3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用研究進展

許小龍　李成凱　邵漠宇　鄧星　趙陽陽　鄒偉

摘 要：由于3D打印與逆向工程技術(shù)在保護文物時具有快速、較高精度和不會產(chǎn)生二次損害等優(yōu)點，該技術(shù)在文物保護工作中的重要地位日趨顯露。通過梳理近幾年國內(nèi)外3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護應(yīng)用研究的相關(guān)文獻，對理論研究、應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問題做一綜述。目前，3D打印與逆向工程技術(shù)已逐漸被應(yīng)用于文物修復(fù)以及文物復(fù)制方面，盡管存在一定的局限性，但已取得一定進展，以期為后續(xù)研究者提供新的思路。

關(guān)鍵詞：逆向工程;3D打印;文物保護

0 引言

文物是歷史的見證、文明的果實，具有極大研究價值，而文物在見證歷史的同時也遭受著自然及人為因素的破壞。2002年，國家文物局啟動了全國館藏文物腐蝕損失調(diào)查項目，根據(jù)調(diào)查①顯示，我國有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230多萬件，占被腐蝕文物的16.5%，由此可見文物保護工作刻不容緩。常見的文物保護方法有修復(fù)和復(fù)制兩種，而采用傳統(tǒng)文物保護方法，不可避免地會與文物直接接觸而有可能造成二次損害。然而，《中華人民共和國文物保護實施條例》第四十六條明確提出復(fù)制、拍攝、拓印館藏文物，“不得對館藏文物造成損害”，因此文物保護工作急需創(chuàng)新工藝。

3D打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過疊層成形的方式來制造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)具有快速、靈活及適應(yīng)性強等特點，近年來受到業(yè)界廣泛關(guān)注，在機械、運輸交通、醫(yī)學(xué)、通信、建筑和考古等行業(yè)得到應(yīng)用。逆向工程②是產(chǎn)品設(shè)計制造技術(shù)中的一種先進技術(shù)，主要是通過一定方式將已有的實物轉(zhuǎn)化為數(shù)字化CAD模型，進而開發(fā)出更先進的同類產(chǎn)品。3D打印所需的三維數(shù)字模型可以通過逆向工程技術(shù)常采用的設(shè)備—無接觸式的三維掃描儀獲得，期間與所復(fù)制或修復(fù)的物品無直接接觸，這一工藝在文物保護中是非常重要的。同時，采用該技術(shù)還可降低文物修復(fù)難度，提高文物修復(fù)精度和工作效率。因此，3D打印與逆向工程技術(shù)為文物保護工作提供了新思路。

將3D打印與逆向工程技術(shù)應(yīng)用于文物保護工作，不僅具有創(chuàng)新意義還具有極大的應(yīng)用價值。本文綜述了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用研究進展。

1 3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用現(xiàn)狀

大力推行文物保護是為了最大限度延長文物壽命，真實全面地保留其歷史信息并發(fā)揮文物價值。在文物保護方面，采用3D打印技術(shù)對文物無損保護這一特點突破了傳統(tǒng)翻模復(fù)制的限制，這將是文物保護歷史上新的篇章。

1.1 理論研究

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對3D打印在文物保護中的應(yīng)用進行了理論上的研究及實踐探索。張曉青③等闡述了3D打印技術(shù)良好的發(fā)展趨勢，從政策可行性和技術(shù)可行性兩個方面論證了3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物復(fù)制的可行性，并利用3D打印技術(shù)復(fù)制出了古籍。Neumüller④等提出利用3D打印可以控制文物的形狀大小，使之更適合人手的大小，從而實現(xiàn)多感官的教育學(xué)習(xí)，尤其是利用觸覺進行學(xué)習(xí)，同時也為那些視覺障礙者提供了學(xué)習(xí)途徑。牛世鑫⑤等分析了現(xiàn)代設(shè)計中仿古建筑的特點，從高精度復(fù)原等方面介紹了3D打印技術(shù)在仿古建筑中應(yīng)用的巨大優(yōu)勢，同時也提出了3D打印成本高的這一現(xiàn)實問題。在陶器復(fù)制中，楊蘊①等通過分析3D打印技術(shù)復(fù)制陶器的主要過程，分析了液化打印、粉末打印兩種3D打印方法的優(yōu)缺點，最后證明3D打印技術(shù)由于無接觸式復(fù)制以及高精度的特點在文物保護領(lǐng)域是具有跨時代的意義，這肯定了3D打印在文物保護中應(yīng)用的價值。史寧昌②等通過介紹3D打印的工作原理及在文物保護中應(yīng)用的技術(shù)路線，從文物復(fù)制、文物碎片拼接和殘缺文物修復(fù)三個角度出發(fā)對3D打印在文物保護中的應(yīng)用展開了初期理論探討，同時也發(fā)現(xiàn)還存在材料限制、色彩單一等問題。郭歡磊③等從三維數(shù)字模型的獲得和處理的角度論證了3D打印及逆向工程技術(shù)在文物保護中應(yīng)用的可行性。

