传统文物修复、复制与3D打印技术新材料的结合应用

商鑫龙

摘要：3D打印技术起源于美国，其随着计算机处理系统升级、信息产业革命的推进以及新材料的广泛应用，而获得突飞猛进的成长并逐渐走进公众视野。现在3D打印技术已经成为零部件制造和现代模型模具制造等领域的龙头技术，其基于计算机叠层技术和材料累加技术实现制作对象的快速成形，具备不受模型复杂程度影响和数字化控制的优势。

关键词：传统文物复制、修复;3D打印技术;新材料的结合应用

引言：在信息技术高度发达的当下，3D打印技术已在多个不同的领域展现了其所具备的高效与便捷性，并且由于3D打印技术带有的非接触性扫描的工作性能，使其适应了文物保护修复任务的精确性与细致性。文物作为古人智慧的结晶，存在时间久远，材质易受损害，导致修复保护工作停滞不前。3D打印技术通过“个性化定制”和“无实物接触”的方式在修复文物的同时避免了二次损害。

●   3D打印技术的工作原理及特点

（一）3D打印技术进行文物修复的工作原理

3D打印技术最早出现于上个世纪90年代的美国，本质上是综合运用了光固化和纸层叠等技术完成模拟对象的快速成形。后期随着信息技术革命的开展，计算机处理系统不断完善，3D打印技术与计算机控制系统相融合实现了从图像到三维立体模型的构建。3D打印技术中所运用的材料不同于传统的打印机，其主要包括工程塑料、树脂材料和石膏粉末等物质，统称为新材料。3D打印机是由控制、机械组件、打印头、新材料和介质等组成的。在打印机与电脑连接后，通过在电脑控制端扫描输入模型图纸，再将新材料层层叠加最终形成模型的复制。在电脑前端设计三维立体图形再分层打印输出的工作模式，有助于保证复制工作的精确性。在文物复制工作中，工作人员先采用三维扫描仪对文物表面进行扫描以得到准确的三维数据，同时三维扫描仪所使用的是与自然光强度相似对文物表面色彩影响小的白光扫描仪。在数据测量完毕后，结果会自动上传到电脑端的矢量建模软件中。工作人员事先在软件中编写好计算公式，当数据上传成功后，计算机将进行分析计算把所需的数据等比例进行放大或缩小，方便满足使用需求进行3D打印。最后由于其所使用的材料的特殊性导致不同技术和材料具备各自不同的建模速度、模型强度、外观分辨率以及细节的精细程度，并相差甚远。所以工作人员要依据实际需要对其进行选择，完成从数据蓝图到立体模型的转变。

（二）3D打印技术的特点

第一点，3D打印技术具有个性化定制的特点。与传统打印机最主要的不同之处在于，3D打印机所使用的材料具有特殊性，包括工程塑料、树脂等工业原料，所以其能够满足立体建模的需要。在利用3D打印机进行文物的修复与复制工作时，要先对破损文物开展全面的扫描，将涉及到的各项数据如文物材质、长宽高等精准测量并录入到与打印机相连的计算机控制系统中。针对文物相关信息的复杂程度的不同，工作人员扫描所用的时间也有所不同。通常情况下，高度为20厘米的陶瓷罐大致需要10分钟。计算机中的建模系统根据测量数据进行计算处理，同样依据工作人员对结果精确性需求的不同，处理时间也有差异，一般情况下数据精确度在0.3毫米需要10到20分钟。由此得出的三维数据是矢量的，即建模的大小可以进行等比例的缩放。CAD建模对打印机要求比较低可以兼容多种类型，如常见的光敏树脂也称液化打印、粉末化打印和丝化打印。液化打印是将液体材料利用激光进行固化，特点是精确度高、坚固性强，可以进行打磨抛光。后者则是通过数字化的图形信息不断增加材料而建模，其特点是增材制造可塑性强、成本较低，但也存在着建模的牢固性和精确性不足的问题。据上述所列，工作人员在实际应用中从使用材料、成本、大小、建模的复杂性、精确度和牢固性等几个角度考量完成个性化定制。

