3D打印技術(shù)在古代早期陶器復(fù)制中的應(yīng)用

卜衛(wèi)民

摘要：隨著3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷發(fā)展與普及，越來越多的博物館和文物修復(fù)人員嘗試將3D打印技術(shù)融入到傳統(tǒng)的文物修復(fù)中去。本文主要圍繞新石器時期的陶器復(fù)制工作，從文物信息的采集到文物實體的修復(fù)復(fù)制，討論3D打印技術(shù)在操作中的具體應(yīng)用及其優(yōu)劣。文章主要運用的研究方法是比較法與復(fù)原實驗的方法。3D掃描的非接觸式采集文物信息的特點，杜絕了傳統(tǒng)接觸式采集復(fù)制文物信息而帶來的二次損害風(fēng)險。3D打印逐漸融入到傳統(tǒng)文物修復(fù)方案的制定與實施中，使其可以適應(yīng)多材質(zhì)文物的不同需求，更好的提升了傳統(tǒng)文物修復(fù)的效率。

關(guān)鍵詞：3D打印;文物修復(fù);復(fù)制

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0128-03

因為大多文物具有不可再生性與較高的歷史價值，還會伴隨著易損性、不穩(wěn)定性等因素。所以每一位文物工作者在與文物接觸時，保證文物的絕對安全是首要條件。3D打印技術(shù)的非接觸性取樣是文物修復(fù)團隊最為重視的特點之一。3D打印技術(shù)可以在不損傷文物的前提下，通過三維掃描儀收集詳細的文物數(shù)據(jù)。并且，電子測量后的處理數(shù)據(jù)速度快，具有很高的精準度。三維掃描技術(shù)得到的數(shù)據(jù)容性較好，可以在最快時間內(nèi)高效完成復(fù)制文物的前期準備工作。

1 文物保護與博物館展示對于3D打印技術(shù)的需求

1.1 我國文物復(fù)制的條款與文物資源利用保護

《中華人民共和國文物保護實施條例》，第四十六條明確指出“復(fù)制、拍攝、拓印館藏文物，不得對館藏文物造成損害”。所以我國的法律就要求文物修復(fù)工作者要運用更多高新技術(shù)手段，在保證文物絕對安全的前提下完成復(fù)制工作。在科技不斷發(fā)展、全球化進程加快的今天，復(fù)制和傳播已經(jīng)成為一種趨勢。我國博物館有著豐富的館藏，但是由于展廳面積的限制，導(dǎo)致我國目前展出的文物數(shù)量有限，而目前即使通過出版畫冊也不能有效地解決此問題^[1]。我國目前破損文物較多，博物館修復(fù)人才的缺乏導(dǎo)致修復(fù)與復(fù)制的效率難以快速提升。根據(jù)“全國館藏文物腐蝕損失調(diào)查”顯示，目前我國3200余座國有博物館中，有近50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害，重度以上腐蝕的館藏文物達230多萬件，占被腐蝕文物的16.5%^[2]。3D打印技術(shù)能將文物的三維形象放在博物館的官方網(wǎng)站上進行虛擬展示，觀眾可以360度觀察器物及其細節(jié)，這勢必會促進社會各界對于文物的研究、利用和創(chuàng)新。

3D打印技術(shù)較好地保存了文物的細節(jié)信息，所以采集信息完畢后可以在任何時間復(fù)制文物。2017年，IS武裝分子在敘利亞地區(qū)破壞了眾多博物館與遺址，文物被毀、丟失，流入黑市者不計其數(shù)。為了譴責(zé)IS恐怖組織的暴行，由歐美高校與博物館合資組建的數(shù)碼考古學(xué)研究所（IDA），用全球最大3D打印機復(fù)制了敘利亞貝爾神廟的拱門并在英國與美國的廣場上公開展出。而國家文物局在發(fā)布《第一次全國可移動文物普查工作報告》后，也希望社會各界能夠激活中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的生命力和影響力，促進文物資源活起來。所以3D打印技術(shù)在文物復(fù)制中的應(yīng)用，也能發(fā)揮現(xiàn)代科技在傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的獨特作用。

