3D打印與逆向工程技術在文物保護與利用中的研究

許小龍 李成凱 季廣中 鄧星 趙陽陽 鄒偉

（江蘇師范大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

文物是人類在社會活動中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡，具有承載歷史、不可再重新創造等特征，對于現代人及后代了解歷史有極大的價值。隨著時間的流逝，文物不僅會遭受濕溫度變化、微生物侵蝕、害蟲蛀食、空氣氧化等自然因素的破壞，而且還遭受著發掘過程及修復過程中不可避免的人為因素的破壞。國家文物局的數據顯示，我國博物館館藏文物有一半以上遭受了不同程度的損壞，其中，損壞比較嚴重的多達200萬件，因此文物保護工作迫在眉睫。傳統文物保護方法常采用修復和復制等，但在此過程中，會與文物發生直接接觸，很有可能導致文物在修復過程出現損壞，這與文物保護的初衷背道而馳。因此，文物保護工作中急需一套創新方案，即在完成文物保護工作的同時最大限度地避免對文物造成二次損害。

1 研究意義

目前，在制造領域中出現的3D打印和逆向工程技術兩種新技術為文物保護工作提供了新思路。3D打印技術又稱增材制造，是一種以數字模型數據為基礎，采用離散堆積原理，通過數字化控制材料逐層累加的方法來制造實體零件的技術。3D打印技術具有快速靈活、可個性化定制、能成形復雜結構及適用材料廣泛等優點，近年來廣受各界關注，在機械制造、交通運輸、醫學、建筑、航空航天、藝術和食品等諸多領域逐漸得到應用。作為一種先進的產品設計方法，逆向工程亦稱反求工程，它是根據已存在的產品進行測繪，從而構造或繪制與原產品相近的模型，在原產品的基礎上再設計、再創新，設計出性能更優良的產品，這種設計方法與先提出產品功能然后再設計其結構的傳統設計方法相反。逆向工程技術常采用與產品無接觸的三維掃描儀來測繪原型產品從而獲取原型的三維數字模型，而且這種三維模型可以直接用于3D打印技術。這種技術與原型物品無直接接觸，這一特點在文物保護中是非常重要的。因此，采用逆向工程結合3D打印技術可為文物保護提供一條行之有效的全新途徑——既解決了傳統文物保護過程中可能會損壞文物的問題，又獲取了文物的三維數字化模型，實現文物的更好保護。這為文物后續的合理利用與開發奠定基礎，為解決傳統文物保護出現的問題提供一條全新途徑，具體研究意義如下。

1.1 采用3D打印和逆向工程技術可以降低或避免文物保護中的二次傷害

文物保護工作的主要目的是傳承文化和銘記歷史，而這一目的主要是通過文物展覽實現的，在文物展覽過程中為了避免對珍貴文物造成損害，往往是陳列復制品或者通過影像等其他方式供大眾觀賞，而將文物原件珍藏。此外，出土或是傳承下來的文物受各種因素的影響往往是不完整的，此時文物修復工作必不可少。傳統的文物修復或復制多采用翻模工藝，但修復期間不可避免地會與文物產生直接接觸，此過程可能會對文物產生二次傷害，造成不可挽回的損壞。因此，文物保護亟須采用創新工藝。

采用無接觸的三維掃描儀獲取文物三維模型，在此基礎上應用逆向工程技術對缺損部分進行修復，通過3D打印技術制造缺損部位進行修補。與傳統翻模工藝相比，新技術所制造出的修補件與原件吻合度更高，與文物無直接接觸，對文物造成的傷害較少。

1.2 采用3D打印和逆向工程技術可以降低文物修復難度，提高文物修復的精度和效率

由于文物歷史久遠，很少會有圖紙、模子等留存下來，所以殘缺文物的修復一直是文物保護工作中的重點和難題。在修復工作中，文物修復工作者往往根據文物自身的結構特點（如對稱性等）或以往經驗對文物殘缺部分進行雕刻、打磨、黏結等修復工作。修復工作主觀性較強、技術難度較大、修復周期長，對文物修復工作者技術要求較高。此外，由于諸多因素的影響，制作出來的修補件與原件之間的吻合度普遍較差，需要人工進行不斷打磨以進行適配，這不僅增加了文物修復工作者的工作量，還影響文物修復的精度和效率。

