3D 打印技術(shù)在古陶瓷修復(fù)配補(bǔ)過(guò)程中的應(yīng)用研究

曹 鋒，毛小龍

(1.江西師范大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330027；2.江西師范大學(xué)，江西 南昌 330022)

0 引言

中國(guó)擁有數(shù)千年的陶瓷燒造歷史，在漫長(zhǎng)的歲月中先民留下了許多古陶瓷文物。這些古陶瓷文物是研究中國(guó)文化和傳統(tǒng)技藝的第一手資料，既有歷史價(jià)值、科學(xué)價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值，又有收藏價(jià)值、研究?jī)r(jià)值和教育價(jià)值[1]。但是，許多古陶瓷文物由于受到盜墓者的非法盜挖、城市基建和自然災(zāi)害等不同的損害，變得殘缺不全。2016 年12月，第一次全國(guó)可移動(dòng)文物普查數(shù)據(jù)公報(bào)顯示，全國(guó)共有陶器2287469件，數(shù)量占文物總數(shù)3.57%；瓷器2252805 件，數(shù)量占比3.52%[2]。大部分古陶瓷文物急需專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行搶救性修復(fù)。目前從事文物修復(fù)的專(zhuān)業(yè)人士不足1000 人，成熟的專(zhuān)業(yè)人士只有400 人左右[3]。加快修復(fù)人才培養(yǎng)促進(jìn)了古陶瓷修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，修復(fù)技術(shù)的發(fā)展是提高修復(fù)工作效率的有效途徑。

1 研究背景

最初古陶瓷的修復(fù)主要是為了器物能恢復(fù)使用功能，或者是由于文物收藏市場(chǎng)的需要。隨著人們對(duì)傳統(tǒng)文化認(rèn)識(shí)程度的加深，古陶瓷修復(fù)開(kāi)始學(xué)習(xí)西方系統(tǒng)的文物保護(hù)和修復(fù)理念，并逐漸形成了我國(guó)的文物保護(hù)系統(tǒng)?，F(xiàn)代古陶瓷修復(fù)流程可以分為：清洗、粘接、補(bǔ)配、打底、作色、作釉六個(gè)步驟[4]。其中，補(bǔ)配的技法很多，也是修復(fù)過(guò)程中耗時(shí)比較長(zhǎng)的一項(xiàng)。所以，這一步驟是提高文物修復(fù)工作的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的翻模修復(fù)技術(shù)，如石膏翻模，紅白打樣膏翻模等材料很容易殘留在文物表面，對(duì)文物造成二次傷害[5]。對(duì)于圖案精細(xì)復(fù)雜的器物進(jìn)行翻模難以復(fù)制到理想的程度，修復(fù)需要時(shí)間很長(zhǎng)，步驟繁瑣。

3D 掃描打印技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最熱門(mén)的研究項(xiàng)目，是研發(fā)、生產(chǎn)、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域重要輔助工具[6]，在文物修復(fù)中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視。用3D 掃描打印補(bǔ)缺相比于傳統(tǒng)翻模修復(fù)有著無(wú)損、快速、精確等優(yōu)點(diǎn)。目前，3D 打印設(shè)備品種繁多，各種3D 打印設(shè)備的打印原理、打印材料和打印輸出的結(jié)果都不同。為此，需要對(duì)各種類(lèi)型的3D 打印設(shè)備參與古陶瓷補(bǔ)缺進(jìn)行具體分析。

2 應(yīng)用于殘缺古陶瓷補(bǔ)缺的3D 打印技術(shù)類(lèi)型

2.1 3D 掃描打印補(bǔ)缺

3D 掃描打印補(bǔ)缺就是利用手持三維掃描儀對(duì)古陶瓷殘片進(jìn)行全方位的掃描得到原始數(shù)據(jù)。接著應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，對(duì)數(shù)字化的古陶瓷殘片建模并進(jìn)行虛擬拼合，建模虛擬補(bǔ)配。然后，通過(guò)3D 打印設(shè)備把虛擬補(bǔ)配件打印出實(shí)物補(bǔ)配件。最后，結(jié)合傳統(tǒng)修復(fù)紋樣的方法完成修復(fù)。目前，3D 打印輸出設(shè)備所用到技術(shù)主要有四類(lèi)：FDM（熔融沉積技術(shù)）；SLA（立體平版印刷）；SLS（選擇性激光燒結(jié)）；LOM（分層實(shí)體制造）。四種類(lèi)型的3D 打印設(shè)備輸出的結(jié)果各不相同，這就需要具體問(wèn)題詳細(xì)分析。根據(jù)古陶瓷類(lèi)別，選擇合適的技術(shù)類(lèi)型來(lái)修復(fù)殘缺的古陶瓷。

