3D打印与逆向工程技术在文物保护与利用中的研究

许小龙 李成凯 季广中 邓星 赵阳阳 邹伟

（江苏师范大学机电工程学院，江苏 徐州 221116）

文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，具有承载历史、不可再重新创造等特征，对于现代人及后代了解历史有极大的价值。随着时间的流逝，文物不仅会遭受湿温度变化、微生物侵蚀、害虫蛀食、空气氧化等自然因素的破坏，而且还遭受着发掘过程及修复过程中不可避免的人为因素的破坏。国家文物局的数据显示，我国博物馆馆藏文物有一半以上遭受了不同程度的损坏，其中，损坏比较严重的多达200万件，因此文物保护工作迫在眉睫。传统文物保护方法常采用修复和复制等，但在此过程中，会与文物发生直接接触，很有可能导致文物在修复过程出现损坏，这与文物保护的初衷背道而驰。因此，文物保护工作中急需一套创新方案，即在完成文物保护工作的同时最大限度地避免对文物造成二次损害。

1 研究意义

目前，在制造领域中出现的3D打印和逆向工程技术两种新技术为文物保护工作提供了新思路。3D打印技术又称增材制造，是一种以数字模型数据为基础，采用离散堆积原理，通过数字化控制材料逐层累加的方法来制造实体零件的技术。3D打印技术具有快速灵活、可个性化定制、能成形复杂结构及适用材料广泛等优点，近年来广受各界关注，在机械制造、交通运输、医学、建筑、航空航天、艺术和食品等诸多领域逐渐得到应用。作为一种先进的产品设计方法，逆向工程亦称反求工程，它是根据已存在的产品进行测绘，从而构造或绘制与原产品相近的模型，在原产品的基础上再设计、再创新，设计出性能更优良的产品，这种设计方法与先提出产品功能然后再设计其结构的传统设计方法相反。逆向工程技术常采用与产品无接触的三维扫描仪来测绘原型产品从而获取原型的三维数字模型，而且这种三维模型可以直接用于3D打印技术。这种技术与原型物品无直接接触，这一特点在文物保护中是非常重要的。因此，采用逆向工程结合3D打印技术可为文物保护提供一条行之有效的全新途径——既解决了传统文物保护过程中可能会损坏文物的问题，又获取了文物的三维数字化模型，实现文物的更好保护。这为文物后续的合理利用与开发奠定基础，为解决传统文物保护出现的问题提供一条全新途径，具体研究意义如下。

1.1 采用3D打印和逆向工程技术可以降低或避免文物保护中的二次伤害

文物保护工作的主要目的是传承文化和铭记历史，而这一目的主要是通过文物展览实现的，在文物展览过程中为了避免对珍贵文物造成损害，往往是陈列复制品或者通过影像等其他方式供大众观赏，而将文物原件珍藏。此外，出土或是传承下来的文物受各种因素的影响往往是不完整的，此时文物修复工作必不可少。传统的文物修复或复制多采用翻模工艺，但修复期间不可避免地会与文物产生直接接触，此过程可能会对文物产生二次伤害，造成不可挽回的损坏。因此，文物保护亟须采用创新工艺。

采用无接触的三维扫描仪获取文物三维模型，在此基础上应用逆向工程技术对缺损部分进行修复，通过3D打印技术制造缺损部位进行修补。与传统翻模工艺相比，新技术所制造出的修补件与原件吻合度更高，与文物无直接接触，对文物造成的伤害较少。

1.2 采用3D打印和逆向工程技术可以降低文物修复难度，提高文物修复的精度和效率

由于文物历史久远，很少会有图纸、模子等留存下来，所以残缺文物的修复一直是文物保护工作中的重点和难题。在修复工作中，文物修复工作者往往根据文物自身的结构特点（如对称性等）或以往经验对文物残缺部分进行雕刻、打磨、黏结等修复工作。修复工作主观性较强、技术难度较大、修复周期长，对文物修复工作者技术要求较高。此外，由于诸多因素的影响，制作出来的修补件与原件之间的吻合度普遍较差，需要人工进行不断打磨以进行适配，这不仅增加了文物修复工作者的工作量，还影响文物修复的精度和效率。

