3D打印技术在古陶瓷修复配补过程中的应用研究

徐圆圆

（南京师范大学,江苏南京 210000）

古陶瓷修复配补工作中，出现瓷器破损的情况较为常见，按照传统的古陶瓷修复配补方式，修复人员通常应用文物对称特点，先应用打样膏、石膏或硅橡胶等材料在古陶瓷文物上进行翻模，但在此过程中，上述材料在接触了文物表面后，会在操作中对古陶瓷文物造成二次伤害，并且翻模后的古陶瓷文物配件中还需要再次打磨，因此在一定程度上也增加了文物修复工作量。3D技术在古陶瓷修复配补中的应用，显著改善了传统修复工作中的弊端，比如针对瓷器文物以及青铜文物等，通过3D技术，对文物进行非接触性扫描，同时对古陶瓷本身进行数据化存储，在后期处理中，对古陶瓷文物的破损处进行配件打印，而打印出的配件与古陶瓷原始器物的吻合度更高，因此显著提升了还原度，同时也极大地确保了修复的安全性，提升了修复成效。在古陶瓷修复配补工作中，应用3D技术时，需要首先明确我国古陶瓷修复配补中的问题，明确古陶瓷修复配补工作的重要性以及3D技术对古陶瓷修复配补的价值，从而科学合理的应用3D技术，提升我国的古陶瓷修复配补效率与质量，提升我国对古陶瓷修复配补工作的保护力度。

一、我国古陶瓷文物留存以及修复现状

我国的陶瓷发展历史较为悠久，在世界陶瓷发展中具有深远的影响，由最初新石器时代的陶片，发展至隋唐时期的彩陶、花釉等瓷器，直至明清时期，陶瓷品类逐渐增多、极具装饰性，并且陶瓷款式也极为丰富，这充分体现了我国的陶瓷发展趋于成熟化。我国的陶瓷发展在历史的变迁中，生产出数量较多、具有悠久价值、品类较为丰富的陶瓷产品。目前现存最广的古陶瓷主要有青花瓷、雕塑瓷器、唐三彩、青瓷、汝瓷、紫砂瓷器、建盏等，上述瓷器体现出不同朝代中政治、经济以及贸易发展的变化，同时也深刻反映出我国悠久的民族传统文化发展史，所以古陶瓷修复配补工作尤为重要。

在对古陶瓷进行修复时，由于古陶瓷产品类型众多、修复流程也较为烦琐，并且古陶瓷对修复材料以及修复工具的选用也极为讲究，对修复人员而言，古陶瓷修复工作是一项巨大的挑战，修复人员必须具备熟练的古陶瓷修复经验，同时还需要深入掌握古陶瓷的类型、材料、制作工艺等各项知识同时还需要应用科学手段对古陶瓷进行保护，熟练应用多种古陶瓷修复手段与工艺。现阶段，我国传统的古陶瓷修复工作主要有两部分：其一，是对古陶瓷表面和内里的杂质与泥土或其他附着物予以清除；其二，是应用黏结、补缺、打磨、补底、着色、做旧等方式对古陶瓷的残缺部分进行修补，工作目的在于还原古陶瓷的形、胎、釉、彩等特点，同时也将老化的痕迹进行清除，以此展现出古陶瓷文物的传承价值。

古陶瓷制作时用到多种无机物原料，并采用高温烧制的方式，因此具备一定的硬度以及抗腐蚀性，但修复过程中，古陶瓷的韧性降低，因此需要防止磕碰或撞击。然而修复过程中，修复人员难以确保古陶瓷修复过程的完好性，所以造成古陶瓷二次伤害的情况在所难免，所以古陶瓷修复工作具有一定的特殊性。当前古陶瓷修复工作的现状体现在以下几点：（1）社会发展形势较为迅速，诸多古建筑、遗址或周边环境遭到不同程度的损坏，导致一些古陶瓷文物也受到破坏。（2）古陶瓷文物受损数量较多，但我国的古陶瓷文物修复人员较少，专业的修复团队较为紧缺。（3）古陶瓷修复人员在需要在传统文物修复行业内经过漫长的学习以及实践，才能够收获一定的回报，所以古陶瓷修复行业的人才流失情况比较严重。（4）古陶瓷具有一定的年代性，诸多修复材料难以进行完美的契合与还原，所以在盲目修复的情况下极其容易出现二次破坏。（5）古陶瓷修复的试剂大多具有易燃性、腐蚀性以及毒性，在试剂保管工作中需要耗费较多的成本，造成修复成本也相应增加。（6）古陶瓷体积、面积较大的，其受损面积也相应变大，存在一定的修复难度。鉴于以上种种问题，需要应用诸如3D打印技术这样的先进技术对古陶瓷进行修复。