1.2 實驗室修復(fù)前的數(shù)據(jù)采集與制定修復(fù)方案

受到考古工地的空間與發(fā)掘時間的限制，一些出土的密封器物可能會轉(zhuǎn)移到實驗室中進行開啟、記錄與研究。所以借助于CT掃描技術(shù)考古人員就已經(jīng)預(yù)先知道內(nèi)部的器物狀態(tài)，并且可以利用3D打印預(yù)先打印出來進行觀察，這為下一步的實驗考古提供了依據(jù)。在上海博物館考古部對于青龍鎮(zhèn)遺址的考古發(fā)掘中，實驗室通過對隆平寺塔基地宮出土的套函進行CT掃描，就已經(jīng)知道內(nèi)部的器物的疊壓關(guān)系，并且用建模的技術(shù)將佛珠底部的銀質(zhì)蓮花進行了還原。這樣我們就可以根據(jù)掃描的狀況實現(xiàn)制定文物修復(fù)的保護方案。因為獲取了三維數(shù)據(jù)，就可以對文物缺失的部分進行還原、填充與補缺。

2 博物館對于3D打印技術(shù)與復(fù)制品的展示

2.1 對于珍貴文物與稀缺文物的必要復(fù)制

博物館為了展覽的完整性或教育效果，會在展覽中展出一些文物的復(fù)制品。但為了避免混淆觀眾對于文物真?zhèn)蔚囊暵牐┪镳^要使用盡可能接近原始器物的復(fù)制品，并且在展品的名牌上還要進行標注。一些文物的原件出于文物保護要求的考慮，藏起存放于文物庫房進行妥善保管。中國國家博物館收藏的后母戊大方鼎出于樓層承重的考慮采用復(fù)制品展示，但是由于精細地復(fù)制所以在幾十年間沒有影響展示效果。地方博物館的很多文物都被調(diào)撥給了中國國家博物館，但是有些文物對于敘述一個地方的歷史至關(guān)重要的，例如云南石寨山出土的滇王金印。所以對于調(diào)撥至中國國家博物館的地方珍貴文物，需要利用3D打印技術(shù)復(fù)制一件復(fù)制品在當?shù)氐牟┪镳^進行展示。

在展覽中需要相關(guān)文物進行教育展示時，可以借助3D打印技術(shù)以其產(chǎn)品難以分辨的外觀、感受解決這一問題。過去的展示方式在展示大型建筑、遺址的微縮模型時，都是采取了藝術(shù)化的處理效果，很多能體現(xiàn)真實感的細節(jié)都在模型的制作中被人為地剔除了。所以3D打印可以將大型的建筑、遺址等比縮小進行展示，能給觀眾帶來豐富的觀展體驗。而陶器對保管、展示條件有一定要求。早期陶器的燒造溫度一般是在600度左右，在某些文化中的燒造溫度可達900度。而瓷器的燒造溫度在120以上才能發(fā)生瓷化反映，所以瓷器的質(zhì)地較為堅硬，而一些陶器上的彩繪很容易在長時間的照射下褪色，這給文物保護工作帶來了新的問題。

2.2 對于考古發(fā)掘過程與修復(fù)過程的展示

在揚州舉辦的《蕭后冠實驗室考古與保護成果展》上，就展出了蕭后冠原尺寸3D打印樹脂模型。這個模型能清晰地辨認出蕭后冠與放置在一起的器物，可以告訴觀眾蕭后冠在最初發(fā)現(xiàn)時的原始狀況。所以3D打印技術(shù)可以將一些動態(tài)的過程實體化，這樣以實體的模型展示代替了傳統(tǒng)的圖片展示，能讓觀眾獲得更為直觀的感受。