3D打印技术是通过三维模型数据以材料逐层累加的方法来制造零件的技术，相比于传统加工方法，通过逆向工程技术获取文物残缺部分三维模型再经由3D打印制造修补文物将更加快速灵活。从理论上讲，3D打印技术可以成形任意复杂形状的零部件，经过简单的打磨、上色等后处理便可以完成文物修复工作，这无疑降低了文物修复工作的难度，提高了文物修复工作的效率。通过三维扫描仪获取文物的三维模型，在三维参数化建模软件（如SolidWorks、UG或Pro/E等软件）中补全残缺部分，从而可以获得高精度、高吻合度的修补件模型，相比于传统修复方法，新技术的精度更高。

1.3 采用3D打印和逆向工程技术可以充分发挥文物的价值

考虑到诸多不安全因素，在文物展览过程中往往不会展示原件，多是仅仅展示其图片或是视频，这无疑使文物展览的价值大打折扣。此外，文物多保管于博物馆，由于条件限制，很多人无法实地参观。而利用逆向工程技术，研究人员或文保工作者可以构建出完整的文物三维数字模型，这些三维模型既可以用来建立数字博物馆，让人们可以通过网络虚拟参观，满足了远程参观和多次参观的需求，又可以利用3D打印技术制作出复制品用于展览，参观群众可以真实地、具象地进行观赏，甚至可以触摸。另外，对于已获得的文物模型，可以对其进行再创造，利用3D打印技术创造出具有音效或者动作功能的文物衍生工艺品，让文物获得新生，这样既保护了文物又充分发挥了文物的价值，为文物的开发利用提供了新的思路。

另外，对于大型室外文物如雕像、壁画、摩崖石刻、古战场和古建筑等，传统方法无法将其放到博物馆供参观者参观，但利用逆向工程技术和3D打印技术，可以制作成文物复制品或缩小比例的工艺品，参观者可以零距离接触文物，实现文物价值的充分利用。

综上所述，将3D打印和逆向工程技术应用于文物保护与利用，既具有创新意义又具有应用价值。

2 研究方案

在分析3D打印和逆向工程技术的基础上，具体方案如下：首先分析文物的具体特征（外形、材料及受损情况等），然后利用逆向工程技术中非接触扫描技术如三维激光扫描仪对文物进行无接触式扫描，从而获取文物的三维数字模型，再利用三维参数化建模软件对获得的文物模型进行再处理。如果文物出现残缺破损需要修复，则首先使用相关软件建立残缺破损部位的三维模型，再利用3D打印技术制造出待修补部位，技术人员对修补件进行打磨、上色、做旧等后处理对残缺文物进行修复。如果是需要馆藏的文物，则可以通过3D打印技术复制出高还原度的复制品。这样修复或是复制的文物既可以供人观赏，又最大限度地保留了其本身价值。有了3D打印和逆向工程技术的支持，文物不再只是展示柜中的一个实物、一张图片或是一段视频。

除此之外，通过逆向工程技术建立的文物模型，还可以利用虚拟现实技术建立虚拟博物馆。借助互联网平台，我们可以建设虚拟博物馆，不再局限于空间和时间的限制。传统博物馆的信息组织形式是线性组织形式，参观者需要根据规划的路线依次参观，而在虚拟博物馆中参观者可以根据喜好自由观赏，可以360度地观察文物的细节，甚至可以借助增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）实现对文物的虚拟拆解，有助于增强参观者了解文物的结构。受空间等条件限制，每座博物馆所能保存和展览的文物是有限的，借助网络我们可以实现理论上无限的文物集合。届时，博物馆的藏品将不会局限于某一朝代或是某一类型，我们可以将现有的文物集合起来，打造一座时代与类型大融合的虚拟博物馆，这对于文物保护与利用工作及教育方面具有极大价值。

