3D打印技術(shù)在文物修復(fù)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在文物修復(fù)中的應(yīng)用摘要：3D打印技術(shù)理論上可以打印任何三維立體的物品，文物大多為三維立體的物品，因此可將3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物修復(fù)領(lǐng)域。本文將從3D打印技術(shù)的理論與應(yīng)用，文物修復(fù)的現(xiàn)狀，以及將3D打印應(yīng)用于文物修復(fù)的實(shí)踐意義與所需技能等方面論述3D打印在文物修復(fù)中的應(yīng)用。文物修復(fù)工作者所接觸的多為可移動(dòng)性文物，因此本文將以可移動(dòng)性文物為主要研究對(duì)象進(jìn)行論述。關(guān)鍵詞：3D打??；文物修復(fù)；3D打印優(yōu)勢(shì)1.緒論1.1研究背景3D打印技術(shù)，又稱增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技術(shù)，以三維管理軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用高能量的束源或者其他方式提供能量，將液體、粉末、絲、片等材料進(jìn)行層層堆積黏結(jié)，通過材料疊加的方式直接構(gòu)成三維實(shí)體。3D（ThereDimensions）打印作為一種通過逐層添加和制造三維物體的變革性、數(shù)字化增材制造技術(shù)將材料應(yīng)用、控制、信息等技術(shù)融合滲透，對(duì)各行各業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》報(bào)將其稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)〃；《金融時(shí)報(bào)》則評(píng)論稱“3D打印機(jī)像蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和計(jì)算機(jī)一樣，開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的工業(yè)時(shí)代”。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)無論在技術(shù)還是材料使用上都已經(jīng)形成了一套規(guī)范的體系，在應(yīng)用領(lǐng)域上也不斷擴(kuò)大，呈現(xiàn)出大眾化的趨勢(shì)。這一技術(shù)若能在文物修復(fù)上得以普及，那么它對(duì)于文物的修復(fù)工作必然能起到極大的推動(dòng)。1.2研究現(xiàn)狀作為席卷各行各業(yè)的革命性工藝，在國內(nèi)外3D打印在在文物上也早有應(yīng)用。早在3D打印技術(shù)初期哈佛大學(xué)閃族博物館兩名研究人員就通過3D打印技術(shù)和3D掃描技術(shù)復(fù)原出了3000年前打碎的瓷器獅子花瓶。該研究人員表示“只要有一個(gè)花瓶的碎片，就可以復(fù)原這個(gè)花瓶，但前提是圖案對(duì)稱、連續(xù)”。國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用3D打印技術(shù)修復(fù)文物的代表性單位有陜西省博物館和四川三星堆博物館。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物修復(fù)行業(yè)，帶來的不僅僅是修復(fù)方式的改變、技術(shù)的更新，更重要的是為文物修復(fù)工作者帶來了觀念的創(chuàng)新和思維模式的轉(zhuǎn)變。3D打印技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)必在文物修復(fù)行業(yè)掀起一陣巨大的波浪。3D打印技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于：（1）通過3D打印技術(shù)能夠直接制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)方式所不能直接制造的個(gè)性化、復(fù)雜度高的產(chǎn)品；（2）3D打印技術(shù)可以快捷、方便，以更短的周期和更低的成本修復(fù)或復(fù)原出傳統(tǒng)工藝能夠達(dá)到而投入極高周期很長(zhǎng)的文物，有效解決了高精確與低消耗之間的矛盾。（3）3D打印可通過數(shù)據(jù)重現(xiàn)已流失的文物，并且將文物復(fù)制品批量生產(chǎn)滿足了多地同時(shí)展覽和借展問題。1.3研究意義文物作為一種物質(zhì)載體，承載了各個(gè)朝代的歷史文化，保護(hù)現(xiàn)有文物、修復(fù)或重現(xiàn)破損和遺失文物不僅有利于歷史研究，對(duì)于提升我國自身文化凝聚力有著重大意義。近年來，隨著我國考古工作的蓬勃發(fā)展，各類出土文物不斷增加，而其中由于民間盜掘等各種原因，出土文物中相當(dāng)一部分流失海外或處于破損狀態(tài)。這對(duì)我國文物修復(fù)來說是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，尋找更高效的修復(fù)方式或技術(shù)成了文保工作者亟待解決的問題。據(jù)2016年國家文物局發(fā)布的調(diào)出數(shù)據(jù)顯示，全國文物系統(tǒng)3000多萬件館藏文物中有超過半數(shù)的文物存在不同程度的破損，面對(duì)已有的和每年考古發(fā)掘出的土數(shù)額龐大的破損文物，全國僅有2000余人從事文物修復(fù)工作。