二、古陶瓷修复配补工作的重要意义

在选择古陶瓷修复工作后，需要首先明确修复工作的价值与重要性，从而能够产生对于修复工作的热情以及动力。我国作为陶瓷生产的大国，具有将近一万年的制陶史，瓷器生产史也近三千余年。我国古陶瓷的发展史充分体现了人类的文明发展史，我国具有“瓷国”的美誉，在古陶瓷文物的研究中具有重要的考古地位。瓷器虽然是高温烧制，但具有一定的脆性，所以易碎，虽然古人生产出数量较多的瓷器，但历史变迁中，众多瓷器被损毁掩埋，因此在考古中，经常会发现较多的古陶瓷碎片，为便于考古，需要将陶瓷碎片进行拼接或粘连以及修复，从而便于绘图或拍照，以此进行下一步分析研究。若在博物馆进行陈列与展览，则需要对古陶瓷文物进行精细的修复，并体现最大化的还原度。由此可见，古陶瓷修复对于考古事业是最为基础性的重要内容，具有不可或缺的特点，在我国考古事业的快速发展下，古陶瓷修复工作必须进行先进技术的研究与应用，从而为我国古陶瓷的传承与发展发挥重要的推动作用。

三、关于3D打印技术及其在古陶瓷修复工作中的技术类型

1.关于3D打印技术

3D打印技术是当前较为热门的新兴技术，在生产、研发或教育、医疗领域起到重要作用。近年来，3D打印技术逐渐受到古陶瓷文物修复工作人员的重视，是由于应用3D扫描打印技术能够避免古陶瓷的再次受损，并且打印较为精准、效率也较高，并且具有高度的还原作用。我国3D打印设备种类众多，每款功能和效果都不一样，需要合理应用3D打印设备。明确3D扫描打印补缺技术在古陶瓷修复配补中的应用类型。

2.3D打印技术在古陶瓷修复工作中的技术类型

采用手持式扫描仪对古陶瓷片进行全方位扫描，3D扫描打印补缺基本都是采用这种方式，数据获取后，用专业软件对数据进行处理，再进行数字化的碎片建模、虚拟拼接、建模补配。最后，虚拟补配件用3D打印设备进行打印，再根据传统修复技术进行。现阶段关于3D打印输出设备的应用技术有以下几种：熔融沉积技术、立体平版印刷技术、选择性激光烧结技术、分层实体制造技术等，具体分析如下：

（1）熔融沉积技术（FDM），是无须依靠激光成型能源，只需将丝材进行加热熔化并堆积成补配件的方式。丝材主要选用ABS塑料、聚碳酸酯等。FDM技术具备无毒无味、打印耗材少、无噪音等特点。但FDM技术打印出的补配件精度较低，并且打印出的补配件有3D打印痕迹，因此适用于结构较为简单，无须进行凹凸雕刻的古陶瓷纹样补缺修复。

（2）立体平版印刷技术（SLA）是应用特殊波长与强度的激光，使其发挥光学和热作用，让液态树脂材料光固化，然后点到线、线到面、面到体的方法进行补配件。SLA的打印精度最高，并且补配件表面光滑，极速打印，非常适合难度较大以及需要雕刻凹凸纹理的补配件。但SLA技术应用时，光敏树脂原料的液态具有毒性，需要工作人员进行安全防护，并且应用SLA技术打印出的补配件强度不够，与实际的陶瓷强度存在差别。另外，SLA技术的相关设备和维护成本、材料成本均较高，所以仅在结构复杂的古陶瓷文物修复中应用。

（3）选择性激光烧结技术（SLS）是在加工前在设备平台平铺粉末状打印材料，再对充满氮气的工作台进行升温处理，使温度低于粉末材料熔点，之后应用计算机对激光束进行控制，并根据截面轮廓，将实心部分的粉末做烧结处理，在粉末融化后构成固体轮廓。首层完成烧结，工作台降至截面层，再铺粉末进行烧结，并重复最后完成所需补配件模型。SLS技术主要适用于模具较硬的补配件，同时还可以应用多种材料，比如ABS塑料、蜡、金属、陶瓷等，因为SLS技术成本非常高，控制室内空气流入，将氮气不断加入，工作中会产生有毒气体造成环境污染，这种技术对古陶瓷的修复工作适用性较低。

（4）分层实体制造法（LOM）是片材被激光切割的相关技术，按照虚拟补配件的数据，对横截面轮廓数据进行切割处理，以形成补配件轮廓。之后将材料放在设备中，将新打印耗材以热粘压方式黏合，然后再切割处理，经历几个循环后，构成补配件。此技术的主要应用材料有纸、金箔、塑料膜、陶瓷膜等，应用时较为可靠，补配件模型的支撑度也较好，应用成本较低、打印效率高。但打印前期与后期，需要应用较长时间对打印设备的残余材料进行清理，所以需要耗费一定的时间。另外，LOM技术也不能打印中空结构件，因此，极少应用在古陶瓷补缺中。

