3D打印技术在古代早期陶器复制中的应用

卜卫民

摘要：随着3D打印技术应用范围的不断发展与普及，越来越多的博物馆和文物修复人员尝试将3D打印技术融入到传统的文物修复中去。本文主要围绕新石器时期的陶器复制工作，从文物信息的采集到文物实体的修复复制，讨论3D打印技术在操作中的具体应用及其优劣。文章主要运用的研究方法是比较法与复原实验的方法。3D扫描的非接触式采集文物信息的特点，杜绝了传统接触式采集复制文物信息而带来的二次损害风险。3D打印逐渐融入到传统文物修复方案的制定与实施中，使其可以适应多材质文物的不同需求，更好的提升了传统文物修复的效率。

关键词：3D打印;文物修复;复制

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）05-0128-03

因为大多文物具有不可再生性与较高的历史价值，还会伴随着易损性、不稳定性等因素。所以每一位文物工作者在与文物接触时，保证文物的绝对安全是首要条件。3D打印技术的非接触性取样是文物修复团队最为重视的特点之一。3D打印技术可以在不损伤文物的前提下，通过三维扫描仪收集详细的文物数据。并且，电子测量后的处理数据速度快，具有很高的精准度。三维扫描技术得到的数据容性较好，可以在最快时间内高效完成复制文物的前期准备工作。

1 文物保护与博物馆展示对于3D打印技术的需求

1.1 我国文物复制的条款与文物资源利用保护

《中华人民共和国文物保护实施条例》，第四十六条明确指出“复制、拍摄、拓印馆藏文物，不得对馆藏文物造成损害”。所以我国的法律就要求文物修复工作者要运用更多高新技术手段，在保证文物绝对安全的前提下完成复制工作。在科技不断发展、全球化进程加快的今天，复制和传播已经成为一种趋势。我国博物馆有着丰富的馆藏，但是由于展厅面积的限制，导致我国目前展出的文物数量有限，而目前即使通过出版画册也不能有效地解决此问题^[1]。我国目前破损文物较多，博物馆修复人才的缺乏导致修复与复制的效率难以快速提升。根据“全国馆藏文物腐蚀损失调查”显示，目前我国3200余座国有博物馆中，有近50.66%的馆藏文物存在不同程度的腐蚀损害，重度以上腐蚀的馆藏文物达230多万件，占被腐蚀文物的16.5%^[2]。3D打印技术能将文物的三维形象放在博物馆的官方网站上进行虚拟展示，观众可以360度观察器物及其细节，这势必会促进社会各界对于文物的研究、利用和创新。

3D打印技术较好地保存了文物的细节信息，所以采集信息完毕后可以在任何时间复制文物。2017年，IS武装分子在叙利亚地区破坏了众多博物馆与遗址，文物被毁、丟失，流入黑市者不计其数。为了谴责IS恐怖组织的暴行，由欧美高校与博物馆合资组建的数码考古学研究所（IDA），用全球最大3D打印机复制了叙利亚贝尔神庙的拱门并在英国与美国的广场上公开展出。而国家文物局在发布《第一次全国可移动文物普查工作报告》后，也希望社会各界能够激活中华优秀传统文化的生命力和影响力，促进文物资源活起来。所以3D打印技术在文物复制中的应用，也能发挥现代科技在传承中华优秀传统文化的独特作用。

1.2 实验室修复前的数据采集与制定修复方案

受到考古工地的空间与发掘时间的限制，一些出土的密封器物可能会转移到实验室中进行开启、记录与研究。所以借助于CT扫描技术考古人员就已经预先知道内部的器物状态，并且可以利用3D打印预先打印出来进行观察，这为下一步的实验考古提供了依据。在上海博物馆考古部对于青龙镇遗址的考古发掘中，实验室通过对隆平寺塔基地宫出土的套函进行CT扫描，就已经知道内部的器物的叠压关系，并且用建模的技术将佛珠底部的银质莲花进行了还原。这样我们就可以根据扫描的状况实现制定文物修复的保护方案。因为获取了三维数据，就可以对文物缺失的部分进行还原、填充与补缺。

