3D打印技術(shù)在北宋越窯青釉執(zhí)壺保護修復中的應用

楊 蘊

（上海博物館文物保護科技中心，上海 200231）

在古陶瓷修復工作中，常常會面臨器物破損的病害情況，根據(jù)傳統(tǒng)的古陶瓷修復方法，會利用文物對稱的特點，在文物本體上利用打樣膏、石膏、硅橡膠等材料進行翻模，由于這些材料會直接接觸文物表面，在操作過程中可能會對文物本體造成一定的二次損傷，而且翻模形成的文物補配件需要進行打磨調(diào)整，也增加了修復的工作量。如今3D掃描打印技術(shù)廣泛應用于文物的修復當中，包括瓷器文物[1、2]、青銅文物[3]等等。該技術(shù)可以通過對文物的非接觸性掃描，將文物本身進行數(shù)據(jù)化的存儲，并通過后期處理，進行文物缺損處的配件打印，打印出的補缺配件與原器物吻合，這大大提高了修復的安全性以及修復中的工作效率。

本文通過文物的基本信息、保護修復方案設計、保護修復實施等幾個方面，結(jié)合3D掃描打印技術(shù)與傳統(tǒng)修復技法對該件北宋越窯青釉執(zhí)壺進行保護修復，恢復文物的風貌，回歸文物的穩(wěn)定狀態(tài)，為后期研究與展陳奠定基礎。

一、文物的基本信息

這件北宋執(zhí)壺出土于上海青龍鎮(zhèn)遺址，青龍鎮(zhèn)遺址位于上海青浦區(qū)的白鶴鎮(zhèn)，是唐宋時期重要的市鎮(zhèn)和對外貿(mào)易港口遺址。據(jù)古文獻記載其是吳淞江的出?？冢彩呛Ｉ辖z綢之路的重要港口。青龍鎮(zhèn)遺址經(jīng)過2010年、2012年、2015年三次發(fā)掘，出土大量貿(mào)易陶瓷。當年部分商品因為種種原因被遺棄于地下，導致有大量的瓷器聚集于此。這件北宋越窯執(zhí)壺正是2012年發(fā)掘出土的。它和其他幾千件可復原的來自江西、浙江、福建、湖南等窯口的瓷器和無數(shù)碎瓷片共同見證著青龍鎮(zhèn)曾經(jīng)繁華的陶瓷貿(mào)易。（圖1）

圖1 修復前的越窯青釉執(zhí)壺圖

這件青釉執(zhí)壺為北宋越窯系。高18cm，口徑9.5cm，足徑7.6cm。圓唇，喇叭口，長頸，溜肩，鼓腹，圈足挖足較淺，外底有泥條痕。圓形曲流，帶狀鋬。胎質(zhì)灰白致密堅硬。釉色青綠，局部泛黃。肩有兩周玄紋，貼對稱印花雙耳。模印陽文。腹部刻六等分豎線棱雙線紋。里杜湖窯址出土有相似的器物。此件執(zhí)壺具有典型的北宋越窯的工藝特征，代表了當時較高的越窯執(zhí)壺制作水平。

此執(zhí)壺埋藏的環(huán)境是飽水、中性或弱酸性的土壤。文物挖掘后保存的環(huán)境是考古臨時庫房，因庫房無金屬器恒溫、恒濕保護裝置與措施，環(huán)境控制完全處于一種純自然形式的原生狀態(tài)，溫濕度變化較大。

該執(zhí)壺出土時主要病害特征為：缺損，其中口沿缺損約三分之一，帶狀鋬?nèi)睋p，圓形曲流缺損，病害情況見圖2。

圖2 越窯青釉執(zhí)壺病害圖

拿到此件待修執(zhí)壺后先對胎釉成分進行分析，檢測方法：采用 TN SPECTRACE公司QuanX型能量色散熒光光譜儀和EDAX 公司Eagle III型能量色散熒光光譜儀進行無損的成分分析。檢測條件：元素Na、P低真空狀態(tài)下測試；元素K～U大氣狀態(tài)下測試。檢測結(jié)果：其釉成分符合高鈣（CaO）、高磷（P2O5），低鉀（K2O）的特征，胎土顯現(xiàn)了南方青瓷低鋁（Al2O3）、高硅（SiO2）、高鈦（TiO2）的特點。（表1）