3D打印技術是通過三維模型數據以材料逐層累加的方法來制造零件的技術，相比于傳統加工方法，通過逆向工程技術獲取文物殘缺部分三維模型再經由3D打印制造修補文物將更加快速靈活。從理論上講，3D打印技術可以成形任意復雜形狀的零部件，經過簡單的打磨、上色等后處理便可以完成文物修復工作，這無疑降低了文物修復工作的難度，提高了文物修復工作的效率。通過三維掃描儀獲取文物的三維模型，在三維參數化建模軟件（如SolidWorks、UG或Pro/E等軟件）中補全殘缺部分，從而可以獲得高精度、高吻合度的修補件模型，相比于傳統修復方法，新技術的精度更高。

1.3 采用3D打印和逆向工程技術可以充分發揮文物的價值

考慮到諸多不安全因素，在文物展覽過程中往往不會展示原件，多是僅僅展示其圖片或是視頻，這無疑使文物展覽的價值大打折扣。此外，文物多保管于博物館，由于條件限制，很多人無法實地參觀。而利用逆向工程技術，研究人員或文保工作者可以構建出完整的文物三維數字模型，這些三維模型既可以用來建立數字博物館，讓人們可以通過網絡虛擬參觀，滿足了遠程參觀和多次參觀的需求，又可以利用3D打印技術制作出復制品用于展覽，參觀群眾可以真實地、具象地進行觀賞，甚至可以觸摸。另外，對于已獲得的文物模型，可以對其進行再創造，利用3D打印技術創造出具有音效或者動作功能的文物衍生工藝品，讓文物獲得新生，這樣既保護了文物又充分發揮了文物的價值，為文物的開發利用提供了新的思路。

另外，對于大型室外文物如雕像、壁畫、摩崖石刻、古戰場和古建筑等，傳統方法無法將其放到博物館供參觀者參觀，但利用逆向工程技術和3D打印技術，可以制作成文物復制品或縮小比例的工藝品，參觀者可以零距離接觸文物，實現文物價值的充分利用。

綜上所述，將3D打印和逆向工程技術應用于文物保護與利用，既具有創新意義又具有應用價值。

2 研究方案

在分析3D打印和逆向工程技術的基礎上，具體方案如下：首先分析文物的具體特征（外形、材料及受損情況等），然后利用逆向工程技術中非接觸掃描技術如三維激光掃描儀對文物進行無接觸式掃描，從而獲取文物的三維數字模型，再利用三維參數化建模軟件對獲得的文物模型進行再處理。如果文物出現殘缺破損需要修復，則首先使用相關軟件建立殘缺破損部位的三維模型，再利用3D打印技術制造出待修補部位，技術人員對修補件進行打磨、上色、做舊等后處理對殘缺文物進行修復。如果是需要館藏的文物，則可以通過3D打印技術復制出高還原度的復制品。這樣修復或是復制的文物既可以供人觀賞，又最大限度地保留了其本身價值。有了3D打印和逆向工程技術的支持，文物不再只是展示柜中的一個實物、一張圖片或是一段視頻。

除此之外，通過逆向工程技術建立的文物模型，還可以利用虛擬現實技術建立虛擬博物館。借助互聯網平臺，我們可以建設虛擬博物館，不再局限于空間和時間的限制。傳統博物館的信息組織形式是線性組織形式，參觀者需要根據規劃的路線依次參觀，而在虛擬博物館中參觀者可以根據喜好自由觀賞，可以360度地觀察文物的細節，甚至可以借助增強現實技術（Augmented Reality，簡稱AR）實現對文物的虛擬拆解，有助于增強參觀者了解文物的結構。受空間等條件限制，每座博物館所能保存和展覽的文物是有限的，借助網絡我們可以實現理論上無限的文物集合。屆時，博物館的藏品將不會局限于某一朝代或是某一類型，我們可以將現有的文物集合起來，打造一座時代與類型大融合的虛擬博物館，這對于文物保護與利用工作及教育方面具有極大價值。

