3D打印技术在文物修复中的应用

（黑龙大学，黑龙江省 哈尔滨市 150080）

黑龙江大学大学生创新创业训练项目资助

摘要：3D打印技术理论上可以打印任何三维立体的物品，文物大多为三维立体的物品，因此可将3D打印技术应用于文物修复领域。本文将从3D打印技术的理论与应用，文物修复的现状，以及将3D打印应用于文物修复的实践意义与所需技能等方面论述3D打印在文物修复中的应用。文物修复工作者所接触的多为可移动性文物，因此本文将以可移动性文物为主要研究对象进行论述。

关键词：3D打印；文物修复；3D打印优势

1.绪论

1.1研究背景

3D打印技术,又称增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术，以三维管理软件计算机辅助设计（CAD）数学模型为基础，采用高能量的束源或者其他方式提供能量，将液体、粉末、丝、片等材料进行层层堆积黏结，通过材料叠加的方式直接构成三维实体。3D（There Dimensions）打印作为一种通过逐层添加和制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术将材料应用、控制、信息等技术融合渗透，对各行各业产生了巨大影响，《经济学人》报将其称为“具有工业革命意义的制造技术”；《金融时报》则评论称“3D打印机像蒸汽机、内燃机和计算机一样，开创了一个崭新的工业时代”。经过二十多年的发展，3D打印技术无论在技术还是材料使用上都已经形成了一套规范的体系，在应用领域上也不断扩大，呈现出大众化的趋势。这一技术若能在文物修复上得以普及，那么它对于文物的修复工作必然能起到极大的推动。

1.2研究现状

作为席卷各行各业的革命性工艺，在国内外3D打印在在文物上也早有应用。早在3D打印技术初期哈佛大学闪族博物馆两名研究人员就通过3D打印技术和3D扫描技术复原出了3000年前打碎的瓷器狮子花瓶。该研究人员表示“只要有一个花瓶的碎片，就可以复原这个花瓶，但前提是图案对称、连续”。国内实际应用3D打印技术修复文物的代表性单位有陕西省博物馆和四川三星堆博物馆。将3D打印技术应用于文物修复行业，带来的不仅仅是修复方式的改变、技术的更新，更重要的是为文物修复工作者带来了观念的创新和思维模式的转变。3D打印技术的应用势必在文物修复行业掀起一阵巨大的波浪。3D打印技术的核心优势在于：（1）通过3D打印技术能够直接制造出传统生产方式所不能直接制造的个性化、复杂度高的产品；（2）3D打印技术可以快捷、方便，以更短的周期和更低的成本修复或复原出传统工艺能够达到而投入极高周期很长的文物，有效解决了高精确与低消耗之间的矛盾。（3）3D打印可通过数据重现已流失的文物，并且将文物复制品批量生产满足了多地同时展览和借展问题。

1.3研究意义

文物作为一种物质载体，承载了各个朝代的历史文化，保护现有文物、修复或重现破损和遗失文物不仅有利于历史研究，对于提升我国自身文化凝聚力有着重大意义。近年来，随着我国考古工作的蓬勃发展，各类出土文物不断增加，而其中由于民间盗掘等各种原因，出土文物中相当一部分流失海外或处于破损状态。这对我国文物修复来说是一项巨大的挑战，寻找更高效的修复方式或技术成了文保工作者亟待解决的问题。据2016年国家文物局发布的调出数据显示，全国文物系统3000多万件馆藏文物中有超过半数的文物存在不同程度的破损，面对已有的和每年考古发掘出的土数额庞大的破损文物，全国仅有2000余人从事文物修复工作。

2.3D打印技术的工作原理

本文按文物的质地结合国家文物局第一次文物普查公告分类将文物分为金属器（金银器、铜器、铁器、合金器）、玉石器（玉器、石器）、陶瓷器（陶器、瓷器）、玻璃器（玻璃、珐琅）、骨角器和其它七大类1。与所需打印文物相对应，根据打印基质材料的不同，3D打印修复分为金属3D打印、陶瓷3D打印、聚合物3D打印、玻璃3D打印等。

可移动文物数量（件）

占比（%）

所用打印技术

合计

64073178

100

金属器

1893139

2.95

金属3D打印

玉石器

990944

1.55

聚合物3D打印

陶瓷器

4540274

7.09

陶瓷3D打印

玻璃器

187861

0.3

玻璃3D打印

骨角器

350836

0.55

聚合物3D打印

其它

56110124

87.56

聚合物3D打印

表1 2016年全国第一次文物普查可移动文物数据及适用打印方式

对比表中数据不难发现我国现有可移动文物中占比较大的分别是陶瓷器和金属器，因此笔者也将研究目标主要集中在了发展较为成熟的陶瓷3D打印和聚合物3D打印上。

2.1陶瓷3D打印

任何一个3D打印的过程都得经过输入、建模、输出这三个步骤，3D打印陶瓷的过程也一样，先扫描或直接将已有数据输入计算机，由计算机软件进行建模；再用切片软件进行切片处理，检测模型的完整性；如果检测为完整模型则加入泥坯进行打印；打印过程由下往上层叠式打印，类似于传统的泥条盘筑法。

