在3D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復(fù)、復(fù)制文物的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

戴維康 卜衛(wèi)民 張珮琛 鄒 緣

（1.上海博物館，上海 200003；2.瑛諾三維上海科技有限公司，上海 200082）

近年來，3D打印技術(shù)使文物器身的修復(fù)效率大大提升，但文物上花紋與色彩的修復(fù)依然需要手繪完成，不但花費(fèi)大量時(shí)間，更受限于修復(fù)技師的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，難以把控修復(fù)效果。為了解決這個(gè)難題，我們設(shè)想將印刷行業(yè)中的水轉(zhuǎn)印技術(shù)引入到文物修復(fù)或復(fù)制中來。水轉(zhuǎn)印是一種用于不規(guī)則對象表面印刷的工藝，適用于金屬、玻璃、塑料和陶瓷等多種材質(zhì)，可直接出圖印刷，色彩還原度高。這種方法能夠輕松為3D打印物體添加需要的圖案或者顏色，可以改進(jìn)傳統(tǒng)文物修復(fù)、復(fù)制中手工上色的方法。瑛諾三維上海科技有限公司在3D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)十分成熟，經(jīng)過富有誠意的協(xié)商，上海博物館與該公司組建了數(shù)字化文物修復(fù)團(tuán)隊(duì)（后文簡稱“修復(fù)團(tuán)隊(duì)”），設(shè)計(jì)了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：分別是模擬瓷器開片釉紋理、模擬瓷器結(jié)晶釉的窯變特征、復(fù)制漢代“黑漆古”銅鏡，以此來論證在3D打印基礎(chǔ)上用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復(fù)或復(fù)制文物的可行性。下面介紹實(shí)驗(yàn)的具體情況及評估結(jié)果。

一、工藝流程

在3D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復(fù)或復(fù)制文物，工藝流程分為兩大步：第一步采用3D打印技術(shù)打印出所需修復(fù)文物的缺失部分或需要復(fù)制的文物基體，第二步在3D打印完成的基體上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)完成文物花紋、色彩的轉(zhuǎn)印。

（一）3D打印所需補(bǔ)件及復(fù)制件

1.3D打印所需儀器設(shè)備及材料

①ScanTech Prince 775雙色激光手持式三維掃描儀，在藍(lán)色激光模式下，供5束平行藍(lán)光，最高分辨率達(dá)0.02毫米。

②DWSXFAB 3500HD高精度下照式3D打印機(jī)，打印體積為140×140×180毫米，可使用包括陶瓷粉末在內(nèi)的多種打印材料。

③DWS Invicta的3D打印材料，性能參數(shù)：拉伸強(qiáng)度40MPa，表面硬度83Shore D，斷裂伸長9%，彎曲強(qiáng)度64MPa，彎曲模量1410MPa，拉伸模量1550MPa。

2.工藝流程

①用三維掃描儀掃描整件器物。

②使用MeshLab軟件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)模型修正完整。對于需修復(fù)器物，使用對稱鏡像功能和布爾運(yùn)算，獲得缺失部分信息，將該部分單獨(dú)保存，導(dǎo)出STL格式以備打印使用。

③使用3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

④用砂紙打磨打印件，使其表面平整光潔。

（二）利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)完成文物花紋、色彩的轉(zhuǎn)印

1.水轉(zhuǎn)印所需儀器設(shè)備及材料

①佳能5Ds全畫幅數(shù)碼相機(jī)及100毫米微距鏡頭。

②Epson Surecolor P9580大畫幅噴墨打印機(jī)，分辨率2400×1200dpi。

③艾笛森噴墨透明底水轉(zhuǎn)印紙MQ-201，尺寸210×297毫米。

2.工藝流程

①用高清數(shù)碼相機(jī)拍攝所需圖案。

②使用Photoshop軟件進(jìn)行色彩校正、圖案修正，并調(diào)整至合適尺寸。

③使用高精度噴墨打印機(jī)在水轉(zhuǎn)印紙上打印圖像，再剪切至合適尺寸。

④將水轉(zhuǎn)印紙浸泡于水中，待基紙與轉(zhuǎn)印膜分離后，謹(jǐn)慎拉開基紙，使轉(zhuǎn)印膜附著于3D打印件上。水轉(zhuǎn)印操作要求環(huán)境溫度為22～38℃，轉(zhuǎn)印物表面溫度22～32℃，水溫度22～35℃。