第二点，3D打印技术在开展文物的复制与修复工作时主要采用无实物接触扫描的方式。文物作为前人智慧的结晶，承载着大量的历史人文信息，对于考古工作的推进有深远影响。由于文物本身所具有的宝贵的文化价值以及历史久远所导致的材料的脆弱性，对在保护文物的前提下收集相关三维数据提出了更高的要求。传统的打印机进行文件扫描时，需要将文件放置于打印机制定的扫描屏幕上，而3D打印机已经配备了可移动的扫描仪并实现远程的立体扫描，即利用3D打印技术扫描时其激光可以穿过物体本身构建立体数据库，同时无需与实物相接触，避免了为进行扫描而移动文物所造成的二次损坏。除此之外，3D打印技术主要是采用白光扫描仪。因为文物修复工作的特殊性导致其只能在室内进行，受室内光线等因素的影响，传统打印机在扫描后会出现文物颜色失真严重现象频发。白光扫描仪的光谱与自然光相似，所以利用白光扫描得到的结果与原物最为相近，精确度更高。同时传统打印机的扫描光谱以蓝光为主，其带有一定的辐射性。在对如古代书籍、字画等纸质文物进行复制和修复工作时，极易导致文物因受到过度辐射而造成二次受损。3D打印技术使用白色光谱因与自然光的亮度和辐射强度相似，所以对纸质文物的二次损害风险最小。综上，3D打印技术因具有无实物接触的特性使其能够兼顾文物的修复与保护。

第三点，3D打印技术基于逆向工程进行CAD建模。与传统的打印技术相比，其先进性和高效性主要体现在把所需的加工材料直接堆积逐层累加而快速地得到目标物，所以节省了大量的中间步骤，实现制作工期的缩短和能源损耗降低的目的。在开展文物复制与修复工作时，由于具体情况下的需求不同，采用逆向工程即根据实物获得数据模型进行反求的过程。包括两大步骤：信息采集以及模型建立。為保护所要扫描的文物，信息的采集工作依靠力、光、电、磁等物理手段推进。其中物体几何信息的收集主要是通过力和光的接触，来构建空间坐标系，然后将获得的文物的相关信息标注在坐标系中，形成由几何信息构建的实体模型。使用最为广泛的建模软件是CAD建模软件对于结构较为简单的物体可以直接建立模型。逆向工程的主要步骤包括以下几点，以器的复制为例。首先，在初步扫描完成后利用计算机控制系统进行几何结构的分析和器的底稿上传工作。通过对几何物体的分析得知该瓷器为轴对称的旋转体结构，所以为简化数据收集工作只需要对其的侧面曲线、高度、厚度建立模型即可。接下来利用CAD软件中的“SKETCH”功能查看上传的底稿，即瓷器的前视图片。同时输入之前得到的数据，如瓷器的高度、厚度等，调整坐标系至前视图，修改设置为“含材料颜色”。把文物移动到坐标系的对称轴上，完成模型树Printing 1的构建。之后，建立几何模型。根据上传的底稿可以通过曲线拟合获得瓷器的轮廓，虽在数据的精度上仍有一定的上升空间，但是其扫描建模的效率得到很大程度上的提升。选定模型树PRODUCE1制作零部件，绘制建模的曲线草图，将得到的草图进行360度旋转并依据厚度抽壳完成整个模型的构件。最后进行模型的处理以及外观渲染工序。工作人员利用上述的坐标系导出瓷器各项具体的细小数据信息着重处理。如打磨、作旧、抛光、上色。为还原和增加复制品的视觉效果，还应同时开展模型渲染工序。点击进入CAD软件的产品基本结构实时渲染功能，增设点光源、定点光源和聚光源等。综上所述，逆向工程适应了文物修复工作精细化处理的需要，在色彩、细节等方面基本实现一比一的复原。

