3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)與利用中的研究

許小龍 李成凱 季廣中 鄧星 趙陽陽 鄒偉

（江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

文物是人類在社會(huì)活動(dòng)中遺留下來的具有歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值的遺物和遺跡，具有承載歷史、不可再重新創(chuàng)造等特征，對于現(xiàn)代人及后代了解歷史有極大的價(jià)值。隨著時(shí)間的流逝，文物不僅會(huì)遭受濕溫度變化、微生物侵蝕、害蟲蛀食、空氣氧化等自然因素的破壞，而且還遭受著發(fā)掘過程及修復(fù)過程中不可避免的人為因素的破壞。國家文物局的數(shù)據(jù)顯示，我國博物館館藏文物有一半以上遭受了不同程度的損壞，其中，損壞比較嚴(yán)重的多達(dá)200萬件，因此文物保護(hù)工作迫在眉睫。傳統(tǒng)文物保護(hù)方法常采用修復(fù)和復(fù)制等，但在此過程中，會(huì)與文物發(fā)生直接接觸，很有可能導(dǎo)致文物在修復(fù)過程出現(xiàn)損壞，這與文物保護(hù)的初衷背道而馳。因此，文物保護(hù)工作中急需一套創(chuàng)新方案，即在完成文物保護(hù)工作的同時(shí)最大限度地避免對文物造成二次損害。

1 研究意義

目前，在制造領(lǐng)域中出現(xiàn)的3D打印和逆向工程技術(shù)兩種新技術(shù)為文物保護(hù)工作提供了新思路。3D打印技術(shù)又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用離散堆積原理，通過數(shù)字化控制材料逐層累加的方法來制造實(shí)體零件的技術(shù)。3D打印技術(shù)具有快速靈活、可個(gè)性化定制、能成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)及適用材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣受各界關(guān)注，在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、醫(yī)學(xué)、建筑、航空航天、藝術(shù)和食品等諸多領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。作為一種先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，逆向工程亦稱反求工程，它是根據(jù)已存在的產(chǎn)品進(jìn)行測繪，從而構(gòu)造或繪制與原產(chǎn)品相近的模型，在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)、再創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)良的產(chǎn)品，這種設(shè)計(jì)方法與先提出產(chǎn)品功能然后再設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相反。逆向工程技術(shù)常采用與產(chǎn)品無接觸的三維掃描儀來測繪原型產(chǎn)品從而獲取原型的三維數(shù)字模型，而且這種三維模型可以直接用于3D打印技術(shù)。這種技術(shù)與原型物品無直接接觸，這一特點(diǎn)在文物保護(hù)中是非常重要的。因此，采用逆向工程結(jié)合3D打印技術(shù)可為文物保護(hù)提供一條行之有效的全新途徑——既解決了傳統(tǒng)文物保護(hù)過程中可能會(huì)損壞文物的問題，又獲取了文物的三維數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)文物的更好保護(hù)。這為文物后續(xù)的合理利用與開發(fā)奠定基礎(chǔ)，為解決傳統(tǒng)文物保護(hù)出現(xiàn)的問題提供一條全新途徑，具體研究意義如下。

1.1 采用3D打印和逆向工程技術(shù)可以降低或避免文物保護(hù)中的二次傷害

文物保護(hù)工作的主要目的是傳承文化和銘記歷史，而這一目的主要是通過文物展覽實(shí)現(xiàn)的，在文物展覽過程中為了避免對珍貴文物造成損害，往往是陳列復(fù)制品或者通過影像等其他方式供大眾觀賞，而將文物原件珍藏。此外，出土或是傳承下來的文物受各種因素的影響往往是不完整的，此時(shí)文物修復(fù)工作必不可少。傳統(tǒng)的文物修復(fù)或復(fù)制多采用翻模工藝，但修復(fù)期間不可避免地會(huì)與文物產(chǎn)生直接接觸，此過程可能會(huì)對文物產(chǎn)生二次傷害，造成不可挽回的損壞。因此，文物保護(hù)亟須采用創(chuàng)新工藝。