⑤從水中取出貼好轉(zhuǎn)印膜的3D打印件，經(jīng)熱干燥后再噴涂Golden Polymer Varnish UVLS（光漆）保護(hù)。

二、實(shí)驗(yàn)論證

文物修復(fù)強(qiáng)調(diào)顏色接近，質(zhì)感逼真，以及肉眼難以分辨修補(bǔ)部位。修復(fù)開片釉、結(jié)晶釉瓷器和復(fù)制“黑漆古”青銅器是文物修復(fù)、復(fù)制中的三個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)的方法是手繪模擬瓷器開片釉的紋理、結(jié)晶釉的窯變特征和銅鏡“黑漆古”的質(zhì)感，憑借的是修復(fù)師多年的經(jīng)驗(yàn)與手感。我們用以下三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，來論證是否可以在3D打印基礎(chǔ)上借助水轉(zhuǎn)印技術(shù)為修復(fù)師提供新的修復(fù)手段。

1.實(shí)驗(yàn)一：模擬瓷器開片釉紋理

樣品為一件現(xiàn)代仿宋哥窯貫耳瓶，其一側(cè)貫耳缺失，需修補(bǔ)。樣品上的“金絲鐵線”開片釉是修復(fù)難點(diǎn)。我國的《文物修復(fù)師國家職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)》將掌握開片紋描繪視為古陶瓷修復(fù)的最高標(biāo)準(zhǔn)之一。這種冰裂紋生成于高溫窯爐中，視覺上呈現(xiàn)大小交錯(cuò)、方向隨機(jī)的開片效果。傳統(tǒng)的修復(fù)方法通常采用小號狼毫勾線筆蘸取顏料勾線繪出其開片紋理，需要保證線條挺直，紋路自然，且略帶暈散，體現(xiàn)出濃淡變化，對修復(fù)師要求極高，如果技術(shù)不嫻熟，則可能出現(xiàn)線條僵直、紋理死板、開片不真實(shí)的情況。

本實(shí)驗(yàn)對樣品缺失貫耳進(jìn)行了修復(fù)，過程如下（圖一）：①采用3D打印技術(shù)打印貫耳補(bǔ)件；②用高清數(shù)碼相機(jī)拍攝貫耳瓶身細(xì)部，截取部分開片圖案，并進(jìn)行色彩校正、圖案校正；③用噴槍對3D打印的貫耳補(bǔ)件進(jìn)行上色處理，處理方法及顏料與傳統(tǒng)古陶瓷修復(fù)方法一致，不再贅述；④將開片釉的紋理圖樣打印在水轉(zhuǎn)印紙上；⑤在水中將轉(zhuǎn)印膜從基紙上揭下，敷在補(bǔ)件上，干燥后在補(bǔ)件表面噴涂一層光漆保護(hù)；⑥將完成水轉(zhuǎn)印及上光釉的貫耳補(bǔ)件粘接在原器物上。

圖一 實(shí)驗(yàn)一：模擬瓷器開片釉紋理的修復(fù)

以肉眼觀察，補(bǔ)件底色、開片樣式及釉色質(zhì)感與原器物高度接近，證明采用水轉(zhuǎn)印技術(shù)輔助陶瓷文物修復(fù)上色可以模擬開片釉效果。

