業，但是在古陶瓷修復中的運用還是新技術。筆者嘗試了多種3D 打印機械的操作，對不同器物的補缺修復方法做了一個梳理與比較（見表1），希望能對古陶瓷修復工作者提供有意義的參考。

表1 修復方法梳理表Tab.1 List of repair methods

4 結論

隨著計算機技術的飛速發展，很多行業步入智能化。利用3D 掃描打印技術修復古陶瓷文物正是計算機技術快速發展后產生的新技術。在古陶瓷文物的修復與保護技術不斷發展的今天，虛擬修復、3D 打印技術日益完善，對修復人員綜合素質的要求也越來越高。同時，通過網絡技術的結合，能夠消除古文物和遺址在時間和空間上的限制[8]。在今后文物的展示上也可以更加生動、逼真。相信3D 打印技術應用于古陶瓷文物修復是未來文物修復領域的發展方向。