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3D打印技术在文物保护方面的应用

作者:刘杰 孙令真 李映

  摘 要:考虑到文物修复过程中可能会对文物造成二次损害,引入利用3D打印来修复文物的概念。通过三维扫描以及对数据的优化处理模型,通过后期加工处理实现文物修复以及对文物的二次创作。本文通过讲述3D打印在文物修复方面的可行性方案,提出3D打印修复文物的基本工艺。通过分析3D打印在文物修复中的优缺点,为3D打印在文物修复方面提供了新的思考。

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  关键词:文物修复;3D打印;可行性;基本工艺
  历史的发展,岁月的侵蚀,许多文物饱经风霜,甚至有的已经永远消失,只能让后代在流传下来的图画中一览其方泽。虽然经过大量修复工作可以再现文物,可是在展览过程中相机的拍摄带来的辐射以及部分游客的不文明举动,让文物保护步履维艰。而最好的保护方法就是对文物进行复制,将文物原件收藏保护,复印件进行展览,供大家欣赏和学习。
  3D打印技术就是打印三维模型,通过对打印出来的模型抛光、上色等后处理,成为完整的作品。利用3D打印技术,对文物进行三维扫描,将扫描好的模型导入到电脑中进行适当调整与修改,利用3D打印机将模型打印出来,添加后处理技术,让文物获得“新生”。运用3D打印技术,让国宝真正的活起来。
  本文针对文物的保护和修复问题,提出3D打印在文物修复中的优缺点以及3D打印在文物修复中的加工工艺。
  一、3D打印技术的发展
  1986年成立的3D Systems公司,涉足于航空航天、医疗器械、汽车、建筑、牙科、娱乐业、休闲业以及消费品业,成为3D打印巨头之一。1989年成立的Stratasys公司收购Object公司和MakerBot公司,获得桌面级产品技术,成为3D打印巨头。[1]不仅美国发展3D打印技术,德国、瑞士、加拿大、英国等国家陆陆续续开始加入3D打印的研究中,涉及范围更加广泛。中国3D打印技术起源于高校研究。清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学、华中科技大学,中国科学院、大连理工大学等学院分别对生物材料快速成型、激光成型技术、激光立体成型技术、粉末材料快速成型技术与设备、复杂电路、传感器的3D打印进行研究。西安交大第一附属医院全球首创利用医用级的聚醚醚酮材料配合3D打印技术进行颅骨修补手术。[2]长沙麓谷华曙高科公司更是拥有自主产权的3D打印机,打破了美国在3D打印技术上的垄断。

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  一、3D打印技术的发展
  1986年成立的3D Systems公司,涉足于航空航天、医疗器械、汽车、建筑、牙科、娱乐业、休闲业以及消费品业,成为3D打印巨头之一。1989年成立的Stratasys公司收购Object公司和MakerBot公司,获得桌面级产品技术,成为3D打印巨头。[1]不仅美国发展3D打印技术,德国、瑞士、加拿大、英国等国家陆陆续续开始加入3D打印的研究中,涉及范围更加广泛。中国3D打印技术起源于高校研究。清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学、华中科技大学,中国科学院、大连理工大学等学院分别对生物材料快速成型、激光成型技术、激光立体成型技术、粉末材料快速成型技术与设备、复杂电路、传感器的3D打印进行研究。西安交大第一附属医院全球首创利用医用级的聚醚醚酮材料配合3D打印技术进行颅骨修补手术。[2]长沙麓谷华曙高科公司更是拥有自主产权的3D打印机,打破了美国在3D打印技术上的垄断。
  二、3D打印技术在文物保护方面的可行性分析[4]
  (一)政策的导向分析