●   3D打印技术在文物保护工作中的应用

（一）技术应用前景

3D打印技术与传统工艺相比，把加工材料依据形状的不同分为粉末、线性和面型;依据材料不同分为金属、非金属无机材料和塑料材料等，这就省略了很多中间步骤，缩短所需的工期，减少能源损耗，降低技术的门槛需求。现代化的信息技术在文物修复工作中的運用，体现在对文物进行三维激光扫描得到文物的具体点集后，上传到计算机终端的控制系统上进行信息过滤和建模。目前，3D打印技术主要用于古建筑、石窟、古书籍字画扫描构建，完成数据的储存为接下来各项工作的推进奠定基础。3D打印技术的应用前景主要体现在以下几个方面：第一点，考古现场文物几何模型细节上的全真保存。考古现场环境较为复杂，同时空间跨度较大并且以大量的几何物体信息为主，囊括了从细小颗粒物到巨型古建筑等。使用3D打印实现了根据具体的需求将文物放大或缩小，然后打印出文物的几何模型。第二点，快速复制考古现场的文物。传统的打印技术对于部分体积较小的文物可以实现复制展览，但是对于一些体积较大并且易碎的文物如古代家具、瓷器、文书等，参观者无法近距离进行观赏。在使用3D打印技术后，只需要选择塑料材质的复制品就可以实现搬运、展示和近距离接触。第三点，考古现场文物的永久保存。由于考古现场环境较为复杂，人流量大产生的氧气和二氧化碳等对长时间保存在地下密封环境中的文物有一定的影响，可能导致其褪色、风化。同时考古现场的自然环境与埋藏时的环境相比已经有很大的变化，风力、温度、光照等因素都是使文物频发二次损害的主要原因。除此之外，文物都是出产年代久远的物品，在开挖或民间传递的过程中将不断老化，材质的损耗程度有较大的差异。使用3D打印技术建立虚拟模型的方式，由于所使用的材料是金属、非金属无极材质和塑料材质等，其强度较高可以实现文物全部信息的保留，为日后研究工作的进一步开展提供信息数据支持。综上所述，随着3D打印数据的成熟，利用计算机技术完成考古现场文物虚拟模型的构建和信息化储存，进而对模型开展管理和应用将成为可能，因此具有广阔的发展前景 。

（二）技术难点

使用3D打印技术采集文物数据信息进行虚拟模型的建立的一般流程为：建立虚拟模型、处理虚拟模型和虚拟模型的打印三个步骤。建立虚拟模型的时间占据总流程的90%，因此模型的数据处理是一个极为复杂的过程。剩余的全部时间都分配给模型的打印工作。根据扫描对象的几何特点的不同，现今应用快速建模技术主要分为：大尺寸文物、三维曲度文物和二维文物建模三大类。在大尺寸建模类型中主要以古建筑物、洞窟和地下墓群虚拟模型的构件为主，具有一定的难度和挑战性。但当建筑物属于简单几何体时可以直接利用CAD软件进行构建，随后组装为一个整体。在三维曲度文物建模中，主要采用扫描手臂完成激光扫描的工作，现今应用最为广泛的是美国FARO公司出品的扫描手臂和奥地利RIEGL公司出品的三维扫描激光仪。两者可以用于从汽车到硬币等不同大小的物品的三维扫描，也可以用于饰品、家具、车马、建筑等文物的扫描。在二维文物的建模中，主要是针对如纺织品、书籍字画、壁画、石窟雕塑等二维文物的扫描储存。利用的技术包括摄影技术和扫描技术。

文物的3D打印技术基本上是通过计算机控制系统端的指令全自动进行，所以进行文物复制的时间与3D打印机的工作效率紧密相关。现在需要攻克的技术难关集中于代码的生成与转换和3D打印具体实施阶段。前者是利用CAD软件中保存好的文物信息文件转换为打印机识别的STL、STP等格式，但是由于文物的体积以及材质等的广泛性，数据库中现有的信息在实际操作过程中难以满足新出土类型文物的需要，导致在代码的转换中容易出现乱码、无法识别的问题。对此应通过专业的软件如REPLICATION对文物从高度、材质、厚度等方面进行自动切片保存，在数据库中开展对比工作，帮助工作人员尽快识别新材料，借助相似程度较高的材质进行分析实验形成新的代码，随后转化为打印机可以识别的代码类型。最后还可以估计打印时间，保存到专门的储存卡中备用，完善文物修复中的方面的具体信息。后者则是在完成代码的转换后，把储存卡插入到计算机上进行数据的读取。3D打印机自动开展底板的加热功能，为模型的出品奠定基础。但是在实际操作中，由于打印机的长期使用而导致加热功能不稳定时常发生。对此，工作人员应通过长期的工作和计算机数据库信息的不断完善，对文物打印所需的温度和时间有一个大致的了解，并在建模的过程中实时观测温度变化，一般情况下基本控制在110℃左右即可，其中加热喷嘴的温度可以略高达到220℃左右最为适宜。在解决这两大难题后，将有助于3D打印技术的进一步推广和文物保护的顺利进行。

