3D打印与逆向工程技术在文物保护中的应用研究进展

许小龙　李成凯　邵漠宇　邓星　赵阳阳　邹伟

摘 要：由于3D打印与逆向工程技术在保护文物时具有快速、较高精度和不会产生二次损害等优点，该技术在文物保护工作中的重要地位日趋显露。通过梳理近几年国内外3D打印与逆向工程技术在文物保护应用研究的相关文献，对理论研究、应用现状和存在问题做一综述。目前，3D打印与逆向工程技术已逐渐被应用于文物修复以及文物复制方面，尽管存在一定的局限性，但已取得一定进展，以期为后续研究者提供新的思路。

关键词：逆向工程;3D打印;文物保护

0 引言

文物是历史的见证、文明的果实，具有极大研究价值，而文物在见证历史的同时也遭受着自然及人为因素的破坏。2002年，国家文物局启动了全国馆藏文物腐蚀损失调查项目，根据调查①显示，我国有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230多万件，占被腐蚀文物的16.5%，由此可见文物保护工作刻不容缓。常见的文物保护方法有修复和复制两种，而采用传统文物保护方法，不可避免地会与文物直接接触而有可能造成二次损害。然而，《中华人民共和国文物保护实施条例》第四十六条明确提出复制、拍摄、拓印馆藏文物，“不得对馆藏文物造成损害”，因此文物保护工作急需创新工艺。

3D打印是一种以数字模型为基础，通过叠层成形的方式来制造物体的技术。3D打印技术具有快速、灵活及适应性强等特点，近年来受到业界广泛关注，在机械、运输交通、医学、通信、建筑和考古等行业得到应用。逆向工程②是产品设计制造技术中的一种先进技术，主要是通过一定方式将已有的实物转化为数字化CAD模型，进而开发出更先进的同类产品。3D打印所需的三维数字模型可以通过逆向工程技术常采用的设备—无接触式的三维扫描仪获得，期间与所复制或修复的物品无直接接触，这一工艺在文物保护中是非常重要的。同时，采用该技术还可降低文物修复难度，提高文物修复精度和工作效率。因此，3D打印与逆向工程技术为文物保护工作提供了新思路。

将3D打印与逆向工程技术应用于文物保护工作，不仅具有创新意义还具有极大的应用价值。本文综述了3D打印与逆向工程技术在文物保护中的应用研究进展。

1 3D打印与逆向工程技术在文物保护中的应用现状

大力推行文物保护是为了最大限度延长文物寿命，真实全面地保留其历史信息并发挥文物价值。在文物保护方面，采用3D打印技术对文物无损保护这一特点突破了传统翻模复制的限制，这将是文物保护历史上新的篇章。

1.1 理论研究

近年来，国内外许多学者对3D打印在文物保护中的应用进行了理论上的研究及实践探索。张晓青③等阐述了3D打印技术良好的发展趋势，从政策可行性和技术可行性两个方面论证了3D打印技术应用于文物复制的可行性，并利用3D打印技术复制出了古籍。Neumüller④等提出利用3D打印可以控制文物的形状大小，使之更适合人手的大小，从而实现多感官的教育学习，尤其是利用触觉进行学习，同时也为那些视觉障碍者提供了学习途径。牛世鑫⑤等分析了现代设计中仿古建筑的特点，从高精度复原等方面介绍了3D打印技术在仿古建筑中应用的巨大优势，同时也提出了3D打印成本高的这一现实问题。在陶器复制中，杨蕴①等通过分析3D打印技术复制陶器的主要过程，分析了液化打印、粉末打印两种3D打印方法的优缺点，最后证明3D打印技术由于无接触式复制以及高精度的特点在文物保护领域是具有跨时代的意义，这肯定了3D打印在文物保护中应用的价值。史宁昌②等通过介绍3D打印的工作原理及在文物保护中应用的技术路线，从文物复制、文物碎片拼接和残缺文物修复三个角度出发对3D打印在文物保护中的应用展开了初期理论探讨，同时也发现还存在材料限制、色彩单一等问题。郭欢磊③等从三维数字模型的获得和处理的角度论证了3D打印及逆向工程技术在文物保护中应用的可行性。