3D打印技术在文物保护方面的应用相关参考属性评定
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  国家出台的相关文物保护条例在告诉我们保护文物的重要性。同时文物本身会随着时间的流失而慢慢消失,复制文物成为了现代要求。《中华人民共和国文物保护法实施条例》中提到:必须本着“保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理”的工作方针。不管用什么方法复制,要求在复制过程中不能损坏原件,这就对文物复制保护方法提出了要求。而3D打印技术采用的扫描仪可以不接触文物获得三维数据,不仅满足文物复制要求,而且为3D打印技术与文物保护奠定了可行性基础。
  (二)媒体的宣传分析
  随着《我在故宫修文物》、《国家宝藏》、《如果国宝会说话》等节目的宣传,民众对国宝的修复、国宝的价值以及国宝修复和3D打印技术的结合有了更深的了解。皿方罍器盖如图1所示就是一个完美的例子。为了节省时间,确保“完罍归湘”万无一失,利用3D打印的皿方罍器盖代替真实文物带到美国的器身身边,两者完美契合,印证了器身与器盖“同根生”的事实。除此之外,扬州博物馆、杭州博物馆、四川三星堆分别利用3D打印技术成功还原文物,受到媒体的强烈追捧。
  (三)需求的可行性分析
  文物不仅是一个国家、一个时代、一种文化的象征和代表,也是进行教育、文化宣传的有力物件。但是由于文物本身的珍贵性和稀有性,不能随便移动。3D打印技术不仅可以复制文物,而且还可以对破损的文物进行修复,同时还可以进行二次创造,打造别出心裁的文创作品。
  三、3D打印技术的基本工艺
  3D打印技术基本工艺如下图3所示。分为前处理、分层成型和后处理三部分(对应为图3的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ),其中分层成型阶段又分为离散过程和堆积过程,离散过程包括模具分层、处理截面信息、生成控制软件。堆积过程包括层片加工和层片积累。前处理阶段主要针对文物进行数字扫描,并对扫描好的数据進行优化处理。同时对文物缺失的部分参考相关介绍和作品进行数字化修复。分层处理阶段需要对扫描好的数字化模型进行分层,常用的分层软件有美国Solid Concept公司的STL Manager,比利时Materialise公司的Magics,美国的3D SYSTEM公司的Axon软件、由ultimaker开发的Cure软件,此外,Slic3r、Skeinforge、kisslicer、Printrun、Repeteir-host、Octoprint、Botqueue、Make-me也都是常用的切片软件。后期处理主要针对文物进行打磨、抛光、强化、上色、做旧等处理。
  四、3D打印在文物保护中存在的优缺点
  3D打印技术作为新型的增材制造技术,与传统的文物修复方法相比有很多的不同之处,在工作的过程中,主要存在以下优点:
  (1)可以个性化定制:通过三维扫描技术,可以把文物的各项数据保留在电脑上。根据客户的要求,通过二次创作,来实现个性化定制。
  (2)保护文物:在采集数据的过程中,可以采用不接触式方法,不直接接触文物,减少文物的二次伤害。同时通过3D打印技术,可以不用对文物进行开模和塑性,较少对文物的不必要的人为伤害。
  (3)提高精度和效率:与传统的文物修复相比,3D打印技术可以缩短制作周期,提高生产效率。同时在修复过程中,由于要忠于原型,所以必须要保持足够的精度。
  但是3D打印技术在文物修复过程中还没有普及,主要还存在一下问题:
  (1)成本高:3D打印采用的材料有金属、蜡丝、ABS、PLA、尼龙、石墨等,对应的材料成本高,同时对应的机器成本也高,提高了打印出来的作品的价格。
  (2)技术方面:3D打印机尺寸有限,对于一些大尺寸文物的打印,需要将文物进行拆分打印,然后拼接在一起,影响整体效果和美观度。
  (3)标准方面:目前3D打印技术还没有一个规范化、标准化、数字化的规章制度去遵守,难以实现统一管理统一要求。
  (4)技术方面:文物修复要求修复者必须具备一定的文物知识并且了解历史。同时3D打印技术有要求有软件处理技术和图像处理能力。而现在利用3D打印修复文物需要的综合性人才欠缺,需要分工处理,影响进度的同时各个工种的互相磨合也会耽误很多时间。
  (5)不能一次成型:3D打印出来的作品还需要后期的打磨、抛光、上色、做旧等工艺,这些工艺依然需要人工实现,生产成本增加。
  (6)模型颜色单一:目前市面上的3D打印材料均为单一颜色,而文物颜色则是色彩绚烂,丰富多彩。因此需要对材料进行调色处理,增加材料的技术成本。
  五、结语
  3D打印技术作为一种新兴的增材制造技术,在文物保护方面已经开始投入应用。随着3D打印技术的不断完善,其在文物方面的作用将更加突出,打印精度和价格以及这方面的人才都会有所改善,使3D打印真正的融入到文物保护中,真正实现“让国宝活起来”!
  参考文献:
  [1]王柏通.3D打印喷头的温度分析及控制策略研究[D].湖南师范大学,2014.
  [2]中关村在线.西安交大一附院完成首例打印颅修补.
  [3]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,2015.
  [4]余健.3D技术在文物修复中的应用——以四川广汉三星堆博物馆三维扫描和3D打印为例[J].科技经济导刊,2017(17).

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