在3D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復、復制文物的實驗驗證

戴維康 卜衛(wèi)民 張珮琛 鄒 緣

（1.上海博物館，上海 200003；2.瑛諾三維上?？萍加邢薰?，上海 200082）

近年來，3D打印技術(shù)使文物器身的修復效率大大提升，但文物上花紋與色彩的修復依然需要手繪完成，不但花費大量時間，更受限于修復技師的技術(shù)和經(jīng)驗，難以把控修復效果。為了解決這個難題，我們設(shè)想將印刷行業(yè)中的水轉(zhuǎn)印技術(shù)引入到文物修復或復制中來。水轉(zhuǎn)印是一種用于不規(guī)則對象表面印刷的工藝，適用于金屬、玻璃、塑料和陶瓷等多種材質(zhì)，可直接出圖印刷，色彩還原度高。這種方法能夠輕松為3D打印物體添加需要的圖案或者顏色，可以改進傳統(tǒng)文物修復、復制中手工上色的方法。瑛諾三維上?？萍加邢薰驹?D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)十分成熟，經(jīng)過富有誠意的協(xié)商，上海博物館與該公司組建了數(shù)字化文物修復團隊（后文簡稱“修復團隊”），設(shè)計了三項實驗：分別是模擬瓷器開片釉紋理、模擬瓷器結(jié)晶釉的窯變特征、復制漢代“黑漆古”銅鏡，以此來論證在3D打印基礎(chǔ)上用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復或復制文物的可行性。下面介紹實驗的具體情況及評估結(jié)果。

一、工藝流程

在3D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復或復制文物，工藝流程分為兩大步：第一步采用3D打印技術(shù)打印出所需修復文物的缺失部分或需要復制的文物基體，第二步在3D打印完成的基體上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)完成文物花紋、色彩的轉(zhuǎn)印。

（一）3D打印所需補件及復制件

1.3D打印所需儀器設(shè)備及材料

①ScanTech Prince 775雙色激光手持式三維掃描儀，在藍色激光模式下，供5束平行藍光，最高分辨率達0.02毫米。

②DWSXFAB 3500HD高精度下照式3D打印機，打印體積為140×140×180毫米，可使用包括陶瓷粉末在內(nèi)的多種打印材料。

③DWS Invicta的3D打印材料，性能參數(shù)：拉伸強度40MPa，表面硬度83Shore D，斷裂伸長9%，彎曲強度64MPa，彎曲模量1410MPa，拉伸模量1550MPa。

2.工藝流程

①用三維掃描儀掃描整件器物。

②使用MeshLab軟件進行三維數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)模型修正完整。對于需修復器物，使用對稱鏡像功能和布爾運算，獲得缺失部分信息，將該部分單獨保存，導出STL格式以備打印使用。

③使用3D打印機進行打印。

④用砂紙打磨打印件，使其表面平整光潔。

（二）利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)完成文物花紋、色彩的轉(zhuǎn)印

1.水轉(zhuǎn)印所需儀器設(shè)備及材料

①佳能5Ds全畫幅數(shù)碼相機及100毫米微距鏡頭。

②Epson Surecolor P9580大畫幅噴墨打印機，分辨率2400×1200dpi。

③艾笛森噴墨透明底水轉(zhuǎn)印紙MQ-201，尺寸210×297毫米。

2.工藝流程

①用高清數(shù)碼相機拍攝所需圖案。

②使用Photoshop軟件進行色彩校正、圖案修正，并調(diào)整至合適尺寸。

③使用高精度噴墨打印機在水轉(zhuǎn)印紙上打印圖像，再剪切至合適尺寸。

④將水轉(zhuǎn)印紙浸泡于水中，待基紙與轉(zhuǎn)印膜分離后，謹慎拉開基紙，使轉(zhuǎn)印膜附著于3D打印件上。水轉(zhuǎn)印操作要求環(huán)境溫度為22～38℃，轉(zhuǎn)印物表面溫度22～32℃，水溫度22～35℃。

⑤從水中取出貼好轉(zhuǎn)印膜的3D打印件，經(jīng)熱干燥后再噴涂Golden Polymer Varnish UVLS（光漆）保護。

二、實驗論證

文物修復強調(diào)顏色接近，質(zhì)感逼真，以及肉眼難以分辨修補部位。修復開片釉、結(jié)晶釉瓷器和復制“黑漆古”青銅器是文物修復、復制中的三個難點，傳統(tǒng)的方法是手繪模擬瓷器開片釉的紋理、結(jié)晶釉的窯變特征和銅鏡“黑漆古”的質(zhì)感，憑借的是修復師多年的經(jīng)驗與手感。我們用以下三項實驗，來論證是否可以在3D打印基礎(chǔ)上借助水轉(zhuǎn)印技術(shù)為修復師提供新的修復手段。