2.實(shí)驗(yàn)二：模擬瓷器結(jié)晶釉的窯變特征

樣品為一件宋代當(dāng)陽峪窯黑釉盞，其口沿至腹部有一處略呈梯形的缺失。這種黑釉瓷在燒制過程中其表面釉層結(jié)晶，形成了釉色與紋理變化多樣的窯變特征，傳統(tǒng)手工修復(fù)的難點(diǎn)是模仿具有動(dòng)感的結(jié)晶釉面及多樣的窯變色彩。通常使用噴槍制作黑釉底色及釉的質(zhì)感，然后采用豬鬃等硬毛畫筆以彈射手法匹配顏料，再用毛筆添加細(xì)節(jié)使整體自然和諧，富有動(dòng)感。修復(fù)效果取決于修復(fù)師的上色經(jīng)驗(yàn)，考驗(yàn)其對細(xì)節(jié)的描繪與整體質(zhì)感的把握。

本實(shí)驗(yàn)對樣本缺失部分進(jìn)行了修復(fù)，其工藝流程基本與實(shí)驗(yàn)一相似（圖二）。以肉眼觀察，采用水轉(zhuǎn)印技術(shù)模擬結(jié)晶釉的窯變特征效果較好，可以提高工作效率及上色準(zhǔn)確性。

圖二 實(shí)驗(yàn)二：宋代當(dāng)陽峪窯黑釉盞的修復(fù)

3.實(shí)驗(yàn)三：漢代“黑漆古”銅鏡的復(fù)制

“黑漆古”銅鏡表面漆黑發(fā)亮，具有光滑晶瑩的玉質(zhì)感。這類銅鏡在制作時(shí)采用特殊的磨拋工藝，改變了鏡面表層的晶體排布，加之經(jīng)過數(shù)千年的地下埋藏，鏡體與腐殖酸相互作用，形成致密、有光澤的特殊表面。要復(fù)制出漢代銅鏡上的“黑漆古”效果具有相當(dāng)?shù)碾y度。傳統(tǒng)復(fù)制工藝中，此類銅鏡用高錫配比青銅鑄造，并通過化學(xué)浸泡的作色方法模擬器物光澤。此法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，復(fù)制成本較高。而在修復(fù)破損銅鏡時(shí)則大多采取手工上色的方法來模擬“黑漆古”的質(zhì)地。

本實(shí)驗(yàn)對一面館藏漢代銅鏡進(jìn)行了復(fù)制，其流程與前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)類似，按照三維掃描數(shù)據(jù)經(jīng)3D打印出鏡體，再將采集的鏡面色彩輸出于水轉(zhuǎn)印紙上，待轉(zhuǎn)印膜與基紙?jiān)谒蟹蛛x后，將轉(zhuǎn)印膜貼敷于鏡體表面，用刮板排出轉(zhuǎn)印膜下的水分，干燥后噴涂保護(hù)層，以提高附著牢度。肉眼觀察水轉(zhuǎn)印技術(shù)模擬的“黑漆古”效果逼真自然。

三、綜合評估

上述三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，將水轉(zhuǎn)印技術(shù)應(yīng)用于文物修復(fù)和復(fù)制中可取得良好的視覺效果。

為了檢驗(yàn)修復(fù)效果，我們又使用視頻顯微儀和色差儀對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了檢測。

2.創(chuàng)新型教師應(yīng)樹立新型理念 放棄制度性權(quán)威，建立專業(yè)性權(quán)威，要有高尚的人格魅力、過硬的專業(yè)本領(lǐng)、精湛的教學(xué)藝術(shù)，用良好的道德形象影響學(xué)生，用知識的力量征服學(xué)生，用情感的力量打動(dòng)學(xué)生，做到人格生產(chǎn)與知識生產(chǎn)相結(jié)合做，做學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展的促進(jìn)者，做學(xué)生健康成長的引路人，成為與學(xué)生積極互動(dòng)、共同發(fā)展進(jìn)步的協(xié)作者，最終達(dá)到教學(xué)相長