采用無接觸的三維掃描儀獲取文物三維模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用逆向工程技術(shù)對缺損部分進(jìn)行修復(fù)，通過3D打印技術(shù)制造缺損部位進(jìn)行修補(bǔ)。與傳統(tǒng)翻模工藝相比，新技術(shù)所制造出的修補(bǔ)件與原件吻合度更高，與文物無直接接觸，對文物造成的傷害較少。

1.2 采用3D打印和逆向工程技術(shù)可以降低文物修復(fù)難度，提高文物修復(fù)的精度和效率

由于文物歷史久遠(yuǎn)，很少會(huì)有圖紙、模子等留存下來，所以殘缺文物的修復(fù)一直是文物保護(hù)工作中的重點(diǎn)和難題。在修復(fù)工作中，文物修復(fù)工作者往往根據(jù)文物自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（如對稱性等）或以往經(jīng)驗(yàn)對文物殘缺部分進(jìn)行雕刻、打磨、黏結(jié)等修復(fù)工作。修復(fù)工作主觀性較強(qiáng)、技術(shù)難度較大、修復(fù)周期長，對文物修復(fù)工作者技術(shù)要求較高。此外，由于諸多因素的影響，制作出來的修補(bǔ)件與原件之間的吻合度普遍較差，需要人工進(jìn)行不斷打磨以進(jìn)行適配，這不僅增加了文物修復(fù)工作者的工作量，還影響文物修復(fù)的精度和效率。

3D打印技術(shù)是通過三維模型數(shù)據(jù)以材料逐層累加的方法來制造零件的技術(shù)，相比于傳統(tǒng)加工方法，通過逆向工程技術(shù)獲取文物殘缺部分三維模型再經(jīng)由3D打印制造修補(bǔ)文物將更加快速靈活。從理論上講，3D打印技術(shù)可以成形任意復(fù)雜形狀的零部件，經(jīng)過簡單的打磨、上色等后處理便可以完成文物修復(fù)工作，這無疑降低了文物修復(fù)工作的難度，提高了文物修復(fù)工作的效率。通過三維掃描儀獲取文物的三維模型，在三維參數(shù)化建模軟件（如SolidWorks、UG或Pro/E等軟件）中補(bǔ)全殘缺部分，從而可以獲得高精度、高吻合度的修補(bǔ)件模型，相比于傳統(tǒng)修復(fù)方法，新技術(shù)的精度更高。

1.3 采用3D打印和逆向工程技術(shù)可以充分發(fā)揮文物的價(jià)值

考慮到諸多不安全因素，在文物展覽過程中往往不會(huì)展示原件，多是僅僅展示其圖片或是視頻，這無疑使文物展覽的價(jià)值大打折扣。此外，文物多保管于博物館，由于條件限制，很多人無法實(shí)地參觀。而利用逆向工程技術(shù)，研究人員或文保工作者可以構(gòu)建出完整的文物三維數(shù)字模型，這些三維模型既可以用來建立數(shù)字博物館，讓人們可以通過網(wǎng)絡(luò)虛擬參觀，滿足了遠(yuǎn)程參觀和多次參觀的需求，又可以利用3D打印技術(shù)制作出復(fù)制品用于展覽，參觀群眾可以真實(shí)地、具象地進(jìn)行觀賞，甚至可以觸摸。另外，對于已獲得的文物模型，可以對其進(jìn)行再創(chuàng)造，利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造出具有音效或者動(dòng)作功能的文物衍生工藝品，讓文物獲得新生，這樣既保護(hù)了文物又充分發(fā)揮了文物的價(jià)值，為文物的開發(fā)利用提供了新的思路。

另外，對于大型室外文物如雕像、壁畫、摩崖石刻、古戰(zhàn)場和古建筑等，傳統(tǒng)方法無法將其放到博物館供參觀者參觀，但利用逆向工程技術(shù)和3D打印技術(shù)，可以制作成文物復(fù)制品或縮小比例的工藝品，參觀者可以零距離接觸文物，實(shí)現(xiàn)文物價(jià)值的充分利用。