3D打印技術(shù)修復(fù)文物的過程也可以用展覽的形式表現(xiàn)，這樣可以提高觀眾文物保護的意識，增加對于科學(xué)文物修復(fù)的理解。傳統(tǒng)的手工一般是直接在文物上翻模，對于不適于翻模的文物則采用粘土塑形復(fù)制，這一過程在展示上比較單一，就是展示模具與復(fù)制品。但是我們在展覽中可以把實驗室搬入展廳，把設(shè)備、材料與制作過程都進行展示，這樣展品更為多元，也滿足了觀眾的好奇心。2013年，陜西歷史博物館舉辦了《巧手良醫(yī)——陜西歷史博物館文物保護修復(fù)工作展》。在這次展覽上一批高科技的設(shè)備得以展示，并且展覽中文物修復(fù)工作者將館藏文物金怪獸通過3D打印技術(shù)耗時15個小時制作出來進行展示，和文物原件幾乎完全一致的效果讓觀眾難辨真假。

3 基于3D打印技術(shù)對崧澤遺址陶豆的復(fù)制

3.1 文物狀態(tài)分析與定位粘紙的使用

上海博物館文物修復(fù)研究團隊曾為上海崧澤遺址博物館進行一批早期陶器的復(fù)制工作。崧澤古文化遺址是新石器時代遺址，距今約5000-6000年。由于博物館需要這批器物籌備新的展覽，文物修復(fù)團隊需要在短時間內(nèi)完成復(fù)制10多件陶器的復(fù)制工作。這批陶器的形制與尺寸較為多元，有直徑約50多公分的陶鼎，還伴隨上次修復(fù)產(chǎn)生的新的不穩(wěn)定性;還有的陶器胎體較薄，并且其密度的分布并不均勻。這些問題為使用傳統(tǒng)復(fù)制技術(shù)帶來了一定的困難。因此復(fù)制團隊嘗試了使用3D打印技術(shù)進行復(fù)制文物的工作，本文以灰陶鏤空紋豆（圖1）為例來敘述復(fù)制過程中的幾個關(guān)鍵的步驟。

在對灰陶鏤空紋豆進行取樣的過程中，除了貼一些定位粘紙以外，文物修復(fù)團隊幾乎在取樣的過程中不接觸器物，做到了與文物最少接觸的修復(fù)原則。這些定位貼紙主要附著在陶豆的盤與束腰部位，在邊緣外側(cè)與底部也有附著。定位粘紙的粘度較低，并且還可以有效地避開彩繪、裂痕等部分，容易摘取對陶器表面基本沒有損傷與損害。圖1就是本次修復(fù)中定位粘紙的具體粘貼位置。

3.2 陶豆三維數(shù)據(jù)的采集與三維圖像的制作

文物復(fù)制工作最重要的是文物的安全，因此有關(guān)文物的數(shù)據(jù)采集都應(yīng)該在博物館完成，不應(yīng)搬運文物。所以如果相關(guān)設(shè)備是第三方提供，首先應(yīng)該保證文物數(shù)據(jù)采集在博物館完成，其次簽訂文物信息保密協(xié)議不得外傳。因此通過以下固定式3D掃描儀、及數(shù)據(jù)采集板，我們可以獲得具體的文物信息。文物復(fù)制團隊主要利用采集工具及圖像測量軟件，對于灰陶鏤空紋豆的三維數(shù)據(jù)信息進行采集。

進行3D打印的前提是盡可能多地獲取器物的高精度三維數(shù)據(jù)，文物修復(fù)團隊對于文物的測繪要達到正負一毫米的精度。數(shù)據(jù)的采集主要依靠三維掃描儀來實現(xiàn)，為了保證對于陶器表面的最小干預(yù)，我們選擇了與自然光最為接近的白光掃描儀。在光柵條紋持續(xù)1 0分鐘投影到灰陶鏤空紋豆表面后，借助兩個高分辨率CCD數(shù)碼相機對光柵干涉條紋進行拍照。這樣器物表面的三維坐標點集就被有效地收集，獲得了這件器物的點云（Point Cloud）。

