3D打印技术在北宋越窑青釉执壶保护修复中的应用

杨 蕴

（上海博物馆文物保护科技中心，上海 200231）

在古陶瓷修复工作中，常常会面临器物破损的病害情况，根据传统的古陶瓷修复方法，会利用文物对称的特点，在文物本体上利用打样膏、石膏、硅橡胶等材料进行翻模，由于这些材料会直接接触文物表面，在操作过程中可能会对文物本体造成一定的二次损伤，而且翻模形成的文物补配件需要进行打磨调整，也增加了修复的工作量。如今3D扫描打印技术广泛应用于文物的修复当中，包括瓷器文物[1、2]、青铜文物[3]等等。该技术可以通过对文物的非接触性扫描，将文物本身进行数据化的存储，并通过后期处理，进行文物缺损处的配件打印，打印出的补缺配件与原器物吻合，这大大提高了修复的安全性以及修复中的工作效率。

本文通过文物的基本信息、保护修复方案设计、保护修复实施等几个方面，结合3D扫描打印技术与传统修复技法对该件北宋越窑青釉执壶进行保护修复，恢复文物的风貌，回归文物的稳定状态，为后期研究与展陈奠定基础。

一、文物的基本信息

这件北宋执壶出土于上海青龙镇遗址，青龙镇遗址位于上海青浦区的白鹤镇，是唐宋时期重要的市镇和对外贸易港口遗址。据古文献记载其是吴淞江的出海口，也是海上丝绸之路的重要港口。青龙镇遗址经过2010年、2012年、2015年三次发掘，出土大量贸易陶瓷。当年部分商品因为种种原因被遗弃于地下，导致有大量的瓷器聚集于此。这件北宋越窑执壶正是2012年发掘出土的。它和其他几千件可复原的来自江西、浙江、福建、湖南等窑口的瓷器和无数碎瓷片共同见证着青龙镇曾经繁华的陶瓷贸易。（图1）

图1 修复前的越窑青釉执壶图

这件青釉执壶为北宋越窑系。高18cm，口径9.5cm，足径7.6cm。圆唇，喇叭口，长颈，溜肩，鼓腹，圈足挖足较浅，外底有泥条痕。圆形曲流，带状鋬。胎质灰白致密坚硬。釉色青绿，局部泛黄。肩有两周玄纹，贴对称印花双耳。模印阳文。腹部刻六等分竖线棱双线纹。里杜湖窑址出土有相似的器物。此件执壶具有典型的北宋越窑的工艺特征，代表了当时较高的越窑执壶制作水平。

此执壶埋藏的环境是饱水、中性或弱酸性的土壤。文物挖掘后保存的环境是考古临时库房，因库房无金属器恒温、恒湿保护装置与措施，环境控制完全处于一种纯自然形式的原生状态，温湿度变化较大。

该执壶出土时主要病害特征为：缺损，其中口沿缺损约三分之一，带状鋬缺损，圆形曲流缺损，病害情况见图2。

图2 越窑青釉执壶病害图

拿到此件待修执壶后先对胎釉成分进行分析，检测方法：采用 TN SPECTRACE公司QuanX型能量色散荧光光谱仪和EDAX 公司Eagle III型能量色散荧光光谱仪进行无损的成分分析。检测条件：元素Na、P低真空状态下测试；元素K～U大气状态下测试。检测结果：其釉成分符合高钙（CaO）、高磷（P2O5），低钾（K2O）的特征，胎土显现了南方青瓷低铝（Al2O3）、高硅（SiO2）、高钛（TiO2）的特点。（表1）

表1 青龙镇出土越窑青釉执壶胎釉化学组成 %

二、文物的保护修复方案设计

该执壶破损较为严重，流和鋬缺失，破坏了器物的完整性，影响收藏、陈列、研究价值。传统的翻模补配方法有可能造成二次损坏。执壶本身的流是空心的，且该执壶的流几乎完全缺失，因此使用常规的翻模配补或塑形方法做出空心的流，步骤较复杂，费时费力。其次在通过前期对该执壶的观察中发现，该执壶与库房中另一件执壶几乎相同，仅大小不一，这为流与鋬的造型提供了可靠的依据。3D扫描技术可以在不接触文物的情况下得到文物的完整三维信息，所以在技术上选择更加便捷的3D打印技术来补配。明确思路之后对此执壶制定修复方案；需进行清洗、补配、上色，恢复器形的完整性与器物颜色的统一性。满足陈列展览的要求。修复方案要秉承保护修复原则：不改变文物原状原则、最小干预原则、可再处理原则等。保护修复目标：去除瓷器表面附着物，对已有病害进行处理，恢复瓷器结构完整，使文物表面的颜色与质感达到博物馆陈列的要求，满足文物在长期保存、陈列展示等相关研究的需要。

以下是这件越窑青釉执壶的保护修复路线图（图3）。

图3 越窑青釉执壶保护修复技术路线图

三、文物保护修复的操作

（一）清洗

对这件执壶实施修复，第一步先进行表面清理，使用棉签蘸取阴离子表面活性剂在器物表面滚动擦拭，去除表面杂质污垢，擦拭时要注意及时更换棉球，避免二次污染。第二步对于和瓷器结合紧密、机械方法无法清理完全的硬质结壳、污垢等，借助蒸汽清洗机及超声波清洗机软化后机械清理。第三步使用去离子水清洗干净，将清理后的瓷片置于50℃干燥箱中干燥处理。

