3D打印技術在文物保護方面的應用

劉杰 孫令真 李映

摘?要：考慮到文物修復過程中可能會對文物造成二次損害，引入利用3D打印來修復文物的概念。通過三維掃描以及對數據的優化處理模型，通過后期加工處理實現文物修復以及對文物的二次創作。本文通過講述3D打印在文物修復方面的可行性方案，提出3D打印修復文物的基本工藝。通過分析3D打印在文物修復中的優缺點，為3D打印在文物修復方面提供了新的思考。

關鍵詞：文物修復;3D打印;可行性;基本工藝

歷史的發展，歲月的侵蝕，許多文物飽經風霜，甚至有的已經永遠消失，只能讓后代在流傳下來的圖畫中一覽其方澤。雖然經過大量修復工作可以再現文物，可是在展覽過程中相機的拍攝帶來的輻射以及部分游客的不文明舉動，讓文物保護步履維艱。而最好的保護方法就是對文物進行復制，將文物原件收藏保護，復印件進行展覽，供大家欣賞和學習。

3D打印技術就是打印三維模型，通過對打印出來的模型拋光、上色等后處理，成為完整的作品。利用3D打印技術，對文物進行三維掃描，將掃描好的模型導入到電腦中進行適當調整與修改，利用3D打印機將模型打印出來，添加后處理技術，讓文物獲得“新生”。運用3D打印技術，讓國寶真正的活起來。

本文針對文物的保護和修復問題，提出3D打印在文物修復中的優缺點以及3D打印在文物修復中的加工工藝。

一、3D打印技術的發展

1986年成立的3D Systems公司，涉足于航空航天、醫療器械、汽車、建筑、牙科、娛樂業、休閑業以及消費品業，成為3D打印巨頭之一。1989年成立的Stratasys公司收購Object公司和MakerBot公司，獲得桌面級產品技術，成為3D打印巨頭。[1]不僅美國發展3D打印技術，德國、瑞士、加拿大、英國等國家陸陸續續開始加入3D打印的研究中，涉及范圍更加廣泛。中國3D打印技術起源于高校研究。清華大學、北京航空航天大學、西北工業大學、西安交通大學、華中科技大學，中國科學院、大連理工大學等學院分別對生物材料快速成型、激光成型技術、激光立體成型技術、粉末材料快速成型技術與設備、復雜電路、傳感器的3D打印進行研究。西安交大第一附屬醫院全球首創利用醫用級的聚醚醚酮材料配合3D打印技術進行顱骨修補手術。[2]長沙麓谷華曙高科公司更是擁有自主產權的3D打印機，打破了美國在3D打印技術上的壟斷。

二、3D打印技術在文物保護方面的可行性分析[4]

（一）政策的導向分析

國家出臺的相關文物保護條例在告訴我們保護文物的重要性。同時文物本身會隨著時間的流失而慢慢消失，復制文物成為了現代要求。《中華人民共和國文物保護法實施條例》中提到：必須本著“保護為主、搶救第一、合理利用、加強管理”的工作方針。不管用什么方法復制，要求在復制過程中不能損壞原件，這就對文物復制保護方法提出了要求。而3D打印技術采用的掃描儀可以不接觸文物獲得三維數據，不僅滿足文物復制要求，而且為3D打印技術與文物保護奠定了可行性基礎。

（二）媒體的宣傳分析

隨著《我在故宮修文物》、《國家寶藏》、《如果國寶會說話》等節目的宣傳，民眾對國寶的修復、國寶的價值以及國寶修復和3D打印技術的結合有了更深的了解。皿方罍器蓋如圖1所示就是一個完美的例子。為了節省時間，確保“完罍歸湘”萬無一失，利用3D打印的皿方罍器蓋代替真實文物帶到美國的器身身邊，兩者完美契合，印證了器身與器蓋“同根生”的事實。除此之外，揚州博物館、杭州博物館、四川三星堆分別利用3D打印技術成功還原文物，受到媒體的強烈追捧。