●   利用3D打印技术进行文物复制

以带盖黑陶罐的复制为例，应按照三维数据的高精度获取，利用三维软件进行建模和三维数据成果输出，完成3D打印三个步骤逐步推进。首先，复制一件历史久远并且工艺较为复杂的带盖黑陶罐之前，需要其具体的三维数据，主要通过三维扫描仪进行收集。白光扫描仪对带盖黑陶罐的外形轮廓线进行初步扫描，由于其呈现出轴对称的特点，所以只需要采集到一部分，并在数据上传后把带盖黑陶罐的虚拟模型移动到坐标系的中心轴上，旋转360度后即可得到原物的轮廓前视图底稿。接下来工作人员导出扫描出的标的物的细节信息，标记到坐标系中得到完成的虚拟模型。然后根据所得到的三维数据，通过数据的矢量性进行相应比例的放大或缩小。对于本次复制工作中对带盖黑陶罐的需求仅进行一比一的还原即可，并且因为只需要对陶器的外形进行复制，为了节约成本投入、缩短工期、降低能耗，原材采用材质较轻的光敏树脂最为合适，还原了带盖黑陶罐外形壁较薄的特点。同时为了增加复制品的真实性和质感，要在复制品的内部均匀铺设一层石膏，使其的壁厚和重量增加。粉末化材质的牢固性与强度皆不如光敏树脂耐用性好，不符合带盖黑陶罐纹饰和细节的复制标准。在复制品初步完成后，应进行复制品的补色和细节方面的打磨、抛光。在白色复制品的表面涂上一层混合黄土、香灰和含有一定水分的白胶组成的调和液。在混合液半干后用湿布擦去混合液残留在其表面的黄色，但纹饰缝隙上已经保存了干涸的黄色涂料，呈现出“尘土”的形态及颜色。直至调和液完全干透后，再在整个复制品上喷涂按照带盖黑陶罐本身颜色所调的深色染料。最后等到第二次喷涂的深色染料也干透后，用如尖头竹刀等器具剔除掉纹饰表面的黑色染料。由于底下已有一定量的含有附着力不强的白胶黏附的黄土调和物，导致其很容易就复原出与泥土相似的颜色。为保护带盖黑陶罐不受复杂自然环境的影响，所以对其的三维扫描主要在室内进行，导致复制品扫出的颜色与原物相比有差别，失真现象频发。同时带盖黑陶罐本身的纹路较为复杂，三维扫描对带盖黑陶罐表面颜色的调整和控制所需的技术要求较高，通常情况下不容易打印出理想的效果。所以在光敏树脂打印中采用白色材料并在模型初建后，用传统的手绘工艺还原带盖黑陶罐的原有成色以及用土沁的方式，进行作旧复原其历史风貌。此时和原件仔细对比，在大致的外貌形态、层次感和斑驳感等方面已和原件达到了真假难辨的程度。一件长达几千年的历史文物就这样栩栩如生地展现在观赏者的面前。

●   总结

3D打印技术以其“个性化定制”和“无实物接触扫描”的工作原理适应了文物修复与复制工作的需要，在修复文物的同时有效避免了二次损害的发生，已经作为一项成熟的修复手段得到广泛应用。与传统的修复手段相比，具有高效、精准、无损害的优势，能够在不同的需求下自主进行选择，对于现代工业技术而言具有跨时代的意义。

（作者单位：安徽徽博文物修复研究所有限公司）

参考文献

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（2）黄婷婷，新技术和新材料在建筑设计中的应用分析[J]，建筑工程技术与设计，2018，000（009）：1031;

（3）饶媛兰，纸质文物保护修复的传统方式与现代技术[J]，遗产与保护研究，2018，003（010）：39—41。