陶瓷3D打印的优势在于精确高效。陶瓷3D打印全程由计算机控制，打印前有三维模型构建，在造型工艺和数据上更为精确，打印过程中一个工作人员可以同时操控多个机器实现了规模化和批量化生产；材料节约化。打印材料为泥坯，廉价易于获取，在烧制前均可重复使用。外表多样化。在打印过程中可以加入不同的颜料，通过计算机控制打印出个部位颜色不同的器物。陶瓷3D打印技术的不足之处在于，打印过程中无法进行数据修改，否则会出现打印不均匀的情况，导致整个器物的打印失败；其次打印大件物品时需要辅助快速干燥工具避免所打印物品出现崩塌或表面裂开的情况。相较于传统陶瓷制作工艺而言，3D打印陶瓷技术在费用和效率上都是一大进步，对于残缺文物也可以通过布尔运算出缺失部分得出完整的打印数据。

2.2聚合物3D打印

以聚合物为打印材料的3D打印技术主要包括激光选区烧结技术（Selected Laser Sintering，SLS）、熔融沉积技术（Fused Deposition Modeling，FDM）、立体光固化技术（Stereo Lithography Appearance，SLA）和聚合物喷射技术（PolyJet）。

SLS是控制激光在铺设好的粉末上方选择性的对粉末进行扫射，该项技术在产品设计和零件功能测试中展现出了较好的效果。SLS工艺的优点在于适用性广，能够满足硬度较高物品的打印；打印时间较短，不需要考虑和搭建支撑结构，打印更加简洁方便。SLS工艺可应用于任何可打印文物的修复，尤其是金属文物的打印，在PA中加入铝粉、碳纤维、玻璃微珠等无机材料可显著提高打印文物在强度、耐热性等方面的性能，满足了文物在不同环境中的展出。

FDM技术是将丝状原材料通过送丝部件送入热熔喷头，然后在喷头内被加热融化，通过电脑终端控制喷头沿着零件填充运动轨迹，将半流动状态材料送到指定位置最终冷凝成型的过程。

SLA技术被称为最成熟的打印技术，主要是使用光敏树脂作为原材料，利用液态光敏树脂在紫外激光束照射下回快速固化的特性。光敏树脂一般为液态，它在一定波长的紫外线（250~400nm）照射下立刻引起聚合反应，最终完成固化。 期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

优点

缺点

SLS

1.多种粉末状材料，高分子、尼龙、金属、陶瓷、石膏；

2.利用率高，价格低；高精度，整体工件（0.05~0.25mm）的公差

1.过程中产生异味；

2.加工长，需预加工

3.除设备本身外需其他辅助工艺

FDM

1.环保，无毒害气体和废料产生；

2.较低；选用材料广泛可用ABS、PC、PPSF、浇铸用蜡和人造塑胶等

1.精度低，最高精度0.127mm需进行后续表面抛光；

2.面垂直的强度小；

3.速度相对慢，需要材料作为支撑

SLA

1.出现早，成熟度高；

2.3D数字模型直接成型，速度快、周期短、无需切削工具与模型

1.环境苛刻，需避光，且使用过程中产生毒气；

2.耐热性不高，难以长时间保存；

3.处理繁琐，需酒精、丙酮清洗并二次固化

表2 聚合物3D打印的优缺点对比

通过以上聚合物3D打印原理的研究和优缺点对比，我们可以得出结论，聚合物打印技术虽然应用广泛，看似可应用于任何一种文物的打印，然而事实上无论哪种技术都存在着造价高昂、被打印物件难以长期保存这两大弊端。在使用聚合物3D打印修复文物过程中可根据资金状况和修复研究方向来具体确定使用何种技术。

3.3D打印技术修复文物的优缺点

3D打印技术在文物修复过程中获得快速发展，与传统文物修复方法相比存在着以下优点：

（1）可以定制化和批量化生产：通过三维扫描，文物数据可以的到永久保存于计算机上，根据需要进行二次创作实现和批量化生产。

（2）高精度与高效率：3D打印技术与传统的文物修复相比在生产周期和所需人员上都大大缩短，打印过程由计算机操作，保证了数据的精确化。

（3）保护文物：三维扫描和3D打印作为一种非接触式的数据获取和复制方式，减少了对文物触碰带来的二次损坏。同时，对于打印出来的“文物”可以进行开模和塑性。

（4）在陈列展览过程中，可将原件与打印件共同展出，让观众在观看的时候有想象思考的过程，达到博物馆的教育功能。

但是3D打印在文物修复中难以普及是因为还存在着一些缺点：

（1）成本高：3D打印材料为尼龙、石墨、光敏树脂、金属等，打印材料高昂；打印机器成本价和维护费用也较为高昂，一般文博单位难以承受。

（2）技术方面：一些传统文物修复工作者难以掌握计算机和3D打印机操作技术；打印机尺寸有限，对于一些大件文物难以实现整体打印。

（3）不能一次成型：3D打印出来的器物仍需打磨、抛光、上色、做旧等工艺，这些工作需人工完成，增加成本。

结语

文物属于不可再生的历史文化资源，承载了国家地区的文明。加强文物资源管理利用、加强破损文物修复还原，对丰富国家历史文化、增强民族文化自信和文虎软实力都有着重要的意义。近年来，3D打印技术的不断发展将传统文物修复与计算机技术结合起来，为文物修复工作提供了新的帮助。如何挖掘3D打印技术在文物修复中的巨大潜力，真正实现让文物活起来、让文物说话仍是文物工作者需要努力的！

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作者简介：韩蓉（1997.09-），云南省昆明市人，在校大学生，本科生，本科，考古文博 黑龙江大学历史文化旅游学院考古系。