（三）需求的可行性分析

文物不僅是一個國家、一個時代、一種文化的象征和代表，也是進行教育、文化宣傳的有力物件。但是由于文物本身的珍貴性和稀有性，不能隨便移動。3D打印技術不僅可以復制文物，而且還可以對破損的文物進行修復，同時還可以進行二次創造，打造別出心裁的文創作品。

三、3D打印技術的基本工藝

3D打印技術基本工藝如下圖3所示。分為前處理、分層成型和后處理三部分（對應為圖3的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），其中分層成型階段又分為離散過程和堆積過程，離散過程包括模具分層、處理截面信息、生成控制軟件。堆積過程包括層片加工和層片積累。前處理階段主要針對文物進行數字掃描，并對掃描好的數據進行優化處理。同時對文物缺失的部分參考相關介紹和作品進行數字化修復。分層處理階段需要對掃描好的數字化模型進行分層，常用的分層軟件有美國Solid Concept公司的STL Manager，比利時Materialise公司的Magics，美國的3D SYSTEM公司的Axon軟件、由ultimaker開發的Cure軟件，此外，Slic3r、Skeinforge、kisslicer、Printrun、Repeteir-host、Octoprint、Botqueue、Make-me也都是常用的切片軟件。后期處理主要針對文物進行打磨、拋光、強化、上色、做舊等處理。

四、3D打印在文物保護中存在的優缺點

3D打印技術作為新型的增材制造技術，與傳統的文物修復方法相比有很多的不同之處，在工作的過程中，主要存在以下優點：

（1）可以個性化定制：通過三維掃描技術，可以把文物的各項數據保留在電腦上。根據客戶的要求，通過二次創作，來實現個性化定制。

（2）保護文物：在采集數據的過程中，可以采用不接觸式方法，不直接接觸文物，減少文物的二次傷害。同時通過3D打印技術，可以不用對文物進行開模和塑性，較少對文物的不必要的人為傷害。

（3）提高精度和效率：與傳統的文物修復相比，3D打印技術可以縮短制作周期，提高生產效率。同時在修復過程中，由于要忠于原型，所以必須要保持足夠的精度。

但是3D打印技術在文物修復過程中還沒有普及，主要還存在一下問題：

（1）成本高：3D打印采用的材料有金屬、蠟絲、ABS、PLA、尼龍、石墨等，對應的材料成本高，同時對應的機器成本也高，提高了打印出來的作品的價格。

（2）技術方面：3D打印機尺寸有限，對于一些大尺寸文物的打印，需要將文物進行拆分打印，然后拼接在一起，影響整體效果和美觀度。

（3）標準方面：目前3D打印技術還沒有一個規范化、標準化、數字化的規章制度去遵守，難以實現統一管理統一要求。

（4）技術方面：文物修復要求修復者必須具備一定的文物知識并且了解歷史。同時3D打印技術有要求有軟件處理技術和圖像處理能力。而現在利用3D打印修復文物需要的綜合性人才欠缺，需要分工處理，影響進度的同時各個工種的互相磨合也會耽誤很多時間。

（5）不能一次成型：3D打印出來的作品還需要后期的打磨、拋光、上色、做舊等工藝，這些工藝依然需要人工實現，生產成本增加。

（6）模型顏色單一：目前市面上的3D打印材料均為單一顏色，而文物顏色則是色彩絢爛，豐富多彩。因此需要對材料進行調色處理，增加材料的技術成本。

五、結語

3D打印技術作為一種新興的增材制造技術，在文物保護方面已經開始投入應用。隨著3D打印技術的不斷完善，其在文物方面的作用將更加突出，打印精度和價格以及這方面的人才都會有所改善，使3D打印真正的融入到文物保護中，真正實現“讓國寶活起來”！

參考文獻：

[1]王柏通.3D打印噴頭的溫度分析及控制策略研究[D].湖南師范大學，2014.

[2]中關村在線.西安交大一附院完成首例打印顱修補.

[3]張曉青.3D打印技術應用于文物復制的可行性研究[D].北京印刷學院，2015.

[4]余健.3D技術在文物修復中的應用——以四川廣漢三星堆博物館三維掃描和3D打印為例[J].科技經濟導刊，2017（17）.