对于获取的文物三维模型，不仅仅可以用于文物修复和复制以及建立虚拟博物馆，我们还可以进行再创造，设计出相应的文物衍生纪念品。在三维参数化建模软件中对已获得的文物模型进行适当的修改、缩放等操作，为文物模型设计一个大小适当的底座，通过3D打印技术制造出实体，其中放置语音发声模块。采用触摸式设计，当我们触摸纪念品表面时，内置的语音发声模块播放预置的音频，让文物讲述自己的历史，赋予文物新的生命。对于特殊参观者如盲人或聋哑残障人士，这种可触摸或可发声的文物无疑是了解文物的最佳途径。综上所述，基于3D打印与逆向工程技术的文物保护与利用研究方案如图1所示。

图1 基于3D打印与逆向工程技术的文物保护与利用研究方案

3 实例

文物的保护工作对于研究历史和传承优秀传统文化有非常重要的作用，传统的文物保护方法不可避免地会对文物造成二次伤害，利用逆向工程和3D打印技术进行文物修复或复制可以创新地解决这一问题。以图2所示石像为例进行文物保护与利用实验，分析利用逆向工程技术和3D打印技术完成文物复制和文物文创产品的开发。

如图2所示石像，传统文物保护方法是通过翻模工艺进行修复或复制。而利用逆向工程技术中常用的激光三维扫描仪，则可无接触获得如图3所示的文物三维数字模型。所得到的三维数字模型既可以保存到文物三维模型数据库中，也可以对其进行修改和二次创作，设计出具有实用价值的文创产品。如本实例中，在石像三维模型的底部添加一个大小比例符合审美的底座，可以设计出一个镇纸产品（图4）；也可以将该石像模型缩小后设计为钥匙扣挂坠工艺品（图5）；同时可以提取该石像三维模型相关特征设计出与大众审美与功能实用相结合的工艺品。这样，在保护文物的同时最大限度地发挥了文物的价值。

图2 石像

图3 石像三维模型

图4 文创产品设计——镇纸

图5 文创产品设计——钥匙扣挂坠

以图5为例，将该石像的三维数字模型导入3D打印机，最终打印出图6的文物衍生的工艺品，该工艺品是由高分子材料聚乳酸制造的，也可以通过激光3D打印机如激光熔融打印机打印出金属材质或陶瓷材质等材料的工艺品。由图6可以看出该3D打印工艺品表面较为粗糙，后续需要后处理包括去支撑材料、打磨、上色等便可得到精度较高的文物复制品或文创产品。

图6 未经后处理的石像3D打印复制品

4 结论与展望

由于3D打印与逆向工程技术可以实现无损保护文物，近年来该技术逐步受到文物保护工作者及社会的广泛关注。利用该技术不但可以保护文物，还可以通过二次创作衍生工艺品而充分发挥文物的价值。需要关注的是，3D打印与逆向工程技术是项新技术，实际应用中还存在一定不足，如材料受限制、色彩表现力不足、大型文物无法一次打印和标准或指导准则缺乏以及打印材料及设备成本高等相关问题。但随着相关技术的进步，这些技术问题一定能得到妥善解决，从而成为文物保护与利用的重要方法。

3D打印和逆向工程技术作为前沿技术还不足以颠覆文物保护中的传统保护技艺，但其无害、高效的特点足以奠定其未来的重要地位。在未来的发展中，相关技术会越发成熟，所存在的问题会被解决。无论是利用3D打印和逆向工程技术完成文物修复或复制工作或是设计文物相关衍生工艺品，还是利用三维数字化技术建立虚拟博物馆，归根到底都是赋予文物新的生命，使文物能够充分发挥传承历史的功能，这才是对文物最好的保护。