三維掃描及快速成型技術在文物修復中的運用

蘇一飛 張怡晗

摘 要：博物館的珍貴文物是全人類共同的財富。很多文物因為年代比較久遠，或是受到保存條件的限制，出現了裂紋、褪色、局部缺失等各種形式的損壞，其觀賞價值、藝術價值也大打折扣，開展這些破損文物的修復工作勢在必行。在數字博物館背景下，運用三維掃描、3D打印等技術，不僅可以加快修復速度，而且還能夠提高其還原度。這些數字化技術除了可以用于文物修復外，在藏品管理、創意互動等方面也有顯著的應用優勢。本文重點就文物修復中三維掃描及快速成型技術的具體運用展開了簡要分析。

關鍵詞：三維掃描;快速成型;文物修復;CCD相機

2016年在央視播出的《我在故宮修文物》紀錄片，向觀眾展示了故宮內一些珍貴文物的修復過程。隨著數字化技術的不斷成熟，以及在文物修復領域中的推廣應用，文物修復也在逐漸實現“人工修復”向“智能修復”的轉變。目前來看，博物館數字化發展背景下的文物修復技術，仍然以三維掃描為主，通過掃描獲取數據，在計算機上完成建模，再通過3D打印得到局部材料，最后將其粘接到原文物上，實現了快速修復。在一些陶瓷、漆器等文物修復中有著良好的應用效果。

1 博物館數字化背景下文物保護的新技術

近年來，數字化技術在博物館中得到了廣泛運用，例如使用VR（虛擬現實）技術可以讓這些流傳了百年、千年的文物“活”起來，對游客產生了更強大的吸引力;通過全息成像技術，將一些珍貴文物的等比例影像投射出來，方便游客近距離、全方位觀看;利用AR推拉屏讓珍貴歷史文物可觸、可感。這些數字化技術除了帶給游客更加豐富的觀賞體驗外，在文物保護、修復等方面也發揮了不可忽視的重要價值。對于博物館的文物修復工作者來說，如果能夠熟練的駕馭這些數字化技術，在文物修復中可以起到事半功倍的效果。

2 三維掃描及快速成型的技術原理

2.1 三維掃描技術

利用三維掃描儀對文物進行掃描后，可以得到文物各個點的精確坐標，同時還能獲取其表面的圖像信息。這種非接觸式的測量，除了具有數據采集速度快、空間坐標精度高等特點外，還能夠最大程度上避免對文物造成二次破壞。目前常見的三維掃描儀，根據發射激光的方式不同，又可以分為點激光掃描、線激光掃描等。當激光照射到文物表面時，會產生一個反射光束。CCD相機可以精準、全面的捕捉這些反射光束，然后將光信號轉化為電子信號。這些電子信號經過計算機軟件處理后，生成相應的坐標。利用特定的建模軟件，輸入坐標后在計算機中可以得到文物的三維模型。

2.2 快速成型技術

快速成型技術是建立在三維掃描技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術之上的一種可以快速制作特定形狀材料的技術手段。首先在計算機中得到文物待修復區域的模型，然后選擇一塊與文物材質相同的材料，通過計算機指令控制，完成快速的切割、剝離，最終得到一塊與模型待修復部位匹配的材料。對于常規大小的文物，整個立體打印過程只需要幾分鐘就可以完成，實現了快速成型。在得到成型的材料后，可以采用粘接方式，讓材料填補到文物的缺失部位，讓兩者融為一體，完成對破損文物的修復。