2.1.1 基于FDM 打印技術(shù)的3D 打印補(bǔ)缺

FDM 為熔融沉積技術(shù)（Fused Deposition Modeling），是一種不依靠激光作為成型能源。其通過(guò)加熱熔化各種絲材，利用液化后絲材堆積成補(bǔ)配件的方法。打印用的絲材可以是工程塑料ABS、聚碳酸酯PC 等。FDM 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：打印設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單，打印耗材成本低，在打印過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，無(wú)毒性且不產(chǎn)生異味、粉塵、噪音等污染。缺點(diǎn)：FDM 打印技術(shù)的3D 打印補(bǔ)配件精度不高，通常為0.2 mm—0.3 mm，且打印出的成品有明顯的3D 打印痕跡。比較適合結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要凹凸雕刻紋樣的古陶瓷補(bǔ)缺修復(fù)，對(duì)精度要求較高的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的古陶瓷補(bǔ)缺，修復(fù)較少采用FDM 技術(shù)。

2.1.2 基于SLA 打印技術(shù)的3D 打印補(bǔ)缺

SLA 為立體平版印刷技術(shù)（Stereo lithography Appearance），是一種用特定波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光敏樹(shù)脂材料，利用光能的化學(xué)和熱作用使液態(tài)樹(shù)脂材料光固化，使之按照由點(diǎn)到線、由線到面、由面到體的方式構(gòu)成補(bǔ)配件的技術(shù)。

SLA 打印技術(shù)是3D 打印技術(shù)中精度最高的，精度可以達(dá)到0.001 μm，且打印的補(bǔ)配件表面也最光滑，加工速度快，能夠打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有凹凸紋理的補(bǔ)配件。不足之處：首先，打印用的光敏樹(shù)脂原料為液體，有一定毒性，打印過(guò)程中一定要做好安全防護(hù)工作；其次，打印好的補(bǔ)配件強(qiáng)度達(dá)不到真正陶瓷的強(qiáng)度，有一定的差距；最后，SLA 技術(shù)的設(shè)備成本、維護(hù)成本和材料成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FDM 技術(shù)下的打印成本。因此，基于SLA 立體平版打印技術(shù)主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的文物修復(fù)領(lǐng)域。

2.1.3 基于SLS 打印技術(shù)的3D 打印補(bǔ)缺

SLS 為選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selected Laser Sintering）。其成型原理是：在開(kāi)始加工前，在工作平臺(tái)上鋪一層粉末狀打印材料，需要把充有氮?dú)獾墓ぷ髋_(tái)升溫，并保持在粉末材料的熔點(diǎn)以下。然后，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪廓對(duì)實(shí)心部分粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末融化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)向下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)。依次循環(huán)，從而形成所打印的模型。SLS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：一是能生產(chǎn)較硬的模具；二是可以采用多種原料，包括如工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等；三是零件的構(gòu)建時(shí)間短，可達(dá)到1in/h 高度。SLS 技術(shù)的缺點(diǎn)：加工成本高，加工室需要隔絕空氣，需要不斷地充氮?dú)?；打印過(guò)程中產(chǎn)生的有毒氣體和粉塵污染環(huán)境，需要有效處理。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于古陶瓷修復(fù)比較少。

2.1.4 基于LOM 打印技術(shù)的3D 打印補(bǔ)缺

LOM 技術(shù)全稱(chēng)為分層實(shí)體制造法（Laminated Object Manufacturing）。它以片材（如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料）為原材料，使用激光為切割工具，根據(jù)虛擬補(bǔ)配件成型數(shù)據(jù)的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，切割出補(bǔ)配件的輪廓。接著送料進(jìn)設(shè)備，把新的一層打印耗材用熱粘壓方法粘合，然后對(duì)其進(jìn)行又一次切割。這樣一層層地切割、粘合，最終成為補(bǔ)配件。LOM 常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，模型支撐性好、成本低、效率高。缺點(diǎn)是前期和后期處理設(shè)備上殘留的打印材料很費(fèi)時(shí)間，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。所以，該項(xiàng)技術(shù)很少用于古陶瓷補(bǔ)缺。

2.2 實(shí)際補(bǔ)缺案例

根據(jù)以上四種3D打印技術(shù)的分析結(jié)果可以看出，適合于殘損古陶瓷補(bǔ)配件3D 打印的最優(yōu)技術(shù)是FDM 打印技術(shù)和SLA 打印技術(shù)。

目前，江西省動(dòng)漫創(chuàng)意與數(shù)字娛樂(lè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在修復(fù)一批江西省博物館收藏的古陶瓷文物。這批文物存在各種狀況：有體積非常大的陶罐；也有破損特別嚴(yán)重的陶瓷器皿殘片。而且要求在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)十多件。遵循古陶瓷修復(fù)流程，筆者選用FDM 打印技術(shù)和SLA 立體平版打印技術(shù)對(duì)這批殘損古陶瓷進(jìn)行補(bǔ)缺修復(fù)。