綜上所述，許多學(xué)者從各個角度探討了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，從理論及實踐上證明了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護中的重要性。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

在理論研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外許多學(xué)者開始嘗試在文物保護中應(yīng)用3D打印與逆向工程技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，這項創(chuàng)新技術(shù)逐漸在文物保護中占有一席之地。

高秀芬④研究了3D打印技術(shù)在尋甸彝族非遺器物傳承與保護中的應(yīng)用，采用3D打印技術(shù)及逆向工程技術(shù)將民族服飾裝飾品、少數(shù)民族器物等非遺器物進行了數(shù)字建模及3D打印，在保護非遺器物的同時實現(xiàn)了文化傳承。李文怡⑤等較早地應(yīng)用3D打印技術(shù)對隋代殘缺白瓷高足杯完成了修復(fù)工作，并取得了良好的成果。在修復(fù)過程中，工作人員利用三維掃描儀獲得殘缺部分的三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)，最終利用3D打印技術(shù)完成殘缺部分，經(jīng)過后續(xù)處理后完成文物的修復(fù)。何原榮⑥等針對文物的完整有效保存，以宋代古船為例，提出了利用三維激光掃描技術(shù)對文物進行掃描從而獲得三維模型，并通過3D打印技術(shù)完成文物的高精度復(fù)制。舒歡⑦等提出了對兵馬俑碎片進行三維掃描，并打印出碎片復(fù)制品對兵馬俑破損處進行修復(fù)的方法，為兵馬俑的保護工作打開了新紀元。青銅器也是我國珍貴的文物類型，而現(xiàn)存青銅器飽受氧化的侵害。青銅器的傳統(tǒng)保護方法是翻模技法，但翻模不可避免地會與青銅器發(fā)生接觸，難免會造成二次傷害。此時，余?、嗟忍岢隽藨?yīng)用3D打印技術(shù)保護青銅器的想法。利用三維掃描與文物無接觸的特點，應(yīng)用3D打印及逆向工程技術(shù)對三星堆青銅面具進行了殘缺部分的修復(fù)，避免了傳統(tǒng)修復(fù)工藝直接在青銅面具進行修復(fù)工作給青銅面具所帶來的二次傷害。相似的，張鵬宇⑨對一級文物鎏金“中國大寧”銅鏡進行了3D打印復(fù)制。銅鏡表面鎏金的特點決定了其不適用翻模復(fù)制，此時無接觸的三維掃描和3D打印技術(shù)便最適宜。劉亮⑩利用3D打印技術(shù)代替了傳統(tǒng)修復(fù)技藝，以鵲尾爐的修復(fù)工作來探討3D打印在文物保護中的實際應(yīng)用。在小型文物方面，Ballarink與博物館合作，共同復(fù)制了一件小型精致文物，并利用不同的打印機以及材料進行復(fù)制，對比結(jié)果比較理想。Niquetl等人利用3D打印技術(shù)及三維結(jié)構(gòu)白光掃描技術(shù)打印出內(nèi)置傳感器的古石墓雕像修復(fù)體。這種保護方法既修復(fù)了文物，又通過內(nèi)置傳感器監(jiān)測雕像周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，用于適時保護古雕像。

大型文物的保護一直是文物保護工作中的難點，許飛進m等試將3D打印技術(shù)應(yīng)用于古建筑保護，利用Autodesk 3Ds Max軟件建立三維數(shù)字模型，將古建筑結(jié)構(gòu)每個構(gòu)件單獨打印，最后進行拼裝，這為大型文物的保護工作提供了新的思路。同樣的思路，王家鑫n對三維模型進行了切塊處理、分塊打印，經(jīng)過打孔等后續(xù)處理再拼裝在一起，完成了云岡石窟佛頭的1∶1復(fù)制。