數(shù)據(jù)采集輸入電腦后通過后臺數(shù)據(jù)處理，文物復(fù)制團隊可以獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，并通過CAD軟件可以進一步完善數(shù)據(jù)直接生成三維圖像（圖2）。部分誤差需要由人工進行檢測問題，以便后期高精度的圖像輸出。3D數(shù)字建模技術(shù)獲得數(shù)據(jù)易于修改與調(diào)整，都是通過軟件中的工具完成。這樣可以保證文物絕對安全的情況下，進行文物復(fù)制的精準輸出?；诟呔?D掃描儀取型，后期軟件再修改的基礎(chǔ)上，我們獲得極為精確的文物體量數(shù)據(jù)，包括一些細節(jié)信息。雖然電腦對于顏色的輸出還不能完全符合器物的真實顏色，但將來一旦攻克應(yīng)該能更普及更適用于文物復(fù)制工作。

3.3 復(fù)制陶豆白模與復(fù)制品修正

獲取灰陶鏤空陶豆的數(shù)字信息后，再通過熔融沉積成型技術(shù)（FDM）進行打印輸出。熔融沉積成型技術(shù)利用高溫將光敏樹脂材料融化成液態(tài)，通過打印頭按照數(shù)字建模擠出后冷卻固化。光敏樹脂成型后顏色為白色，質(zhì)量較輕，與原物有一定差距。后期文物復(fù)制團隊通過灌注石膏等方法使兩者重量接近，并可獲得較好的完整度。獲取灰陶鏤空陶豆白模后，我們先進行基礎(chǔ)打磨，使用水砂紙打磨至光滑，消除所有3D打印造成的紋樣，并根據(jù)原物進行查遺補漏工作，將外型修整一致（圖3）。

外型修整工作完成后，復(fù)制團隊使用石膏、丙烯顏料、Jade 403無酸白乳膠、HMG Paraloid 72、滑石粉、煙灰、黃土等材料進行作色工作，先用石膏敷至內(nèi)部，使3D打印復(fù)制品的質(zhì)量與真品接近。之后作色步驟分為底色制作、運用乳膠的快速干燥性混合黃土煙灰等，便可制作出較有質(zhì)感的底色。通過丙烯顏料與滑石粉組合精確繪制細節(jié)顏色，最后使用Araldite為基材調(diào)和顏色，通過“點”、“擦”、“剝離”等手法，做出陶器表面的機理和質(zhì)感，使真品與復(fù)制品的顏色質(zhì)感逐漸接近，根據(jù)經(jīng)驗再調(diào)整顏色最終完成灰陶鏤空陶豆的復(fù)制工作（圖4）。

3.4 3D打印技術(shù)在陶器復(fù)制中仍需解決的問題

目前3D打印技術(shù)在文物修復(fù)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了一定的運用。例如：三維重建和3D打印在兵馬俑修復(fù)中的應(yīng)用，對兵馬俑各碎片的點云數(shù)據(jù)建立三維模型后制造多套復(fù)制品探索拼接方法^[3]。并且有很多碩博士對3D打印技術(shù)進行了理論上的探討，例如對于3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物復(fù)制的可行性進行研究^[4]，還有面向館藏文物的三維數(shù)據(jù)獲取及可視化研究等^[5]。可見3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物保護、復(fù)制、修復(fù)逐漸走向成熟，隨著理論、實驗的大量積累成為文物工作的常用設(shè)備與技術(shù)。但是3D打印技術(shù)在陶器復(fù)制中仍有兩個問題需要科技人員解決