1.實驗一：模擬瓷器開片釉紋理

樣品為一件現(xiàn)代仿宋哥窯貫耳瓶，其一側(cè)貫耳缺失，需修補。樣品上的“金絲鐵線”開片釉是修復難點。我國的《文物修復師國家職業(yè)技能標準》將掌握開片紋描繪視為古陶瓷修復的最高標準之一。這種冰裂紋生成于高溫窯爐中，視覺上呈現(xiàn)大小交錯、方向隨機的開片效果。傳統(tǒng)的修復方法通常采用小號狼毫勾線筆蘸取顏料勾線繪出其開片紋理，需要保證線條挺直，紋路自然，且略帶暈散，體現(xiàn)出濃淡變化，對修復師要求極高，如果技術(shù)不嫻熟，則可能出現(xiàn)線條僵直、紋理死板、開片不真實的情況。

本實驗對樣品缺失貫耳進行了修復，過程如下（圖一）：①采用3D打印技術(shù)打印貫耳補件；②用高清數(shù)碼相機拍攝貫耳瓶身細部，截取部分開片圖案，并進行色彩校正、圖案校正；③用噴槍對3D打印的貫耳補件進行上色處理，處理方法及顏料與傳統(tǒng)古陶瓷修復方法一致，不再贅述；④將開片釉的紋理圖樣打印在水轉(zhuǎn)印紙上；⑤在水中將轉(zhuǎn)印膜從基紙上揭下，敷在補件上，干燥后在補件表面噴涂一層光漆保護；⑥將完成水轉(zhuǎn)印及上光釉的貫耳補件粘接在原器物上。

圖一 實驗一：模擬瓷器開片釉紋理的修復

以肉眼觀察，補件底色、開片樣式及釉色質(zhì)感與原器物高度接近，證明采用水轉(zhuǎn)印技術(shù)輔助陶瓷文物修復上色可以模擬開片釉效果。

2.實驗二：模擬瓷器結(jié)晶釉的窯變特征

樣品為一件宋代當陽峪窯黑釉盞，其口沿至腹部有一處略呈梯形的缺失。這種黑釉瓷在燒制過程中其表面釉層結(jié)晶，形成了釉色與紋理變化多樣的窯變特征，傳統(tǒng)手工修復的難點是模仿具有動感的結(jié)晶釉面及多樣的窯變色彩。通常使用噴槍制作黑釉底色及釉的質(zhì)感，然后采用豬鬃等硬毛畫筆以彈射手法匹配顏料，再用毛筆添加細節(jié)使整體自然和諧，富有動感。修復效果取決于修復師的上色經(jīng)驗，考驗其對細節(jié)的描繪與整體質(zhì)感的把握。

本實驗對樣本缺失部分進行了修復，其工藝流程基本與實驗一相似（圖二）。以肉眼觀察，采用水轉(zhuǎn)印技術(shù)模擬結(jié)晶釉的窯變特征效果較好，可以提高工作效率及上色準確性。

圖二 實驗二：宋代當陽峪窯黑釉盞的修復

3.實驗三：漢代“黑漆古”銅鏡的復制

“黑漆古”銅鏡表面漆黑發(fā)亮，具有光滑晶瑩的玉質(zhì)感。這類銅鏡在制作時采用特殊的磨拋工藝，改變了鏡面表層的晶體排布，加之經(jīng)過數(shù)千年的地下埋藏，鏡體與腐殖酸相互作用，形成致密、有光澤的特殊表面。要復制出漢代銅鏡上的“黑漆古”效果具有相當?shù)碾y度。傳統(tǒng)復制工藝中，此類銅鏡用高錫配比青銅鑄造，并通過化學浸泡的作色方法模擬器物光澤。此法費時費力，復制成本較高。而在修復破損銅鏡時則大多采取手工上色的方法來模擬“黑漆古”的質(zhì)地。

本實驗對一面館藏漢代銅鏡進行了復制，其流程與前兩個實驗類似，按照三維掃描數(shù)據(jù)經(jīng)3D打印出鏡體，再將采集的鏡面色彩輸出于水轉(zhuǎn)印紙上，待轉(zhuǎn)印膜與基紙在水中分離后，將轉(zhuǎn)印膜貼敷于鏡體表面，用刮板排出轉(zhuǎn)印膜下的水分，干燥后噴涂保護層，以提高附著牢度。肉眼觀察水轉(zhuǎn)印技術(shù)模擬的“黑漆古”效果逼真自然。

三、綜合評估

上述三項實驗證明，將水轉(zhuǎn)印技術(shù)應(yīng)用于文物修復和復制中可取得良好的視覺效果。

為了檢驗修復效果，我們又使用視頻顯微儀和色差儀對實驗結(jié)果進行了檢測。

2.創(chuàng)新型教師應(yīng)樹立新型理念 放棄制度性權(quán)威，建立專業(yè)性權(quán)威，要有高尚的人格魅力、過硬的專業(yè)本領(lǐng)、精湛的教學藝術(shù)，用良好的道德形象影響學生，用知識的力量征服學生，用情感的力量打動學生，做到人格生產(chǎn)與知識生產(chǎn)相結(jié)合做，做學生學習和發(fā)展的促進者，做學生健康成長的引路人，成為與學生積極互動、共同發(fā)展進步的協(xié)作者，最終達到教學相長