表1 青龍鎮(zhèn)出土越窯青釉執(zhí)壺胎釉化學組成 %

二、文物的保護修復方案設計

該執(zhí)壺破損較為嚴重，流和鋬?nèi)笔?，破壞了器物的完整性，影響收藏、陳列、研究價值。傳統(tǒng)的翻模補配方法有可能造成二次損壞。執(zhí)壺本身的流是空心的，且該執(zhí)壺的流幾乎完全缺失，因此使用常規(guī)的翻模配補或塑形方法做出空心的流，步驟較復雜，費時費力。其次在通過前期對該執(zhí)壺的觀察中發(fā)現(xiàn)，該執(zhí)壺與庫房中另一件執(zhí)壺幾乎相同，僅大小不一，這為流與鋬的造型提供了可靠的依據(jù)。3D掃描技術(shù)可以在不接觸文物的情況下得到文物的完整三維信息，所以在技術(shù)上選擇更加便捷的3D打印技術(shù)來補配。明確思路之后對此執(zhí)壺制定修復方案；需進行清洗、補配、上色，恢復器形的完整性與器物顏色的統(tǒng)一性。滿足陳列展覽的要求。修復方案要秉承保護修復原則：不改變文物原狀原則、最小干預原則、可再處理原則等。保護修復目標：去除瓷器表面附著物，對已有病害進行處理，恢復瓷器結(jié)構(gòu)完整，使文物表面的顏色與質(zhì)感達到博物館陳列的要求，滿足文物在長期保存、陳列展示等相關研究的需要。

以下是這件越窯青釉執(zhí)壺的保護修復路線圖（圖3）。

圖3 越窯青釉執(zhí)壺保護修復技術(shù)路線圖

三、文物保護修復的操作

（一）清洗

對這件執(zhí)壺實施修復，第一步先進行表面清理，使用棉簽蘸取陰離子表面活性劑在器物表面滾動擦拭，去除表面雜質(zhì)污垢，擦拭時要注意及時更換棉球，避免二次污染。第二步對于和瓷器結(jié)合緊密、機械方法無法清理完全的硬質(zhì)結(jié)殼、污垢等，借助蒸汽清洗機及超聲波清洗機軟化后機械清理。第三步使用去離子水清洗干凈，將清理后的瓷片置于50℃干燥箱中干燥處理。

（二）3D打印技術(shù)與文物修復

在表面污染物清理干凈之后，使用EAscan-D設備對文物進行3D掃描處理（圖4），貼點之后掃描時間約為30到40分鐘（不包括預熱時間）。由于破損較為嚴重，且沒有與原器物完全吻合的相同器形，所以去庫房挑選了相同器形但體積大于原器物的同款式的完整器北宋執(zhí)壺先進行整器的掃描（圖5），兩個壺比較相近，所以都掃描完成之后，用完整壺的數(shù)據(jù)和缺失壺的數(shù)據(jù)做布爾運算（做一個減差），得到圖6灰色部分的差（缺失部分），缺口是完全匹配的。同時完成了對此件執(zhí)壺的數(shù)據(jù)收集存檔工作。

圖4 北宋越窯青釉執(zhí)壺殘缺器

圖5 越窯青釉執(zhí)壺完整器

圖6 補缺部分模型

在完成數(shù)據(jù)建模之后，就是打印材料的選擇，在初步比較后，暫定陶瓷粉末打印材料和VisiJet Crystal堅硬透明塑料，VisiJet Crystal堅硬透明塑料為醫(yī)療應用材料，具有理想的耐用性和穩(wěn)定性，且現(xiàn)在的精度可達到16μm—32μm，陶瓷粉末打印材料雖然在質(zhì)地上較接近陶瓷類文物，但打印紋理粗糙、分層明顯、精度達不到理想要求，而且堅硬脆性易碎，柔韌性不夠，同時由于打印原理為陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末組合打印，所以存在收縮率，最終打印成品與實際會存在誤差。因為文物的珍貴性，所以選擇高精度設備和材料打印，最后使用16μm高精度高耐老化的VisiJet Crystal堅硬透明塑料作為3D打印材料，美國3D systems projet 3510 HD plus 3D作為打印設備，確保補配的材料在精度、硬度、柔韌性、耐老化等各方面達到此件執(zhí)壺修復要求。配件打印時間約為60到90分鐘。