2.2.1 3D 掃描古陶瓷殘件

對(duì)清理整潔并完成編號(hào)后的古陶瓷文物碎片進(jìn)行數(shù)字化信息采集。掃描前先貼好掃描標(biāo)志點(diǎn)定位，為后期在軟件中處理三維掃描數(shù)據(jù)做參考。利用三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和高精度三維激光掃描儀掃描古陶瓷碎片，得到虛擬三維數(shù)字圖像并存檔。掃描完成的文件信息需要經(jīng)過(guò)預(yù)處理，比如文物的反光、噪點(diǎn)信息等。如果細(xì)節(jié)部分不完整，還需要進(jìn)行二次掃描。值得注意的是，清理過(guò)程中需要重點(diǎn)清理碎片中的泥沙。掃描過(guò)程中也要避免古陶瓷文物碎片與掃描儀燈光直接接觸。圖1為手持三維激光掃描儀掃描古陶瓷碎片。掃描儀為SCAN 20? 三維掃描儀。

圖1 手持三維激光掃描儀掃描瓷碗碎片F(xiàn)ig.1 Scanning porcelain bowl fragments with hand-held 3D laser scanner

2.2.2 軟件虛擬修復(fù)

通過(guò)手持式3D 掃描儀得到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得高精度三維數(shù)據(jù)文件。對(duì)原始數(shù)據(jù)里的錯(cuò)誤進(jìn)行修復(fù)后得到.stl 文件。把該文件導(dǎo)入到3ds max 三維軟件，利用3ds max 三維軟件建模得到殘缺部分的三維模型，再在該軟件中里對(duì)古陶瓷文物碎片進(jìn)行虛擬拼合。拼合的過(guò)程中，要注意原文物的厚度，厚度可以用在三維軟件中用“殼”工具完成。利用3ds max 軟件建模，得到虛擬補(bǔ)配件是古陶瓷文物碎片虛擬拼合和打印3D 實(shí)物補(bǔ)配件的關(guān)鍵。軟件后期輸出的格式為.stl 的高清數(shù)字文件，后續(xù)也用于3D 打印輸出。三維軟件常見(jiàn)的還有CINEMA 4D、Pro-E、Alias、UG、rhino等，都可以對(duì).stl 格式文件進(jìn)行操作，也可以用作虛擬修復(fù)。選取一種常見(jiàn)而且修復(fù)工作者又比較熟悉的三維軟件很重要。圖2 為虛擬修復(fù)拼合古陶瓷碎片。

圖2 虛擬修復(fù)拼合古陶瓷碎片F(xiàn)ig.2 Virtual restoration of ancient ceramic fragments

2.2.3 3D 打印補(bǔ)配件

運(yùn)用基于FDM 打印技術(shù)的3D 打印補(bǔ)缺，打印用的線材選用工程塑料ABS。把.stl 文件導(dǎo)入3D打印設(shè)備，得到補(bǔ)配件的界面輪廓信息。由于加工過(guò)程是把熱塑性絲材熔化成半液態(tài)，從噴頭噴出0.127 mm 厚的輪廓，快速冷卻后只剩薄薄的一層。因此，當(dāng)完成一層后，噴頭再在該層輪廓上面開(kāi)始運(yùn)動(dòng)做第二層輪廓。如此循環(huán)，最終形成補(bǔ)配件。因?yàn)檠a(bǔ)配件是層層堆積而成。所以，打印的補(bǔ)配件表面有細(xì)小的“臺(tái)階效應(yīng)”，不能做到完全光滑。在打印面積較大的補(bǔ)配件時(shí)，必須要有支撐支架托著還沒(méi)有完全成型的補(bǔ)配件。這一步很關(guān)鍵，否則沒(méi)有完全冷卻的補(bǔ)配件，容易塌陷變形，影響后期修復(fù)效果。

運(yùn)用基于SLA 立體平版打印技術(shù)3D 打印補(bǔ)缺，打印材料選用環(huán)氧樹(shù)脂。它是光敏樹(shù)脂的一種，環(huán)氧氯丙烷與雙酚A 或多元醇的縮聚產(chǎn)物。光敏樹(shù)脂在激光的作用下，由液體變化成乳白色固體。由于運(yùn)用SLA 技術(shù)制作模型的過(guò)程中激光高精度的點(diǎn)位掃描，可以精確到0.001 μm。所以，打印過(guò)程中文物的形態(tài)、表面的紋理區(qū)以及文物的銘文，都能被1∶1 地打印出來(lái)。打印的形態(tài)、紋理、色彩與原文物基本上沒(méi)有誤差[7]。SLA 打印技術(shù)繪圖作業(yè)也是類(lèi)似FDM 打印技術(shù)，方法是使用層層堆砌打印。不過(guò)由于打印的精度高，不會(huì)產(chǎn)生3D 打印的“臺(tái)階效應(yīng)”，打印補(bǔ)配件的過(guò)程中不需要做支撐效果就可以成型。圖3 為3D 打印實(shí)體補(bǔ)配件，3D 打印機(jī)為MakerBot Replicator+型。