四、3D打印技术在古陶瓷修复配补工作中的应用流程

通过一定的实践证明，以上技术最适用于古陶瓷修复配补的3D打印技术为熔融沉积技术以及立体平版印刷技术。例如某省对当地博物馆内的古陶瓷文物展品进行修复，这些古陶瓷特点是体积较大、破损较为严重，并且修复工期较短，因此，相关修复人员应用了熔融沉积技术以及立体平版技术对破损的古陶瓷进行修复，修复流程具体如下：

1.应用3D打印技术扫描古陶瓷碎片

首先，对古陶瓷文物碎片进行清理，之后进行数字化数据收集。对标注点定位扫描要提前进行，这样后期获取三维数据更加完整便捷。古陶瓷文物碎片采用高精度三维激光扫描仪扫描、三维坐标测量仪，虚拟三维图像获取后，对其存档，之后将扫描后的数据进行预处理。

2.软件虚拟修复

应用手持3D扫描仪获得数据后再处理，能够得到精度较高的三维数据信息，并且在修复原始数据后，能够得到.stl文件，将其导入在三维软件中，应用建模得到残缺部分的三维模型，在软件中，进行古陶瓷虚拟拼接，这个过程对厚度的重视是古陶瓷碎片清理拼接的重中之重，运用三维软件中的“壳”工具来精确厚度，建模完成，获取虚拟补配件，这是3D扫描补配件的重点以及古陶瓷碎片虚拟拼合的过程。软件后期输出的格式是.stl的高清数字文件，之后会应用3D打印输出。

3.3D打印补配件

应用熔融沉积技术的3D打印补缺，需要选用ABS塑料。.stl文件装备到3D打印设备后，补配件的界面轮廓信息展现无遗，这是用热塑性丝材熔化的半液态物质，从喷头喷出一定厚度需求的轮廓，在冷却后，轮廓会变薄，喷头则需要继续在喷头进行重复，直到完成补配件。应用喷头层层喷积而成的补配件，在完成后的补配件表面会出现细微的“层阶效应”，难以确保十分光滑。

此外，运用立体平版印刷技术进行3D打印配补，则选用环氧树脂作为打印材料，利用其光敏树脂特性，在激光作用下，会由原始的液态转变为固态呈乳白色。制作补配件模型的时候，激光点位扫描非常精确，因此，在打印过程中，古陶瓷中的形、纹、铭文内容等都能够被原比例复刻，误差几乎为零。立体平版印刷技术绘图类同于熔融沉积打印技术，都应用层层堆积打印方式。不同点在于立体平版印刷技术属于高精度打印，3D打印不会出现“层阶效应”，补配件打印过程中，也无须应用支撑架对其支撑。

4.古陶瓷配补件的花纹修复

补配件成型完成后，打印纹路的处理，要先采用水砂纸打磨，然后再运用虚拟黏合技术，用胶水对古陶瓷和补配件进行黏合。应用光敏树脂的3D技术修补配件，其外壁厚度较薄，材质也较轻，因此，可以在补配件的内部壁上涂抹均匀的石膏，在其接缝处若有空隙，这个找补可以使用石膏。然后再运用滑石粉、石英粉、香灰、丙烯、磁粉、黄土、清漆等进行上色，再结合传统修复手法，在古陶瓷配补件上画出花纹。另外，应用立体平版印刷技术的3D配补件中有凹凸纹理，所以只需将花纹进行绘制即可。

结语

总体而言，古陶瓷的变迁充分展现了我国悠久的瓷器发展史，在历史发展中，古陶瓷受到多种因素的干扰后被损坏，因此需要文物修复工作者深入钻研古陶瓷文物的相关知识以及修复技术，明确古陶瓷修复配比工作的重要意义，了解3D技术对古陶器修复配比工作的重要价值。当前的3D打印材料逐渐多元化，甚至还出现了陶瓷打印材料，比如3D彩绘技术，能够应用相关软件对古陶器文物的表面纹路进行复原，还可以应用3D喷绘技术进行纹路修复，并且显著提升修复效率以及修复精准度。3D打印技术对古陶瓷修复配补工作极为重要，但修复人员仍需要不断学习与实践传统的修复技术，提升自身的专业能力，并且能够意识到科技服务于人类，但不可替代人类，比如在对一些古陶瓷进行高端修复时，仍需要应用传统修复技术相结合，因此两者均不可或缺。