（一）視頻顯微儀檢測

1.檢測儀器：KEYENCE基恩士數(shù)碼顯微系統(tǒng)VHX-5000,VH-Z100R（20～200倍）鏡頭。

2.檢測結(jié)果

①對實驗一樣本進行顯微檢測。在20、50倍率顯微鏡下，原器體與修復區(qū)的差別較為明顯：原器體開片處寬窄不一，深淺不同，并伴隨大量氣泡（圖三，1、3）；修復區(qū)水轉(zhuǎn)印噴墨打印產(chǎn)生的色點明顯（圖三，2、4）。

②對實驗二樣本進行顯微檢測。在50倍率顯微鏡下，受限于噴嘴的數(shù)量與大小，修復區(qū)顏色呈現(xiàn)4色疊加，點狀噴墨效果突出（圖三，6），與原器體（圖三，5）相比呈色差異較大。

圖三 原器體與修復區(qū)的微觀比較

（二）色差儀檢測

1.檢測儀器：美能達分光測色儀CM-700D。

2.檢測結(jié)果

表一中的△E數(shù)值越大則表示色差越明顯。青白色區(qū)域△E數(shù)值為1.4，黑色、黃色區(qū)域則比較高，分別為4.89、5.1。實驗一樣品修復區(qū)的青白色是在水轉(zhuǎn)印貼敷前經(jīng)修復師手工調(diào)色后噴繪完成的，而實驗二樣品修復區(qū)的黑色與黃色是經(jīng)打印機輸出的顏色，受電腦調(diào)色時屏幕色彩還原及打印油墨的影響較大，相比較而言，人工調(diào)色的準確性更高。

表一 各實驗樣品色差分析表

另外，實驗也發(fā)現(xiàn)了基于材料與流程局限的幾點不足：

1.轉(zhuǎn)印膜難以在不規(guī)則形狀上良好貼敷，其邊緣處的貼敷易起皺、重疊或破損，故樣品一貫耳補件內(nèi)部難以實施貼敷工藝，因此容易產(chǎn)生裸露底色的現(xiàn)象。針對此缺陷，浙江大學周昆教授的團隊發(fā)明了轉(zhuǎn)印膜貼敷新工藝，如果能夠應(yīng)用在文物修復與復制中，或許能有所改進。

2.通常轉(zhuǎn)印膜貼敷后會再噴涂光漆層或保護層，以加強轉(zhuǎn)印膜表面強度，并且防水。修復材料Golden Polymer Varnish UVLS（光漆）是常用的陶瓷上光層，可增強修復部位的陶瓷質(zhì)感與亮度。遺憾的是，光漆對轉(zhuǎn)印膜的色彩有一定影響，通常會使顏色變暗。如實驗二中黑釉盞補件的外壁暗色區(qū)域顏色變深，細節(jié)缺失。

經(jīng)過綜合評估，以上在3D打印基礎(chǔ)上利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復、復制文物的三項實驗中，雖然在視頻顯微儀下噴墨打印的色點明顯，色差儀檢測結(jié)果證明顏色校準并未優(yōu)于手工調(diào)色，上光釉對轉(zhuǎn)印膜顏色的影響存在不確定性，但是修復后的視覺效果良好，完全能夠滿足博物館陳列對文物修復的要求。通過此次實驗，我們認為，在3D打印基礎(chǔ)上結(jié)合水轉(zhuǎn)印技術(shù)修復、復制文物的方法成功率高且視覺效果佳，為瓷器開片釉、結(jié)晶釉的修復和“黑漆古”青銅器的復制提供了新思路，解決了瓷器修復及青銅器復制的部分難題，而其操作方法容易掌握，可以為窯址出土的大批量同類型器物的修復帶來便捷，因此在考古發(fā)掘及博物館的文物保護應(yīng)用中具有現(xiàn)實意義。

［1］李文怡，張蜓，楊潔.三維掃描及快速成型技術(shù)在文物修復中的應(yīng)用［J］.文博，2012（6）：78—81.

［2］楊蘊.淺談3D打印技術(shù)在陶瓷類文物修復和復制中的應(yīng)用［J］.文物保護與考古科學，2015，27（2）：110—113.

［3］唐裕標.淺析水轉(zhuǎn)印工藝［J］.廣東印刷，2015（6）：31—33.

［4］付翠霞，郝喜海.水披覆轉(zhuǎn)印的研究進展［J］.包裝學報，2012（3）：44—48.

［5］中華人民共和國人力資源社會保障部，國家文物局.文物修復師國家職業(yè)技能標準［S/OL］.（2021-09-18）［2022-04-02］.http://www.mohrss.gov.cn/xxgk2020/fdzdgknr/zcfg/gfxwj/rcrs/202110/W 020211019530402013600.pdf.

［6］浙大新聞辦.周昆團隊發(fā)明水中精準“貼膜”術(shù)［EB/OL］.（2015-06-23）［2022-04-02］.https://www.zju.edu.cn/2015/0623/c32859a93028/page.htm.