在3D打印基础上利用水转印技术修复、复制文物的实验验证

戴维康 卜卫民 张珮琛 邹 缘

（1.上海博物馆，上海 200003；2.瑛诺三维上海科技有限公司，上海 200082）

近年来，3D打印技术使文物器身的修复效率大大提升，但文物上花纹与色彩的修复依然需要手绘完成，不但花费大量时间，更受限于修复技师的技术和经验，难以把控修复效果。为了解决这个难题，我们设想将印刷行业中的水转印技术引入到文物修复或复制中来。水转印是一种用于不规则对象表面印刷的工艺，适用于金属、玻璃、塑料和陶瓷等多种材质，可直接出图印刷，色彩还原度高。这种方法能够轻松为3D打印物体添加需要的图案或者颜色，可以改进传统文物修复、复制中手工上色的方法。瑛诺三维上海科技有限公司在3D打印基础上利用水转印技术十分成熟，经过富有诚意的协商，上海博物馆与该公司组建了数字化文物修复团队（后文简称“修复团队”），设计了三项实验：分别是模拟瓷器开片釉纹理、模拟瓷器结晶釉的窑变特征、复制汉代“黑漆古”铜镜，以此来论证在3D打印基础上用水转印技术修复或复制文物的可行性。下面介绍实验的具体情况及评估结果。

一、工艺流程

在3D打印基础上利用水转印技术修复或复制文物，工艺流程分为两大步：第一步采用3D打印技术打印出所需修复文物的缺失部分或需要复制的文物基体，第二步在3D打印完成的基体上利用水转印技术完成文物花纹、色彩的转印。

（一）3D打印所需补件及复制件

1.3D打印所需仪器设备及材料

①ScanTech Prince 775双色激光手持式三维扫描仪，在蓝色激光模式下，供5束平行蓝光，最高分辨率达0.02毫米。

②DWSXFAB 3500HD高精度下照式3D打印机，打印体积为140×140×180毫米，可使用包括陶瓷粉末在内的多种打印材料。

③DWS Invicta的3D打印材料，性能参数：拉伸强度40MPa，表面硬度83Shore D，断裂伸长9%，弯曲强度64MPa，弯曲模量1410MPa，拉伸模量1550MPa。

2.工艺流程

①用三维扫描仪扫描整件器物。

②使用MeshLab软件进行三维数据处理，将数据模型修正完整。对于需修复器物，使用对称镜像功能和布尔运算，获得缺失部分信息，将该部分单独保存，导出STL格式以备打印使用。

③使用3D打印机进行打印。

④用砂纸打磨打印件，使其表面平整光洁。

（二）利用水转印技术完成文物花纹、色彩的转印

1.水转印所需仪器设备及材料

①佳能5Ds全画幅数码相机及100毫米微距镜头。

②Epson Surecolor P9580大画幅喷墨打印机，分辨率2400×1200dpi。

③艾笛森喷墨透明底水转印纸MQ-201，尺寸210×297毫米。

2.工艺流程

①用高清数码相机拍摄所需图案。

②使用Photoshop软件进行色彩校正、图案修正，并调整至合适尺寸。

③使用高精度喷墨打印机在水转印纸上打印图像，再剪切至合适尺寸。

④将水转印纸浸泡于水中，待基纸与转印膜分离后，谨慎拉开基纸，使转印膜附着于3D打印件上。水转印操作要求环境温度为22～38℃，转印物表面温度22～32℃，水温度22～35℃。

⑤从水中取出贴好转印膜的3D打印件，经热干燥后再喷涂Golden Polymer Varnish UVLS（光漆）保护。

二、实验论证

文物修复强调颜色接近，质感逼真，以及肉眼难以分辨修补部位。修复开片釉、结晶釉瓷器和复制“黑漆古”青铜器是文物修复、复制中的三个难点，传统的方法是手绘模拟瓷器开片釉的纹理、结晶釉的窑变特征和铜镜“黑漆古”的质感，凭借的是修复师多年的经验与手感。我们用以下三项实验，来论证是否可以在3D打印基础上借助水转印技术为修复师提供新的修复手段。