首先，對于一些陶器上的淺浮雕與一些精細的痕跡無法做到高精度的復(fù)制。文物復(fù)制要求最大限度地還原文物的真實情況。早期的陶器大多是慢輪制作或是手工制作，其表面留有很多手工制作的痕跡。由于古代陶器可能存在多次使用的狀況，所以一些陶器上的起伏較為微妙，這給3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)復(fù)制手法帶來了一定的困難。例如在后期景德鎮(zhèn)的窖址中，我們就可以看到工匠制造匣缽的指紋，當然這種情況在早期的陶器中也有發(fā)狐所以隨著光學(xué)拍照定位技術(shù)的不斷發(fā)展與激光打印液態(tài)樹脂的固化精度不斷提高，相信文物本身的諸多細微的細節(jié)也能夠得到進一步關(guān)注。尤其是擁有精細紋樣的青銅器，在底材堅固的銅器表面進行傳統(tǒng)翻制，對文物的影響基本可控，因此我們可以查閱我館老前輩的翻模模具，這體現(xiàn)了翻模工藝的精準、精巧與巧妙，也是工匠精神的最好詮釋，在不久的將來，待3D打印技術(shù)再進一步發(fā)展，可能這些精美的模具再也不會產(chǎn)生。

第二，目前可使用的打印材料限于光敏樹脂、銅、錫、鈦等材料，對于陶土類的文物殘缺還不能用類似材質(zhì)進行打印。目前傳統(tǒng)方法對于器物復(fù)制遵循的思路，就是按照模擬原始模具與工序重新實踐器物的制造過程。所以傳統(tǒng)手法對于陶器的復(fù)制往往是采取翻模的手法，即打樣稿、制作石膏與硅橡膠等對文物直接取樣（在有保護層的基礎(chǔ)之上），接著在翻模結(jié)束后進行復(fù)制。這樣運用傳統(tǒng)器物復(fù)制技術(shù)就可以使用同一種介質(zhì)去復(fù)制并做舊，這樣更接近文物的真是材質(zhì)。但是3D打印在陶器文物的復(fù)制中只能獲得一個表面。美國紐約大學(xué)藝術(shù)史教授喬迅的《魅惑的表面：明清的玩好之物》一書中，指出人們從文物的“表面資源”中獲得了愉悅并由此產(chǎn)生人們精神與身體的互動 。所以說只要是3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)復(fù)制技術(shù)對于表面的細節(jié)、彩繪進行很好的結(jié)合，這一技術(shù)難關(guān)可以綜合兩種手法進行處理。

第三，3D打印是通過逐層疊加的方式獲得立體的模型，而每一層的打印針頭釋放液體的劑量很少，1厘米的厚度高度可能需要兩個半小時的打印時間。所以在3D打印的過程中，不能受到任何外力的干擾，否則的話一次間斷可能使液體固化而影響最終打印的效果。而傳統(tǒng)的工藝基本上不受到時間的限制，但是復(fù)制技藝的習(xí)得需要時間，而且不能快速地被他人學(xué)習(xí)，所以傳統(tǒng)文物修復(fù)技藝的傳承容易中斷，但是3D打印技術(shù)可以培養(yǎng)更多的人掌握這項技術(shù)。

4 結(jié)論

筆者通過一項復(fù)制實例闡述了3D打印技術(shù)對于文物復(fù)制的重要性，該項技術(shù)的良好應(yīng)用使得文物修復(fù)團隊在“零”接觸文物的前提下，完成了灰陶鏤空陶豆的復(fù)制工作?；谖覈奈锉Ｗo條例，我們的復(fù)制工作必須在絕對安全條件下進行，所以3D打印技術(shù)的發(fā)展、推進、應(yīng)用于文物復(fù)制、修復(fù)領(lǐng)域是必須推進的工作，需要更多博物館修復(fù)團隊在保障文物絕對安全的前提下進行更多的實驗與研究。但傳統(tǒng)復(fù)制技術(shù)并不應(yīng)該被科技淘汰。3D打印技術(shù)的復(fù)制能力尚不能應(yīng)用于精細文物，而傳統(tǒng)技術(shù)能夠在非常穩(wěn)定的文物上進行精細復(fù)制。所以在積極接納新技術(shù)的同時，可將傳統(tǒng)復(fù)制技術(shù)作為非物質(zhì)文化繼續(xù)傳承。

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