2 博物馆对于3D打印技术与复制品的展示

2.1 对于珍贵文物与稀缺文物的必要复制

博物馆为了展览的完整性或教育效果，会在展览中展出一些文物的复制品。但为了避免混淆观众对于文物真伪的视听，博物馆要使用尽可能接近原始器物的复制品，并且在展品的名牌上还要进行标注。一些文物的原件出于文物保护要求的考虑，藏起存放于文物库房进行妥善保管。中国国家博物馆收藏的后母戊大方鼎出于楼层承重的考虑采用复制品展示，但是由于精细地复制所以在几十年间没有影响展示效果。地方博物馆的很多文物都被调拨给了中国国家博物馆，但是有些文物对于叙述一个地方的历史至关重要的，例如云南石寨山出土的滇王金印。所以对于调拨至中国国家博物馆的地方珍贵文物，需要利用3D打印技术复制一件复制品在当地的博物馆进行展示。

在展覽中需要相关文物进行教育展示时，可以借助3D打印技术以其产品难以分辨的外观、感受解决这一问题。过去的展示方式在展示大型建筑、遗址的微缩模型时，都是采取了艺术化的处理效果，很多能体现真实感的细节都在模型的制作中被人为地剔除了。所以3D打印可以将大型的建筑、遗址等比缩小进行展示，能给观众带来丰富的观展体验。而陶器对保管、展示条件有一定要求。早期陶器的烧造温度一般是在600度左右，在某些文化中的烧造温度可达900度。而瓷器的烧造温度在120以上才能发生瓷化反映，所以瓷器的质地较为坚硬，而一些陶器上的彩绘很容易在长时间的照射下褪色，这给文物保护工作带来了新的问题。

2.2 对于考古发掘过程与修复过程的展示

在扬州举办的《萧后冠实验室考古与保护成果展》上，就展出了萧后冠原尺寸3D打印树脂模型。这个模型能清晰地辨认出萧后冠与放置在一起的器物，可以告诉观众萧后冠在最初发现时的原始状况。所以3D打印技术可以将一些动态的过程实体化，这样以实体的模型展示代替了传统的图片展示，能让观众获得更为直观的感受。

3D打印技术修复文物的过程也可以用展览的形式表现，这样可以提高观众文物保护的意识，增加对于科学文物修复的理解。传统的手工一般是直接在文物上翻模，对于不适于翻模的文物则采用粘土塑形复制，这一过程在展示上比较单一，就是展示模具与复制品。但是我们在展览中可以把实验室搬入展厅，把设备、材料与制作过程都进行展示，这样展品更为多元，也满足了观众的好奇心。2013年，陕西历史博物馆举办了《巧手良医——陕西历史博物馆文物保护修复工作展》。在这次展览上一批高科技的设备得以展示，并且展览中文物修复工作者将馆藏文物金怪兽通过3D打印技术耗时15个小时制作出来进行展示，和文物原件几乎完全一致的效果让观众难辨真假。

3 基于3D打印技术对崧泽遗址陶豆的复制

3.1 文物状态分析与定位粘纸的使用

上海博物馆文物修复研究团队曾为上海崧泽遗址博物馆进行一批早期陶器的复制工作。崧泽古文化遗址是新石器时代遗址，距今约5000-6000年。由于博物馆需要这批器物筹备新的展览，文物修复团队需要在短时间内完成复制10多件陶器的复制工作。这批陶器的形制与尺寸较为多元，有直径约50多公分的陶鼎，还伴随上次修复产生的新的不稳定性;还有的陶器胎体较薄，并且其密度的分布并不均匀。这些问题为使用传统复制技术带来了一定的困难。因此复制团队尝试了使用3D打印技术进行复制文物的工作，本文以灰陶镂空纹豆（圖1）为例来叙述复制过程中的几个关键的步骤。

在对灰陶镂空纹豆进行取样的过程中，除了贴一些定位粘纸以外，文物修复团队几乎在取样的过程中不接触器物，做到了与文物最少接触的修复原则。这些定位贴纸主要附着在陶豆的盘与束腰部位，在边缘外侧与底部也有附着。定位粘纸的粘度较低，并且还可以有效地避开彩绘、裂痕等部分，容易摘取对陶器表面基本没有损伤与损害。图1就是本次修复中定位粘纸的具体粘贴位置。