1.实验一：模拟瓷器开片釉纹理

样品为一件现代仿宋哥窑贯耳瓶，其一侧贯耳缺失，需修补。样品上的“金丝铁线”开片釉是修复难点。我国的《文物修复师国家职业技能标准》将掌握开片纹描绘视为古陶瓷修复的最高标准之一。这种冰裂纹生成于高温窑炉中，视觉上呈现大小交错、方向随机的开片效果。传统的修复方法通常采用小号狼毫勾线笔蘸取颜料勾线绘出其开片纹理，需要保证线条挺直，纹路自然，且略带晕散，体现出浓淡变化，对修复师要求极高，如果技术不娴熟，则可能出现线条僵直、纹理死板、开片不真实的情况。

本实验对样品缺失贯耳进行了修复，过程如下（图一）：①采用3D打印技术打印贯耳补件；②用高清数码相机拍摄贯耳瓶身细部，截取部分开片图案，并进行色彩校正、图案校正；③用喷枪对3D打印的贯耳补件进行上色处理，处理方法及颜料与传统古陶瓷修复方法一致，不再赘述；④将开片釉的纹理图样打印在水转印纸上；⑤在水中将转印膜从基纸上揭下，敷在补件上，干燥后在补件表面喷涂一层光漆保护；⑥将完成水转印及上光釉的贯耳补件粘接在原器物上。

图一 实验一：模拟瓷器开片釉纹理的修复

以肉眼观察，补件底色、开片样式及釉色质感与原器物高度接近，证明采用水转印技术辅助陶瓷文物修复上色可以模拟开片釉效果。

2.实验二：模拟瓷器结晶釉的窑变特征

样品为一件宋代当阳峪窑黑釉盏，其口沿至腹部有一处略呈梯形的缺失。这种黑釉瓷在烧制过程中其表面釉层结晶，形成了釉色与纹理变化多样的窑变特征，传统手工修复的难点是模仿具有动感的结晶釉面及多样的窑变色彩。通常使用喷枪制作黑釉底色及釉的质感，然后采用猪鬃等硬毛画笔以弹射手法匹配颜料，再用毛笔添加细节使整体自然和谐，富有动感。修复效果取决于修复师的上色经验，考验其对细节的描绘与整体质感的把握。

本实验对样本缺失部分进行了修复，其工艺流程基本与实验一相似（图二）。以肉眼观察，采用水转印技术模拟结晶釉的窑变特征效果较好，可以提高工作效率及上色准确性。

图二 实验二：宋代当阳峪窑黑釉盏的修复

3.实验三：汉代“黑漆古”铜镜的复制

“黑漆古”铜镜表面漆黑发亮，具有光滑晶莹的玉质感。这类铜镜在制作时采用特殊的磨抛工艺，改变了镜面表层的晶体排布，加之经过数千年的地下埋藏，镜体与腐殖酸相互作用，形成致密、有光泽的特殊表面。要复制出汉代铜镜上的“黑漆古”效果具有相当的难度。传统复制工艺中，此类铜镜用高锡配比青铜铸造，并通过化学浸泡的作色方法模拟器物光泽。此法费时费力，复制成本较高。而在修复破损铜镜时则大多采取手工上色的方法来模拟“黑漆古”的质地。

本实验对一面馆藏汉代铜镜进行了复制，其流程与前两个实验类似，按照三维扫描数据经3D打印出镜体，再将采集的镜面色彩输出于水转印纸上，待转印膜与基纸在水中分离后，将转印膜贴敷于镜体表面，用刮板排出转印膜下的水分，干燥后喷涂保护层，以提高附着牢度。肉眼观察水转印技术模拟的“黑漆古”效果逼真自然。