圖7 3D打印材料對原器物缺損處的粘接

（三）3D掃描件的粘接與作色

3D打印配件與執(zhí)壺的斷面吻合嚴實，大小形狀與原器物相互匹配，達到了文物修復配件的要求。接下來選用愛牢達2020環(huán)氧樹脂粘接劑對補配材料與原器物缺損處進行粘接，用無水乙醇擦去多余的粘接劑后，利用膠帶紙捆綁做臨時固定，并在固化后進行調(diào)整，恢復器物造型的完整性。

作色環(huán)節(jié)主要分為以下5個步驟：調(diào)色處理、底色處理、過渡層處理、細節(jié)處理、上釉色處理。該文物是典型的越窯青瓷，青中泛黃，所以先用硝基漆調(diào)配出符合該器物的顏色，并與原器形進行顏色的比對，直至顏色與原器物接近。利用噴筆對補缺部分進行噴繪，確保顏色均勻，并完全覆蓋補配區(qū)域。為使得補缺區(qū)域與原器物之間在顏色上過渡自然，在原有的調(diào)色基礎上加入上光釉并進行顏色的微調(diào)，形成一種半透明的青釉色，并用噴筆對接縫部分進行噴繪，使得修復顏色與原器物相互匹配，并呈現(xiàn)過渡自然的效果。在顯微照片中可觀察得出原器物表面具有白色、灰色等細小的顆粒，因此采用彈色的方法進行細節(jié)的處理以符合器物本身的肌理狀態(tài)。最后為調(diào)整修復區(qū)域的光澤度調(diào)配仿釉層，最終恢復了執(zhí)壺整體造型、色澤的完整性。（圖8）

圖8 外觀協(xié)調(diào)處理操作細節(jié)圖

四、后期儲存與養(yǎng)護建議

針對修復后執(zhí)壺的保存環(huán)境提出相關建議：由于材料性質(zhì)和陶瓷器文物本身特點，建議環(huán)境光照強度應控制在 300勒克斯（Lux）以內(nèi)，避免接觸紫外光。溫度為15～25℃，相對濕度在40%～50%，溫度波動為±5℃左右。條件允許的情況下，建議使用空氣過濾設備，減少灰塵。

五、3D打印技術(shù)的總結(jié)和展望

該越窯青釉執(zhí)壺修復采用3D掃描打印技術(shù)。與以往手工塑形補配相比有新的突破，在沒有相同大小完整器形作為數(shù)據(jù)參照的前提下，利用同樣類型不同大小的器形進行掃描和數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)要求模擬出了與原器物同等大小的持壺模型數(shù)據(jù)，并在這個基礎上與原器物進行的掃描數(shù)據(jù)進行對比分析，計算出了缺損區(qū)域的大小形狀，打印出3D補配材料。同時在3D打印材料上面進行了材質(zhì)的篩選，滿足文物保護修復的要求。最后運用傳統(tǒng)的修復方法使得破損的器物得到有效的保護修復，滿足了保護修復的要求。修復完成的越窯青釉執(zhí)壺見圖9 。

圖9 修復完成后的越窯青釉執(zhí)壺

本次修復的成功經(jīng)驗有以下幾點：

第一：采用3D掃描打印技術(shù)應用于古陶瓷的修復之中，整個掃描過程不直接接觸文物，安全可控，對壺的流這類空心的配件，3D打印比塑形翻模更為便捷快速，提高了修復的效率。

第二：在3D掃描的過程中，采用不同大小同類器形的器物進行數(shù)據(jù)化建模來達到原器物相同的數(shù)據(jù)模型，這種處理方法對相同情況的修復具有一定的參考意義。

第三：傳統(tǒng)修復與3D掃描打印技術(shù)的結(jié)合，并提供了一個具有一定借鑒意義的修復案例。

第四：由于陶瓷粉末打印技術(shù)的不成熟，使得最后選擇的補配材料依舊是樹脂類材料。在未來的3D打印技術(shù)的發(fā)展中，陶瓷打印技術(shù)的發(fā)展與精度的提高將極大程度影響未來陶瓷器修復的材料選擇，以瓷質(zhì)材料補缺破損瓷器文物的理想方式將成為可能并常態(tài)化。