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浅谈3D打印技术在陶瓷类文物修复和复制中的应用

http://www.printing.hc360.com2017年12月07日16:47 来源:杨蕴上海博物馆文物修复研究室T|T

    3D打印随着计算机技术、信息技术和新材料等系列关键技术的成熟和突破,已然成为现代模型磨具和零件制造的高效途径,在多个领域得到越来越多的重视以及应用。作为古人智慧的结晶,文物承载着大量艺术人文信息。由于陶瓷类文物珍贵、年代久远以及其材质本身的脆弱性,如何在保护文物的前提下,在修复和复制过程中准确获取文物信息,做好修复复制工作,是每一位有强烈文物保护意识的修复工作者的责任使命。

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    如今,3D打印技术以其“个性化定制”和“采集数据信息无需实际接触文物”等特点,已经可以被运用于文物修复和复制中,成为文物保护意识下最大降低修复与复制中文物二次损坏的良好措施和手段之一。事实上,3D技术已经被运用于文物保护,新疆龟兹石窟的复原就是一例。

    1、陶器的复制

    简单地以陶器复制为例,需要打印复制一件文物主要有3个步骤。

    (1)高精度三维数据的准确获取。

    (2)三维软件的建模,也就是三维数据的高效处理。

    (3)3D打印成型,也就是三维数据的输出。结合这次为崧泽遗址博物馆复制的一批陶器,进一步阐述一下复制过程。

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    首先,复制一件陶器,需要该器物的三维数据,此三维数据需要三维扫描仪来采集。本研究采用了较为常见的白光扫描仪,白光扫描仪同自然光一样,对文物表面色彩等损害比较小。采集时间与器物大小、复杂程度有关,一般而言,一个20cm高的陶罐,数据采集大概需要10min,之后在计算机上进行数据处理需要10~20min,数据的精度在0.03mm。3D建模质量直接决定了3D打印模型质量,在此过程中可采用CAD等矢量建模软件。

    得到三维数据后,数据是矢量的,可以等比例放大或者缩小到自己需要的尺寸进行三维打印。本次采取的是相同比例复制打印。打印的机器有多种,现在常规的是用光敏树脂,也就是液化打印,是通过激光在液体材料聚焦固化成形,精度为0.05mm。也有粉末化和丝化的固体材料逐层打印出器物的,其特点是“增材制造”,就是根据数字化图形信息通过增加材料的方法生成任何形状的器物。在这批陶器复制中,比较了液化打印和粉末化打印两种方法。粉末化打印的牢度和精度都略差些,不能符合这批陶器复制要求。这批16件的陶器复制品中15件因有纹饰和精细程度的需要,采用了光敏树脂的液化打印,只有一件表面光滑没有纹饰的陶器采用了粉末化打印。

    光敏树脂成型后的器物材质细腻,有韧性,可以打磨,不易碎。粉末打印的器物表面相对粗糙,材质结构不够紧密,脆性,易碎。但是,粉末打印相对材料成本低,适合大件器物复制打印。粉末打印还可以在打印过程中加入颜色,也就是所谓的彩色打印。因采集三维数据时碍于文物的安全性一般在室内进行,由于室内光线、扫描仪器的精度等影响,在后期三维数据处理中,颜色的失真较严重,陶器文物本身表面又有丰富的层次,三维数据处理中对器物表面颜色调整和把握要求很高,一般很难打印出理想的陶器颜色。期间用彩色打印的方法打印了一块小样,不能还原陶器原来色泽。所以,在液化打印和粉末打印中都采用了白色材料的打印。之后根据陶器原件的色泽再运用传统方法手工描绘,着色,做土沁等来还原陶器的原始风貌。

    2、实例

    以这件带盖黑陶罐为例,因复制陶器只需外形打印,为了节省成本,打印出来的光敏树脂复制件就着外形壁厚比较薄,再有光敏树脂本身材质比较轻,所以先在打印出来的复制品内部均匀铺上一层石膏,增加复制件的壁厚和体量重量,使整个复制件更有质感。

    3D而后再在整个打印出来的带有纹饰的白色器形上刷上一层调和了黄土和香灰、含一定水分和白胶的调和液刷,等半干的时候用湿抹布擦去表面留下的黄色,但此时缝隙中已经嵌入黄色“尘土”。等干透后,在整个器身喷绘上按陶器本身颜色调色的深黑色漆料(也可用丙烯颜料)。再次干透后,用自制的尖头竹刀小心剔除图案纹饰里表面的黑色,因底下有一定厚度的黄土调和物,又是附着力不强的稀释后的白胶粘附的,所以很容易就露出了类似土沁的黄色。

    再在干透后的表面花纹上描绘些黄褐色或需要补上的其他土锈。干透后用合众牌“AAA”环氧树脂调和后加入适当捻磨细的洛阳黄土和适当香灰,也可根据需要加入适当颜色粉,并按需要调试出类似土沁的质地和色泽的调和液,用自制的尖头工具蘸些,慢慢按需要运用“滚”、“点”、“贴”等手法,在器身表面描绘出土沁的分布,并掌握好时间,大约半小时后在环氧树脂将干未干时,撒上碾细的黄土和香灰调和粉,撒在土锈表面形成一层浮土,压盖住环氧树脂干透后会形成的光泽。等再次干透后,这件陶器的大致样子已经貌似如旧,这时再和原器仔细对比,按原器分布仔细调整土沁和斑驳感,手绘出更加丰富的层次感。盖子也如法炮制。一件几千年前的黑陶复制品就栩栩如生的再现在眼前了。

    3、修复再谈谈3D打印在文物修复中应用的可行性

    文物修复中的应用更多的是在数据上的操作,有了三维数据,可以对缺失部分,进行各种修补,比如进行缺失部分的补缺填充,再复制另外完整地方的花纹、纹饰、形状进行补缺。如果缺失面比较大,而有相同部件或者反相部件,直接可以复制过来,或者截取后再镜像一下,这样就可以把整个部件修补出来,或者采取布尔运算,把缺失的那块计算出来,再进行打印。

    3D打印的优势在于,非接触式进行扫描,修补,复制,最大限度地减少了传统工艺中翻模对文物的伤害,而且其快速性、精确性也是传统工艺无法比拟的。

    3D打印技术由于不需要接触文物就可采集信息,在文物修复复制过程中强调文物安全预防二次损害都有跨时代的积极意义。在对称物件中还能运用镜像原理复制相反方向的部件,避免以前手工塑形翻模等复杂过程,更能通过高度的准确性保持文物原汁原味的韵味。

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