3.2 陶豆三维数据的采集与三维图像的制作

文物复制工作最重要的是文物的安全，因此有关文物的数据采集都应该在博物馆完成，不应搬运文物。所以如果相关设备是第三方提供，首先应该保证文物数据采集在博物馆完成，其次签订文物信息保密协议不得外传。因此通过以下固定式3D扫描仪、及数据采集板，我们可以获得具体的文物信息。文物复制团队主要利用采集工具及图像测量软件，对于灰陶镂空纹豆的三维数据信息进行采集。

进行3D打印的前提是尽可能多地获取器物的高精度三维数据，文物修复团队对于文物的测绘要达到正负一毫米的精度。数据的采集主要依靠三维扫描仪来实现，为了保证对于陶器表面的最小干预，我们选择了与自然光最为接近的白光扫描仪。在光栅条纹持续1 0分钟投影到灰陶镂空纹豆表面后，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照。这样器物表面的三维坐标点集就被有效地收集，获得了这件器物的点云（Point Cloud）。

数据采集输入电脑后通过后台数据处理，文物复制团队可以获取高精度的三维数据，并通过CAD软件可以进一步完善数据直接生成三维图像（图2）。部分误差需要由人工进行检测问题，以便后期高精度的图像输出。3D数字建模技术获得数据易于修改与调整，都是通过软件中的工具完成。这样可以保证文物绝对安全的情况下，进行文物复制的精准输出。基于高精度3D扫描仪取型，后期软件再修改的基础上，我们获得极为精确的文物体量数据，包括一些细节信息。虽然电脑对于颜色的输出还不能完全符合器物的真实颜色，但将来一旦攻克应该能更普及更适用于文物复制工作。

3.3 复制陶豆白模与复制品修正

获取灰陶镂空陶豆的数字信息后，再通过熔融沉积成型技术（FDM）进行打印输出。熔融沉积成型技术利用高温将光敏树脂材料融化成液态，通过打印头按照数字建模挤出后冷却固化。光敏树脂成型后颜色为白色，质量较轻，与原物有一定差距。后期文物复制团队通过灌注石膏等方法使两者重量接近，并可获得较好的完整度。获取灰陶镂空陶豆白模后，我们先进行基础打磨，使用水砂纸打磨至光滑，消除所有3D打印造成的纹样，并根据原物进行查遗补漏工作，将外型修整一致（图3）。

外型修整工作完成后，复制团队使用石膏、丙烯颜料、Jade 403无酸白乳胶、HMG Paraloid 72、滑石粉、烟灰、黄土等材料进行作色工作，先用石膏敷至内部，使3D打印复制品的质量与真品接近。之后作色步骤分为底色制作、运用乳胶的快速干燥性混合黄土烟灰等，便可制作出较有质感的底色。通过丙烯颜料与滑石粉组合精确绘制细节颜色，最后使用Araldite为基材调和颜色，通过“点”、“擦”、“剥离”等手法，做出陶器表面的机理和质感，使真品与复制品的颜色质感逐渐接近，根据经验再调整颜色最终完成灰陶镂空陶豆的复制工作（图4）。

3.4 3D打印技术在陶器复制中仍需解决的问题

目前3D打印技术在文物修复领域中已经得到了一定的运用。例如：三维重建和3D打印在兵马俑修复中的应用，对兵马俑各碎片的点云数据建立三维模型后制造多套复制品探索拼接方法^[3]。并且有很多硕博士对3D打印技术进行了理论上的探讨，例如对于3D打印技术应用于文物复制的可行性进行研究^[4]，还有面向馆藏文物的三维数据获取及可视化研究等^[5]。可见3D打印技术应用于文物保护、复制、修复逐渐走向成熟，随着理论、实验的大量积累成为文物工作的常用设备与技术。但是3D打印技术在陶器复制中仍有两个问题需要科技人员解决