對于獲取的文物三維模型，不僅僅可以用于文物修復和復制以及建立虛擬博物館，我們還可以進行再創造，設計出相應的文物衍生紀念品。在三維參數化建模軟件中對已獲得的文物模型進行適當的修改、縮放等操作，為文物模型設計一個大小適當的底座，通過3D打印技術制造出實體，其中放置語音發聲模塊。采用觸摸式設計，當我們觸摸紀念品表面時，內置的語音發聲模塊播放預置的音頻，讓文物講述自己的歷史，賦予文物新的生命。對于特殊參觀者如盲人或聾啞殘障人士，這種可觸摸或可發聲的文物無疑是了解文物的最佳途徑。綜上所述，基于3D打印與逆向工程技術的文物保護與利用研究方案如圖1所示。

圖1 基于3D打印與逆向工程技術的文物保護與利用研究方案

3 實例

文物的保護工作對于研究歷史和傳承優秀傳統文化有非常重要的作用，傳統的文物保護方法不可避免地會對文物造成二次傷害，利用逆向工程和3D打印技術進行文物修復或復制可以創新地解決這一問題。以圖2所示石像為例進行文物保護與利用實驗，分析利用逆向工程技術和3D打印技術完成文物復制和文物文創產品的開發。

如圖2所示石像，傳統文物保護方法是通過翻模工藝進行修復或復制。而利用逆向工程技術中常用的激光三維掃描儀，則可無接觸獲得如圖3所示的文物三維數字模型。所得到的三維數字模型既可以保存到文物三維模型數據庫中，也可以對其進行修改和二次創作，設計出具有實用價值的文創產品。如本實例中，在石像三維模型的底部添加一個大小比例符合審美的底座，可以設計出一個鎮紙產品（圖4）；也可以將該石像模型縮小后設計為鑰匙扣掛墜工藝品（圖5）；同時可以提取該石像三維模型相關特征設計出與大眾審美與功能實用相結合的工藝品。這樣，在保護文物的同時最大限度地發揮了文物的價值。

圖2 石像

圖3 石像三維模型

圖4 文創產品設計——鎮紙

圖5 文創產品設計——鑰匙扣掛墜

以圖5為例，將該石像的三維數字模型導入3D打印機，最終打印出圖6的文物衍生的工藝品，該工藝品是由高分子材料聚乳酸制造的，也可以通過激光3D打印機如激光熔融打印機打印出金屬材質或陶瓷材質等材料的工藝品。由圖6可以看出該3D打印工藝品表面較為粗糙，后續需要后處理包括去支撐材料、打磨、上色等便可得到精度較高的文物復制品或文創產品。

圖6 未經后處理的石像3D打印復制品

4 結論與展望

由于3D打印與逆向工程技術可以實現無損保護文物，近年來該技術逐步受到文物保護工作者及社會的廣泛關注。利用該技術不但可以保護文物，還可以通過二次創作衍生工藝品而充分發揮文物的價值。需要關注的是，3D打印與逆向工程技術是項新技術，實際應用中還存在一定不足，如材料受限制、色彩表現力不足、大型文物無法一次打印和標準或指導準則缺乏以及打印材料及設備成本高等相關問題。但隨著相關技術的進步，這些技術問題一定能得到妥善解決，從而成為文物保護與利用的重要方法。

3D打印和逆向工程技術作為前沿技術還不足以顛覆文物保護中的傳統保護技藝，但其無害、高效的特點足以奠定其未來的重要地位。在未來的發展中，相關技術會越發成熟，所存在的問題會被解決。無論是利用3D打印和逆向工程技術完成文物修復或復制工作或是設計文物相關衍生工藝品，還是利用三維數字化技術建立虛擬博物館，歸根到底都是賦予文物新的生命，使文物能夠充分發揮傳承歷史的功能，這才是對文物最好的保護。