3 基于三維掃描和快速成型技術的文物修復

對于不同類型、不同材質的文物，修復過程中采用的一些技術細節也有較大差異，本文以瓷器為例，對三維掃描和快速成型修復流程、技術要點展開分析。

3.1 文物的表面清洗

對破損文物進行修復時，首先需要做好文物內外表面的清洗工作，這樣才能保證后續的粘接工序中，讓修補材料和文物完美的粘接在一起。為了最大程度的保護文物不會受到二次破壞，清洗時應選擇專門的試劑，且必須是無殘留、不易滲透的試劑。文物表面清洗應當在特定的環境下進行，防止空氣中的灰塵等造成交叉污染。如果文物表面灰塵較多，可以將宣紙浸濕之后，輕貼于瓷器表面，然后將其揭下，目的是將表面多余的灰塵吸附干凈。然后使用干凈的棉簽，處理一些凹凸不平的位置，最后冷風吹干。

3.2 文物局部加固

瓷器破裂之后，除了有局部的缺失外，還極有可能沿著缺失部位出現不同程度的裂縫。這些裂縫如果不能及時處理，后期也會增加開裂、破損的概率。除此之外，為了避免在粘接和修復操作中，周邊部位出現二次破裂，也需要提前進行加固。可以使用雙組份透明環氧樹脂，沿著裂縫方向注入，讓其自然滲透進裂縫的深層。大約3分鐘后，將表面殘留的材料處理干凈，取得較為理想的加固效果。

3.3 文物修復

1）采集數據，構建三維模型。完成上述準備工作后，取三維掃描儀，選擇合適位置照射待修復瓷器。使用美能達VIVID9i激光掃描儀進行文物三維模型采集（掃描儀精度可達±50nm，能夠很好的捕捉到文物表面的細節），之后采用Rapidform或者Geomagic Studio等逆向工程軟件，構建出文物缺失處的三維模型。

2）3D打印得到補全材料。將制作的三維模型以“STL”格式保存后，通過Object Studio添加到三維層析系統的模型中。本次修復采用的是0bject30光敏樹脂三維打印機，層積厚度為0.03mm，可打印尺寸為290×190×150mm。打印過程中，打印噴頭噴出的材料有兩種，一種是用于構成模型的模型材料，即光敏樹脂，通過紫外光照射后固化形成所需的結構;另一種是用于填補模型中空白位置的支持材料，這部分材料通過紫外光照射后具有一定的強度，能在打印過程中對整個構建予以支持，并在打印結束后被高壓水槍完全清除掉。通過噴頭往復的噴涂、固化，最終打印出補全模型。

3）粘接修復文物。將打印所得的材料，與文物缺口處進行對比，觀察是否能夠完美的貼合。如果有一定的偏差，可以人工使用工具進行修整。然后將UV光敏樹脂分別涂抹在文物斷面和填補材料的斷面上，將填補材料與文物對接，并輕壓進行固定。完成兩者的粘接后，使用400nm紫外燈進行照射。文物與紫外燈的距離控制在10-15cm之間，照射時間大約為90s。照射完畢后可以得到修復完好的瓷器。

4 文物三維掃描及快速成型技術的發展前景

新技術的出現和使用，在支持文物保護與修復方面帶來了諸多的便利。將三維掃描技術與快速成型技術進行整合，可以極大的縮短文物修復周期。對于一些館藏量較多，文物修復任務較重的博物館，運用這類數字化技術可以極大的減輕文物修復工作者的壓力，對文物的保護水平也會提升到一個新的檔次。隨著AI技術、數字化技術的不斷成熟，以及一些新型材料的出現，都會支持文物的“智能修復”取得更好的發展。可以預見，未來的文物修復不僅可以實現破損文物的復原，還能夠通過對材料的“做舊”處理，盡可能的提高整體完成度，讓修復后的文物給人一種渾然天成之感。

5 結語

在文物修復中，首先利用三維掃描技術獲取文物的三維坐標，確定出待修復區域的三維形狀;然后使用快速成型技術，制作出立體材料;最后將材料與文物進行粘接，實現文物的修復。相比于以人工為主的修復措施，這種數字化、自動化的修復技術，無論是在工作效率、修復效果上，還是對于文物本身的保護上，都有了明顯的提升，具有推廣使用價值。

參考文獻

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