首先，对于一些陶器上的浅浮雕与一些精细的痕迹无法做到高精度的复制。文物复制要求最大限度地还原文物的真实情况。早期的陶器大多是慢轮制作或是手工制作，其表面留有很多手工制作的痕迹。由于古代陶器可能存在多次使用的状况，所以一些陶器上的起伏较为微妙，这给3D打印技术与传统复制手法带来了一定的困难。例如在后期景德镇的窖址中，我们就可以看到工匠制造匣钵的指纹，当然这种情况在早期的陶器中也有发狐所以随着光学拍照定位技术的不断发展与激光打印液态树脂的固化精度不断提高，相信文物本身的诸多细微的细节也能够得到进一步关注。尤其是拥有精细纹样的青铜器，在底材坚固的铜器表面进行传统翻制，对文物的影响基本可控，因此我们可以查阅我馆老前辈的翻模模具，这体现了翻模工艺的精准、精巧与巧妙，也是工匠精神的最好诠释，在不久的将来，待3D打印技术再进一步发展，可能这些精美的模具再也不会产生。

第二，目前可使用的打印材料限于光敏树脂、铜、锡、钛等材料，对于陶土类的文物残缺还不能用类似材质进行打印。目前传统方法对于器物复制遵循的思路，就是按照模拟原始模具与工序重新实践器物的制造过程。所以传统手法对于陶器的复制往往是采取翻模的手法，即打样稿、制作石膏与硅橡胶等对文物直接取样（在有保护层的基础之上），接着在翻模结束后进行复制。这样运用传统器物复制技术就可以使用同一种介质去复制并做旧，这样更接近文物的真是材质。但是3D打印在陶器文物的复制中只能获得一个表面。美国纽约大学艺术史教授乔迅的《魅惑的表面：明清的玩好之物》一书中，指出人们从文物的“表面资源”中获得了愉悦并由此产生人们精神与身体的互动 。所以说只要是3D打印技术与传统复制技术对于表面的细节、彩绘进行很好的结合，这一技术难关可以综合两种手法进行处理。

第三，3D打印是通过逐层叠加的方式获得立体的模型，而每一层的打印针头释放液体的剂量很少，1厘米的厚度高度可能需要两个半小时的打印时间。所以在3D打印的过程中，不能受到任何外力的干扰，否则的话一次间断可能使液体固化而影响最终打印的效果。而传统的工艺基本上不受到时间的限制，但是复制技艺的习得需要时间，而且不能快速地被他人学习，所以传统文物修复技艺的传承容易中断，但是3D打印技术可以培养更多的人掌握这项技术。

4 结论

笔者通过一项复制实例阐述了3D打印技术对于文物复制的重要性，该项技术的良好应用使得文物修复团队在“零”接触文物的前提下，完成了灰陶镂空陶豆的复制工作。基于我国文物保护条例，我们的复制工作必须在绝对安全条件下进行，所以3D打印技术的发展、推进、应用于文物复制、修复领域是必须推进的工作，需要更多博物馆修复团队在保障文物绝对安全的前提下进行更多的实验与研究。但传统复制技术并不应该被科技淘汰。3D打印技术的复制能力尚不能应用于精细文物，而传统技术能够在非常稳定的文物上进行精细复制。所以在积极接纳新技术的同时，可将传统复制技术作为非物质文化继续传承。

参考文献

[1]于奇赫.浅议中国博物馆藏品的在线数据库建设[J].博物馆研究，2017 （1）：10-11.

[2]李曼，刘文科.救治患病文物的医院文物保护实验室[J].大众考古，2014 （8）：61-63.

[3]舒欢.三维重建和3D打印在兵马俑修复中的应用[J].电子科学技术，2017 （4）：160-163.

[4]张晓青.3D打印技术应用于文物复制的可行性研究[D].北京印刷学院硕士学位论文，2014.

[5]俞朝晖，面向馆藏文物的三维数据获取及可视化研究[D].华南理工大学博士学位论文，2016.

[6]（美）乔迅.魅惑的表面：明清的玩好之物[M].北京：中央编译出版社出版，2017：14.