（一）視頻顯微儀檢測

1.檢測儀器：KEYENCE基恩士數(shù)碼顯微系統(tǒng)VHX-5000,VH-Z100R（20～200倍）鏡頭。

2.檢測結(jié)果

①對實(shí)驗(yàn)一樣本進(jìn)行顯微檢測。在20、50倍率顯微鏡下，原器體與修復(fù)區(qū)的差別較為明顯：原器體開片處寬窄不一，深淺不同，并伴隨大量氣泡（圖三，1、3）；修復(fù)區(qū)水轉(zhuǎn)印噴墨打印產(chǎn)生的色點(diǎn)明顯（圖三，2、4）。

②對實(shí)驗(yàn)二樣本進(jìn)行顯微檢測。在50倍率顯微鏡下，受限于噴嘴的數(shù)量與大小，修復(fù)區(qū)顏色呈現(xiàn)4色疊加，點(diǎn)狀噴墨效果突出（圖三，6），與原器體（圖三，5）相比呈色差異較大。

圖三 原器體與修復(fù)區(qū)的微觀比較

（二）色差儀檢測

1.檢測儀器：美能達(dá)分光測色儀CM-700D。

2.檢測結(jié)果

表一中的△E數(shù)值越大則表示色差越明顯。青白色區(qū)域△E數(shù)值為1.4，黑色、黃色區(qū)域則比較高，分別為4.89、5.1。實(shí)驗(yàn)一樣品修復(fù)區(qū)的青白色是在水轉(zhuǎn)印貼敷前經(jīng)修復(fù)師手工調(diào)色后噴繪完成的，而實(shí)驗(yàn)二樣品修復(fù)區(qū)的黑色與黃色是經(jīng)打印機(jī)輸出的顏色，受電腦調(diào)色時(shí)屏幕色彩還原及打印油墨的影響較大，相比較而言，人工調(diào)色的準(zhǔn)確性更高。

表一 各實(shí)驗(yàn)樣品色差分析表

另外，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了基于材料與流程局限的幾點(diǎn)不足：

1.轉(zhuǎn)印膜難以在不規(guī)則形狀上良好貼敷，其邊緣處的貼敷易起皺、重疊或破損，故樣品一貫耳補(bǔ)件內(nèi)部難以實(shí)施貼敷工藝，因此容易產(chǎn)生裸露底色的現(xiàn)象。針對此缺陷，浙江大學(xué)周昆教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了轉(zhuǎn)印膜貼敷新工藝，如果能夠應(yīng)用在文物修復(fù)與復(fù)制中，或許能有所改進(jìn)。

2.通常轉(zhuǎn)印膜貼敷后會(huì)再噴涂光漆層或保護(hù)層，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)印膜表面強(qiáng)度，并且防水。修復(fù)材料Golden Polymer Varnish UVLS（光漆）是常用的陶瓷上光層，可增強(qiáng)修復(fù)部位的陶瓷質(zhì)感與亮度。遺憾的是，光漆對轉(zhuǎn)印膜的色彩有一定影響，通常會(huì)使顏色變暗。如實(shí)驗(yàn)二中黑釉盞補(bǔ)件的外壁暗色區(qū)域顏色變深，細(xì)節(jié)缺失。

經(jīng)過綜合評估，以上在3D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復(fù)、復(fù)制文物的三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，雖然在視頻顯微儀下噴墨打印的色點(diǎn)明顯，色差儀檢測結(jié)果證明顏色校準(zhǔn)并未優(yōu)于手工調(diào)色，上光釉對轉(zhuǎn)印膜顏色的影響存在不確定性，但是修復(fù)后的視覺效果良好，完全能夠滿足博物館陳列對文物修復(fù)的要求。通過此次實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)為，在3D打印基礎(chǔ)上結(jié)合水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復(fù)、復(fù)制文物的方法成功率高且視覺效果佳，為瓷器開片釉、結(jié)晶釉的修復(fù)和“黑漆古”青銅器的復(fù)制提供了新思路，解決了瓷器修復(fù)及青銅器復(fù)制的部分難題，而其操作方法容易掌握，可以為窯址出土的大批量同類型器物的修復(fù)帶來便捷，因此在考古發(fā)掘及博物館的文物保護(hù)應(yīng)用中具有現(xiàn)實(shí)意義。

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