（二）3D打印技术与文物修复

在表面污染物清理干净之后，使用EAscan-D设备对文物进行3D扫描处理（图4），贴点之后扫描时间约为30到40分钟（不包括预热时间）。由于破损较为严重，且没有与原器物完全吻合的相同器形，所以去库房挑选了相同器形但体积大于原器物的同款式的完整器北宋执壶先进行整器的扫描（图5），两个壶比较相近，所以都扫描完成之后，用完整壶的数据和缺失壶的数据做布尔运算（做一个减差），得到图6灰色部分的差（缺失部分），缺口是完全匹配的。同时完成了对此件执壶的数据收集存档工作。

图4 北宋越窑青釉执壶残缺器

图5 越窑青釉执壶完整器

图6 补缺部分模型

在完成数据建模之后，就是打印材料的选择，在初步比较后，暂定陶瓷粉末打印材料和VisiJet Crystal坚硬透明塑料，VisiJet Crystal坚硬透明塑料为医疗应用材料，具有理想的耐用性和稳定性，且现在的精度可达到16μm—32μm，陶瓷粉末打印材料虽然在质地上较接近陶瓷类文物，但打印纹理粗糙、分层明显、精度达不到理想要求，而且坚硬脆性易碎，柔韧性不够，同时由于打印原理为陶瓷粉末和粘结剂粉末组合打印，所以存在收缩率，最终打印成品与实际会存在误差。因为文物的珍贵性，所以选择高精度设备和材料打印，最后使用16μm高精度高耐老化的VisiJet Crystal坚硬透明塑料作为3D打印材料，美国3D systems projet 3510 HD plus 3D作为打印设备，确保补配的材料在精度、硬度、柔韧性、耐老化等各方面达到此件执壶修复要求。配件打印时间约为60到90分钟。

图7 3D打印材料对原器物缺损处的粘接

（三）3D扫描件的粘接与作色

3D打印配件与执壶的断面吻合严实，大小形状与原器物相互匹配，达到了文物修复配件的要求。接下来选用爱牢达2020环氧树脂粘接剂对补配材料与原器物缺损处进行粘接，用无水乙醇擦去多余的粘接剂后，利用胶带纸捆绑做临时固定，并在固化后进行调整，恢复器物造型的完整性。

作色环节主要分为以下5个步骤：调色处理、底色处理、过渡层处理、细节处理、上釉色处理。该文物是典型的越窑青瓷，青中泛黄，所以先用硝基漆调配出符合该器物的颜色，并与原器形进行颜色的比对，直至颜色与原器物接近。利用喷笔对补缺部分进行喷绘，确保颜色均匀，并完全覆盖补配区域。为使得补缺区域与原器物之间在颜色上过渡自然，在原有的调色基础上加入上光釉并进行颜色的微调，形成一种半透明的青釉色，并用喷笔对接缝部分进行喷绘，使得修复颜色与原器物相互匹配，并呈现过渡自然的效果。在显微照片中可观察得出原器物表面具有白色、灰色等细小的颗粒，因此采用弹色的方法进行细节的处理以符合器物本身的肌理状态。最后为调整修复区域的光泽度调配仿釉层，最终恢复了执壶整体造型、色泽的完整性。（图8）

图8 外观协调处理操作细节图

四、后期储存与养护建议

针对修复后执壶的保存环境提出相关建议：由于材料性质和陶瓷器文物本身特点，建议环境光照强度应控制在 300勒克斯（Lux）以内，避免接触紫外光。温度为15～25℃，相对湿度在40%～50%，温度波动为±5℃左右。条件允许的情况下，建议使用空气过滤设备，减少灰尘。

五、3D打印技术的总结和展望

该越窑青釉执壶修复采用3D扫描打印技术。与以往手工塑形补配相比有新的突破，在没有相同大小完整器形作为数据参照的前提下，利用同样类型不同大小的器形进行扫描和数据处理，并根据要求模拟出了与原器物同等大小的持壶模型数据，并在这个基础上与原器物进行的扫描数据进行对比分析，计算出了缺损区域的大小形状，打印出3D补配材料。同时在3D打印材料上面进行了材质的筛选，满足文物保护修复的要求。最后运用传统的修复方法使得破损的器物得到有效的保护修复，满足了保护修复的要求。修复完成的越窑青釉执壶见图9 。

图9 修复完成后的越窑青釉执壶

本次修复的成功经验有以下几点：

第一：采用3D扫描打印技术应用于古陶瓷的修复之中，整个扫描过程不直接接触文物，安全可控，对壶的流这类空心的配件，3D打印比塑形翻模更为便捷快速，提高了修复的效率。

第二：在3D扫描的过程中，采用不同大小同类器形的器物进行数据化建模来达到原器物相同的数据模型，这种处理方法对相同情况的修复具有一定的参考意义。

第三：传统修复与3D扫描打印技术的结合，并提供了一个具有一定借鉴意义的修复案例。

第四：由于陶瓷粉末打印技术的不成熟，使得最后选择的补配材料依旧是树脂类材料。在未来的3D打印技术的发展中，陶瓷打印技术的发展与精度的提高将极大程度影响未来陶瓷器修复的材料选择，以瓷质材料补缺破损瓷器文物的理想方式将成为可能并常态化。