綜上所述，將3D打印和逆向工程技術(shù)應(yīng)用于文物保護(hù)與利用，既具有創(chuàng)新意義又具有應(yīng)用價(jià)值。

2 研究方案

在分析3D打印和逆向工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，具體方案如下：首先分析文物的具體特征（外形、材料及受損情況等），然后利用逆向工程技術(shù)中非接觸掃描技術(shù)如三維激光掃描儀對文物進(jìn)行無接觸式掃描，從而獲取文物的三維數(shù)字模型，再利用三維參數(shù)化建模軟件對獲得的文物模型進(jìn)行再處理。如果文物出現(xiàn)殘缺破損需要修復(fù)，則首先使用相關(guān)軟件建立殘缺破損部位的三維模型，再利用3D打印技術(shù)制造出待修補(bǔ)部位，技術(shù)人員對修補(bǔ)件進(jìn)行打磨、上色、做舊等后處理對殘缺文物進(jìn)行修復(fù)。如果是需要館藏的文物，則可以通過3D打印技術(shù)復(fù)制出高還原度的復(fù)制品。這樣修復(fù)或是復(fù)制的文物既可以供人觀賞，又最大限度地保留了其本身價(jià)值。有了3D打印和逆向工程技術(shù)的支持，文物不再只是展示柜中的一個(gè)實(shí)物、一張圖片或是一段視頻。

除此之外，通過逆向工程技術(shù)建立的文物模型，還可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬博物館。借助互聯(lián)網(wǎng)平臺，我們可以建設(shè)虛擬博物館，不再局限于空間和時(shí)間的限制。傳統(tǒng)博物館的信息組織形式是線性組織形式，參觀者需要根據(jù)規(guī)劃的路線依次參觀，而在虛擬博物館中參觀者可以根據(jù)喜好自由觀賞，可以360度地觀察文物的細(xì)節(jié)，甚至可以借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡稱AR）實(shí)現(xiàn)對文物的虛擬拆解，有助于增強(qiáng)參觀者了解文物的結(jié)構(gòu)。受空間等條件限制，每座博物館所能保存和展覽的文物是有限的，借助網(wǎng)絡(luò)我們可以實(shí)現(xiàn)理論上無限的文物集合。屆時(shí)，博物館的藏品將不會(huì)局限于某一朝代或是某一類型，我們可以將現(xiàn)有的文物集合起來，打造一座時(shí)代與類型大融合的虛擬博物館，這對于文物保護(hù)與利用工作及教育方面具有極大價(jià)值。

對于獲取的文物三維模型，不僅僅可以用于文物修復(fù)和復(fù)制以及建立虛擬博物館，我們還可以進(jìn)行再創(chuàng)造，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的文物衍生紀(jì)念品。在三維參數(shù)化建模軟件中對已獲得的文物模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?、縮放等操作，為文物模型設(shè)計(jì)一個(gè)大小適當(dāng)?shù)牡鬃ㄟ^3D打印技術(shù)制造出實(shí)體，其中放置語音發(fā)聲模塊。采用觸摸式設(shè)計(jì)，當(dāng)我們觸摸紀(jì)念品表面時(shí)，內(nèi)置的語音發(fā)聲模塊播放預(yù)置的音頻，讓文物講述自己的歷史，賦予文物新的生命。對于特殊參觀者如盲人或聾啞殘障人士，這種可觸摸或可發(fā)聲的文物無疑是了解文物的最佳途徑。綜上所述，基于3D打印與逆向工程技術(shù)的文物保護(hù)與利用研究方案如圖1所示。