圖3 3D 打印實(shí)體補(bǔ)配件Fig.3 3D printing actual accessories

2.2.4 古陶瓷補(bǔ)缺件的花紋修復(fù)

將3D打印好的補(bǔ)配件表面留下的打印紋路用水砂紙磨平，按照虛擬拼合的結(jié)果，用502 膠水或者AB 膠粘合古陶瓷殘片和打印的補(bǔ)配件。由于光敏樹(shù)脂3D 打印出來(lái)的補(bǔ)配件外壁厚度比較薄，材料的材質(zhì)比較輕。所以，可在補(bǔ)配件的內(nèi)壁均勻地鋪上一層石膏。外表面也要刷一層薄薄的石膏，接縫處如果有空隙一般也用石膏補(bǔ)齊。使用丙烯顏料、滑石粉、洛陽(yáng)黃土、香灰、石英粉、瓷粉、清漆等材料進(jìn)行作色，運(yùn)用“貼”“擦”“點(diǎn)”等手法，畫(huà)出古陶瓷配件的表面花紋。由于使用SLA 立體平版打印技術(shù)3D 打印補(bǔ)缺件有凹凸紋理，只需要把花紋繪制出來(lái)。因?yàn)槲闹屑莞G樣品修復(fù)的案例存在較多的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以補(bǔ)配件參考了對(duì)稱(chēng)面的紋路進(jìn)行修復(fù)。使用FDM 打印技術(shù)的3D 打印補(bǔ)缺件，由于沒(méi)有凹凸紋理，修復(fù)原理與使用SLA 立體平版打印技術(shù)3D 打印的補(bǔ)缺件類(lèi)似。圖4 為FDM 打印技術(shù)設(shè)備打印出的補(bǔ)配件。圖5 為SLA 技術(shù)設(shè)備打印出的補(bǔ)配件。圖6為修復(fù)完成后的古陶瓷文物。

圖4 FDM 打印技術(shù)設(shè)備打印出的補(bǔ)配件Fig.4 Accessories printed by FDM printing equipment

圖5 SLA 技術(shù)設(shè)備打印出的補(bǔ)配件Fig.5 Accessories printed by SLA printing equipment

圖6 修復(fù)完成后的古陶瓷文物Fig.6 Ancient ceramic relics after restoration

2.2.5 案例總結(jié)

筆者通過(guò)參與古陶瓷修復(fù)實(shí)例，在修復(fù)過(guò)程中總結(jié)了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在不破壞殘損古陶瓷文物的前提下，完成了修復(fù)任務(wù)，保證了文物的絕對(duì)安全。目前，3D 打印材料越來(lái)越豐富，陶瓷打印材料也已出現(xiàn)，如3D 彩繪技術(shù)?？赏ㄟ^(guò)軟件復(fù)原文物表面紋飾、3D 噴繪完成紋飾復(fù)原，進(jìn)一步提高效率與精確程度。當(dāng)然，3D 打印技術(shù)對(duì)古陶瓷文物進(jìn)行修復(fù)固然非常重要，實(shí)際應(yīng)用效果也非?？煽俊５?，文物保護(hù)修復(fù)工作人員還是不應(yīng)徹底丟棄傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)。對(duì)于高端修復(fù)，有時(shí)候還是需要傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的介入，二者缺一不可。

3 不同技術(shù)下3D 打印方法的比較梳理

3D 掃描打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療等行業(yè)，但是在古陶瓷修復(fù)中的運(yùn)用還是新技術(shù)。筆者嘗試了多種3D 打印機(jī)械的操作，對(duì)不同器物的補(bǔ)缺修復(fù)方法做了一個(gè)梳理與比較（見(jiàn)表1），希望能對(duì)古陶瓷修復(fù)工作者提供有意義的參考。

表1 修復(fù)方法梳理表Tab.1 List of repair methods

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，很多行業(yè)步入智能化。利用3D 掃描打印技術(shù)修復(fù)古陶瓷文物正是計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展后產(chǎn)生的新技術(shù)。在古陶瓷文物的修復(fù)與保護(hù)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，虛擬修復(fù)、3D 打印技術(shù)日益完善，對(duì)修復(fù)人員綜合素質(zhì)的要求也越來(lái)越高。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，能夠消除古文物和遺址在時(shí)間和空間上的限制[8]。在今后文物的展示上也可以更加生動(dòng)、逼真。相信3D 打印技術(shù)應(yīng)用于古陶瓷文物修復(fù)是未來(lái)文物修復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展方向。