综上所述，许多学者从各个角度探讨了3D打印与逆向工程技术在文物保护领域应用的可行性，从理论及实践上证明了3D打印与逆向工程技术在文物保护中的重要性。

1.2 应用现状

在理论研究的基础上，国内外许多学者开始尝试在文物保护中应用3D打印与逆向工程技术，经过多年的发展，这项创新技术逐渐在文物保护中占有一席之地。

高秀芬④研究了3D打印技术在寻甸彝族非遗器物传承与保护中的应用，采用3D打印技术及逆向工程技术将民族服饰装饰品、少数民族器物等非遗器物进行了数字建模及3D打印，在保护非遗器物的同时实现了文化传承。李文怡⑤等较早地应用3D打印技术对隋代残缺白瓷高足杯完成了修复工作，并取得了良好的成果。在修复过程中，工作人员利用三维扫描仪获得残缺部分的三维数字模型数据，最终利用3D打印技术完成残缺部分，经过后续处理后完成文物的修复。何原荣⑥等针对文物的完整有效保存，以宋代古船为例，提出了利用三维激光扫描技术对文物进行扫描从而获得三维模型，并通过3D打印技术完成文物的高精度复制。舒欢⑦等提出了对兵马俑碎片进行三维扫描，并打印出碎片复制品对兵马俑破损处进行修复的方法，为兵马俑的保护工作打开了新纪元。青铜器也是我国珍贵的文物类型，而现存青铜器饱受氧化的侵害。青铜器的传统保护方法是翻模技法，但翻模不可避免地会与青铜器发生接触，难免会造成二次伤害。此时，余健⑧等提出了应用3D打印技术保护青铜器的想法。利用三维扫描与文物无接触的特点，应用3D打印及逆向工程技术对三星堆青铜面具进行了残缺部分的修復，避免了传统修复工艺直接在青铜面具进行修复工作给青铜面具所带来的二次伤害。相似的，张鹏宇⑨对一级文物鎏金“中国大宁”铜镜进行了3D打印复制。铜镜表面鎏金的特点决定了其不适用翻模复制，此时无接触的三维扫描和3D打印技术便最适宜。刘亮⑩利用3D打印技术代替了传统修复技艺，以鹊尾炉的修复工作来探讨3D打印在文物保护中的实际应用。在小型文物方面，Ballarink与博物馆合作，共同复制了一件小型精致文物，并利用不同的打印机以及材料进行复制，对比结果比较理想。Niquetl等人利用3D打印技术及三维结构白光扫描技术打印出内置传感器的古石墓雕像修复体。这种保护方法既修复了文物，又通过内置传感器监测雕像周围环境数据，用于适时保护古雕像。

大型文物的保护一直是文物保护工作中的难点，许飞进m等试将3D打印技术应用于古建筑保护，利用Autodesk 3Ds Max软件建立三维数字模型，将古建筑结构每个构件单独打印，最后进行拼装，这为大型文物的保护工作提供了新的思路。同样的思路，王家鑫n对三维模型进行了切块处理、分块打印，经过打孔等后续处理再拼装在一起，完成了云冈石窟佛头的1∶1复制。

近几年文献表明，3D打印与逆向工程技术被用于不同种类的文物的保护工作中。3D打印与逆向工程技术在文物保护中的应用主要分为文物复制和文物修复两大类，大体思路都是通过逆向工程技术建立三维数字模型，后通过3D打印技术完成文物保护，具体技术路线图过程如图1所示。

2 3D打印与逆向工程技术应用于文物保护中存在的问题

尽管3D打印已在文物保护方面得到应用，且发展了一段时间，但是目前还是存在一些问题。

具有复杂的内部结构的文物比如古船①，由于文物保护过程中一般不拆解，在三维扫描过程中对文物细节的提取不够精确，逆向工程技术受到一定限制。同时整个三维扫描到3D打印的过程专业性比较高，需要专业的技术人员。另外，3D打印及逆向工程设备及使用的材料比较昂贵，这对于大型文物修复来说是一个挑战。

精度问题一直是3D打印的一个技术缺陷，对于文物的细节，使用3D打印与逆向工程技术修复或复制文物也是一个挑战②。余健③学者提出博物馆缺少相应的专业技术人员，极大地阻碍了3D打印应用到博物馆内。另外，打印出来的模型颜色单一，要是想展示在博物馆中，则需要再次进行上色。在陶器文物复制方面，卜卫民④就提出了两个具有代表性的问题：第一是存在于文物表面的一些浅浮雕以及某些精细的痕迹是没有办法进行高还原度的3D打印的，这样的话对于文物的细节把控就较为疏忽了;第二是目前打印材料比较受限，陶土类的文物残缺无法用其原材料打印。史宁昌⑤等学者提出3D打印在空间方面比较受限，对于小型文物可以一次成型，大型文物则需要进行拆解打印。

根据大量的文献资料来看，目前3D打印的问题主要存在于材料和精度两方面，打印材料受限十分明显，并非所有文物都能以其相似材料复制，并且3D打印在色彩方面的表现也不行，目前能够进行多颜色打印的机器并不多，而且这些机器打印出的成品色彩和原物差距还是比较大的。现在市面上大部分的3D打印机的精度并不高，打印出的实体模型表面还是比较粗糙，需要在后期进行一系列的处理。因此，目前仅仅利用3D打印与逆向工程技术直接去完成整个修复或者复制文物的过程不太可能，还是要利用各种传统的做旧以及上色等技术来完成对文物的后期处理。另外，利用3D打印与逆向工程技术还存在缺乏相关标准或指导准则。

3 结论

3D打印与逆向工程技术以其在文物保护中不会直接接触文物而造成二次伤害的特点引起学者的关注。多年来，许多学者从理论方面对3D打印在文物保护中的应用进行了可行性探讨，通过政策可行性、技术可行性和保护工作需求几个角度进行了理论研究。同时，许多学者展开了3D打印与逆向工程技术在文物保护工作中的应用，但也发现实际应用中还存在着材料限制、修复精度不足、成本较高、打印效率较低、色彩表现力不足、无法一次性打印大型文物和缺乏相关标准或指导准则等问题，这些问题有待于进一步解决。目前，3D打印在文物保護中还停留在简单的复制阶段，颜色、材质与真实文物还存在差异，经过人工上色、做旧等后续处理才能完成文物复制或修复工作。

3D打印与逆向工程技术作为一项前沿技术，在文物保护领域中的应用还不足以颠覆传统保护技艺，但其不会对文物造成二次损害的特点便足以奠定其重要地位。在以后的发展中，3D打印技术会愈加成熟，3D打印与逆向工程技术在文物保护应用中所存在的问题或被解决。