圖1 基于3D打印與逆向工程技術(shù)的文物保護(hù)與利用研究方案

3 實(shí)例

文物的保護(hù)工作對于研究歷史和傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化有非常重要的作用，傳統(tǒng)的文物保護(hù)方法不可避免地會(huì)對文物造成二次傷害，利用逆向工程和3D打印技術(shù)進(jìn)行文物修復(fù)或復(fù)制可以創(chuàng)新地解決這一問題。以圖2所示石像為例進(jìn)行文物保護(hù)與利用實(shí)驗(yàn)，分析利用逆向工程技術(shù)和3D打印技術(shù)完成文物復(fù)制和文物文創(chuàng)產(chǎn)品的開發(fā)。

如圖2所示石像，傳統(tǒng)文物保護(hù)方法是通過翻模工藝進(jìn)行修復(fù)或復(fù)制。而利用逆向工程技術(shù)中常用的激光三維掃描儀，則可無接觸獲得如圖3所示的文物三維數(shù)字模型。所得到的三維數(shù)字模型既可以保存到文物三維模型數(shù)據(jù)庫中，也可以對其進(jìn)行修改和二次創(chuàng)作，設(shè)計(jì)出具有實(shí)用價(jià)值的文創(chuàng)產(chǎn)品。如本實(shí)例中，在石像三維模型的底部添加一個(gè)大小比例符合審美的底座，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)鎮(zhèn)紙產(chǎn)品（圖4）；也可以將該石像模型縮小后設(shè)計(jì)為鑰匙扣掛墜工藝品（圖5）；同時(shí)可以提取該石像三維模型相關(guān)特征設(shè)計(jì)出與大眾審美與功能實(shí)用相結(jié)合的工藝品。這樣，在保護(hù)文物的同時(shí)最大限度地發(fā)揮了文物的價(jià)值。

圖2 石像

圖3 石像三維模型

圖4 文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)——鎮(zhèn)紙

圖5 文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)——鑰匙扣掛墜

以圖5為例，將該石像的三維數(shù)字模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，最終打印出圖6的文物衍生的工藝品，該工藝品是由高分子材料聚乳酸制造的，也可以通過激光3D打印機(jī)如激光熔融打印機(jī)打印出金屬材質(zhì)或陶瓷材質(zhì)等材料的工藝品。由圖6可以看出該3D打印工藝品表面較為粗糙，后續(xù)需要后處理包括去支撐材料、打磨、上色等便可得到精度較高的文物復(fù)制品或文創(chuàng)產(chǎn)品。

圖6 未經(jīng)后處理的石像3D打印復(fù)制品

4 結(jié)論與展望

由于3D打印與逆向工程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無損保護(hù)文物，近年來該技術(shù)逐步受到文物保護(hù)工作者及社會(huì)的廣泛關(guān)注。利用該技術(shù)不但可以保護(hù)文物，還可以通過二次創(chuàng)作衍生工藝品而充分發(fā)揮文物的價(jià)值。需要關(guān)注的是，3D打印與逆向工程技術(shù)是項(xiàng)新技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中還存在一定不足，如材料受限制、色彩表現(xiàn)力不足、大型文物無法一次打印和標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)準(zhǔn)則缺乏以及打印材料及設(shè)備成本高等相關(guān)問題。但隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，這些技術(shù)問題一定能得到妥善解決，從而成為文物保護(hù)與利用的重要方法。

3D打印和逆向工程技術(shù)作為前沿技術(shù)還不足以顛覆文物保護(hù)中的傳統(tǒng)保護(hù)技藝，但其無害、高效的特點(diǎn)足以奠定其未來的重要地位。在未來的發(fā)展中，相關(guān)技術(shù)會(huì)越發(fā)成熟，所存在的問題會(huì)被解決。無論是利用3D打印和逆向工程技術(shù)完成文物修復(fù)或復(fù)制工作或是設(shè)計(jì)文物相關(guān)衍生工藝品，還是利用三維數(shù)字化技術(shù)建立虛擬博物館，歸根到底都是賦予文物新的生命，使文物能夠充分發(fā)揮傳承歷史的功能，這才是對文物最好的保護(hù)。