近幾年文獻表明，3D打印與逆向工程技術(shù)被用于不同種類的文物的保護工作中。3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護中的應(yīng)用主要分為文物復(fù)制和文物修復(fù)兩大類，大體思路都是通過逆向工程技術(shù)建立三維數(shù)字模型，后通過3D打印技術(shù)完成文物保護，具體技術(shù)路線圖過程如圖1所示。

2 3D打印與逆向工程技術(shù)應(yīng)用于文物保護中存在的問題

盡管3D打印已在文物保護方面得到應(yīng)用，且發(fā)展了一段時間，但是目前還是存在一些問題。

具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的文物比如古船①，由于文物保護過程中一般不拆解，在三維掃描過程中對文物細節(jié)的提取不夠精確，逆向工程技術(shù)受到一定限制。同時整個三維掃描到3D打印的過程專業(yè)性比較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員。另外，3D打印及逆向工程設(shè)備及使用的材料比較昂貴，這對于大型文物修復(fù)來說是一個挑戰(zhàn)。

精度問題一直是3D打印的一個技術(shù)缺陷，對于文物的細節(jié)，使用3D打印與逆向工程技術(shù)修復(fù)或復(fù)制文物也是一個挑戰(zhàn)②。余?、蹖W(xué)者提出博物館缺少相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)人員，極大地阻礙了3D打印應(yīng)用到博物館內(nèi)。另外，打印出來的模型顏色單一，要是想展示在博物館中，則需要再次進行上色。在陶器文物復(fù)制方面，卜衛(wèi)民④就提出了兩個具有代表性的問題：第一是存在于文物表面的一些淺浮雕以及某些精細的痕跡是沒有辦法進行高還原度的3D打印的，這樣的話對于文物的細節(jié)把控就較為疏忽了;第二是目前打印材料比較受限，陶土類的文物殘缺無法用其原材料打印。史寧昌⑤等學(xué)者提出3D打印在空間方面比較受限，對于小型文物可以一次成型，大型文物則需要進行拆解打印。

根據(jù)大量的文獻資料來看，目前3D打印的問題主要存在于材料和精度兩方面，打印材料受限十分明顯，并非所有文物都能以其相似材料復(fù)制，并且3D打印在色彩方面的表現(xiàn)也不行，目前能夠進行多顏色打印的機器并不多，而且這些機器打印出的成品色彩和原物差距還是比較大的?，F(xiàn)在市面上大部分的3D打印機的精度并不高，打印出的實體模型表面還是比較粗糙，需要在后期進行一系列的處理。因此，目前僅僅利用3D打印與逆向工程技術(shù)直接去完成整個修復(fù)或者復(fù)制文物的過程不太可能，還是要利用各種傳統(tǒng)的做舊以及上色等技術(shù)來完成對文物的后期處理。另外，利用3D打印與逆向工程技術(shù)還存在缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)準(zhǔn)則。

3 結(jié)論

3D打印與逆向工程技術(shù)以其在文物保護中不會直接接觸文物而造成二次傷害的特點引起學(xué)者的關(guān)注。多年來，許多學(xué)者從理論方面對3D打印在文物保護中的應(yīng)用進行了可行性探討，通過政策可行性、技術(shù)可行性和保護工作需求幾個角度進行了理論研究。同時，許多學(xué)者展開了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護工作中的應(yīng)用，但也發(fā)現(xiàn)實際應(yīng)用中還存在著材料限制、修復(fù)精度不足、成本較高、打印效率較低、色彩表現(xiàn)力不足、無法一次性打印大型文物和缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)準(zhǔn)則等問題，這些問題有待于進一步解決。目前，3D打印在文物保護中還停留在簡單的復(fù)制階段，顏色、材質(zhì)與真實文物還存在差異，經(jīng)過人工上色、做舊等后續(xù)處理才能完成文物復(fù)制或修復(fù)工作。

3D打印與逆向工程技術(shù)作為一項前沿技術(shù)，在文物保護領(lǐng)域中的應(yīng)用還不足以顛覆傳統(tǒng)保護技藝，但其不會對文物造成二次損害的特點便足以奠定其重要地位。在以后的發(fā)展中，3D打印技術(shù)會愈加成熟，3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護應(yīng)用中所存在的問題或被解決。