三、综合评估

上述三项实验证明，将水转印技术应用于文物修复和复制中可取得良好的视觉效果。

为了检验修复效果，我们又使用视频显微仪和色差仪对实验结果进行了检测。

2.创新型教师应树立新型理念 放弃制度性权威，建立专业性权威，要有高尚的人格魅力、过硬的专业本领、精湛的教学艺术，用良好的道德形象影响学生，用知识的力量征服学生，用情感的力量打动学生，做到人格生产与知识生产相结合做，做学生学习和发展的促进者，做学生健康成长的引路人，成为与学生积极互动、共同发展进步的协作者，最终达到教学相长

（一）视频显微仪检测

1.检测仪器：KEYENCE基恩士数码显微系统VHX-5000,VH-Z100R（20～200倍）镜头。

2.检测结果

①对实验一样本进行显微检测。在20、50倍率显微镜下，原器体与修复区的差别较为明显：原器体开片处宽窄不一，深浅不同，并伴随大量气泡（图三，1、3）；修复区水转印喷墨打印产生的色点明显（图三，2、4）。

②对实验二样本进行显微检测。在50倍率显微镜下，受限于喷嘴的数量与大小，修复区颜色呈现4色叠加，点状喷墨效果突出（图三，6），与原器体（图三，5）相比呈色差异较大。

图三 原器体与修复区的微观比较

（二）色差仪检测

1.检测仪器：美能达分光测色仪CM-700D。

2.检测结果

表一中的△E数值越大则表示色差越明显。青白色区域△E数值为1.4，黑色、黄色区域则比较高，分别为4.89、5.1。实验一样品修复区的青白色是在水转印贴敷前经修复师手工调色后喷绘完成的，而实验二样品修复区的黑色与黄色是经打印机输出的颜色，受电脑调色时屏幕色彩还原及打印油墨的影响较大，相比较而言，人工调色的准确性更高。

表一 各实验样品色差分析表

另外，实验也发现了基于材料与流程局限的几点不足：

1.转印膜难以在不规则形状上良好贴敷，其边缘处的贴敷易起皱、重叠或破损，故样品一贯耳补件内部难以实施贴敷工艺，因此容易产生裸露底色的现象。针对此缺陷，浙江大学周昆教授的团队发明了转印膜贴敷新工艺，如果能够应用在文物修复与复制中，或许能有所改进。

2.通常转印膜贴敷后会再喷涂光漆层或保护层，以加强转印膜表面强度，并且防水。修复材料Golden Polymer Varnish UVLS（光漆）是常用的陶瓷上光层，可增强修复部位的陶瓷质感与亮度。遗憾的是，光漆对转印膜的色彩有一定影响，通常会使颜色变暗。如实验二中黑釉盏补件的外壁暗色区域颜色变深，细节缺失。

经过综合评估，以上在3D打印基础上利用水转印技术修复、复制文物的三项实验中，虽然在视频显微仪下喷墨打印的色点明显，色差仪检测结果证明颜色校准并未优于手工调色，上光釉对转印膜颜色的影响存在不确定性，但是修复后的视觉效果良好，完全能够满足博物馆陈列对文物修复的要求。通过此次实验，我们认为，在3D打印基础上结合水转印技术修复、复制文物的方法成功率高且视觉效果佳，为瓷器开片釉、结晶釉的修复和“黑漆古”青铜器的复制提供了新思路，解决了瓷器修复及青铜器复制的部分难题，而其操作方法容易掌握，可以为窑址出土的大批量同类型器物的修复带来便捷，因此在考古发掘及博物馆的文物保护应用中具有现实意义。

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［5］中华人民共和国人力资源社会保障部，国家文物局.文物修复师国家职业技能标准［S/OL］.（2021-09-18）［2022-04-02］.http://www.mohrss.gov.cn/xxgk2020/fdzdgknr/zcfg/gfxwj/rcrs/202110/W 020211019530402013600.pdf.

［6］浙大新闻办.周昆团队发明水中精准“贴膜”术［EB/OL］.（2015-06-23）［2022-04-02］.https://www.zju.edu.cn/2015/0623/c32859a93028/page.htm.