2.3D打印技術(shù)的工作原理本文按文物的質(zhì)地結(jié)合國家文物局第一次文物普查公告分類將文物分為金屬器（金銀器、銅器、鐵器、合金器）、玉石器（玉器、石器）、陶瓷器（陶器、瓷器）、玻璃器（玻璃、琺瑯）、骨角器和其它七大類1。與所需打印文物相對(duì)應(yīng)，根據(jù)打印基質(zhì)材料的不同，3D打印修復(fù)分為金屬3D打印、陶瓷3D打印、聚合物3D打印、玻璃3D打印等。可移動(dòng)文物數(shù)量（件）-占比 所用打印技術(shù)____—(%)合計(jì)64073178100金屬器18931392.95金屬3D打印玉石器9909441.55聚合物3D打印陶瓷器45402747.09陶瓷3D打印玻璃器1878610.3玻璃3D打印骨角器3508360.55聚合物3D打印其它5611012487.56聚合物3D打印表12016年全國第一次文物普查可移動(dòng)文物數(shù)據(jù)及適用打印方式對(duì)比表中數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)有可移動(dòng)文物中占比較大的分別是陶瓷器和金屬器，因此筆者也將研究目標(biāo)主要集中在了發(fā)展較為成熟的陶瓷3D打印和聚合物3D打印上。2.1陶瓷3D打印任何一個(gè)3D打印的過程都得經(jīng)過輸入、建模、輸出這三個(gè)步驟，3D打印陶瓷的過程也一樣，先掃描或直接將已有數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行建模；再用切片軟件進(jìn)行切片處理，檢測(cè)模型的完整性；如果檢測(cè)為完整模型則加入泥坯進(jìn)行打印；打印過程由下往上層疊式打印，類似于傳統(tǒng)的泥條盤筑法。陶瓷3D打印的優(yōu)勢(shì)在于精確高效。陶瓷3D打印全程由計(jì)算機(jī)控制，打印前有三維模型構(gòu)建，在造型工藝和數(shù)據(jù)上更為精確，打印過程中一個(gè)工作人員可以同時(shí)操控多個(gè)機(jī)器實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化和批量化生產(chǎn)；材料節(jié)約化。打印材料為泥坯，廉價(jià)易于獲取，在燒制前均可重復(fù)使用。外表多樣化。在打印過程中可以加入不同的顏料，通過計(jì)算機(jī)控制打印出個(gè)部位顏色不同的器物。陶瓷3D打印技術(shù)的不足之處在于，打印過程中無法進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，否則會(huì)出現(xiàn)打印不均勻的情況，導(dǎo)致整個(gè)器物的打印失敗；其次打印大件物品時(shí)需要輔助快速干燥工具避免所打印物品出現(xiàn)崩塌或表面裂開的情況。相較于傳統(tǒng)陶瓷制作工藝而言，3D打印陶瓷技術(shù)在費(fèi)用和效率上都是一大進(jìn)步，對(duì)于殘缺文物也可以通過布爾運(yùn)算出缺失部分得出完整的打印數(shù)據(jù)。2.2聚合物3D打印以聚合物為打印材料的3D打印技術(shù)主要包括激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(SelectedLaserSintering，SLS)、熔融沉積技術(shù)(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)、立體光固化技術(shù)(StereoLithographyAppearance，SLA)和聚合物噴射技術(shù)(PolyJet)。SLS是控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方選擇性的對(duì)粉末進(jìn)行掃射，該項(xiàng)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和零件功能測(cè)試中展現(xiàn)出了較好的效果。SLS工藝的優(yōu)點(diǎn)在于適用性廣，能夠滿足硬度較高物品的打?。淮蛴r(shí)間較短，不需要考慮和搭建支撐結(jié)構(gòu)，打印更加簡(jiǎn)潔方便°SLS工藝可應(yīng)用于任何可打印文物的修復(fù)，尤其是金屬文物的打印，在PA中加入鋁粉、碳纖維、玻璃微珠等無機(jī)材料可顯著提高打印文物在強(qiáng)度、耐熱性等方面的性能，滿足了文物在不同環(huán)境中的展出。FDM技術(shù)是將絲狀原材料通過送絲部件送入熱熔噴頭，然后在噴頭內(nèi)被加熱融化，通過電腦終端控制噴頭沿著零件填充運(yùn)動(dòng)軌跡，將半流動(dòng)狀態(tài)材料送到指定位置最終冷凝成型的過程。SLA技術(shù)被稱為最成熟的打印技術(shù)，主要是使用光敏樹脂作為原材料，利用液態(tài)光敏樹脂在紫外激光束照射下回快速固化的特性。光敏樹脂一般為液態(tài)，它在一定波長(zhǎng)的紫外線(250~400nm)照射下立刻引起聚合反應(yīng)，最終完成固化。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)SLS1.多種粉末狀材料，高分子、尼龍、金屬、陶瓷、石膏；2.利用率高，價(jià)格低；高精度，整體工件（0.05~0.25mm）的公差過程中產(chǎn)生異味；加工長(zhǎng)，需預(yù)加工除設(shè)備本身外需其他輔助工藝FDM環(huán)保，無毒害氣體和廢料產(chǎn)生；較低；選用材料廣泛可用ABS、PC、PPSF、澆鑄用蠟和人造塑膠等精度低，最高精度0.127mm需進(jìn)行后續(xù)表面拋光；面垂直的強(qiáng)度??；速度相對(duì)慢，需要材料作為支撐 SLA1.出現(xiàn)早，成熟度高；2.3D數(shù)字模型直接成型，速度快、周期短、無需切削工具與模型環(huán)境苛刻，需避光，且使用過程中產(chǎn)生毒氣；耐熱性不高，難以長(zhǎng)時(shí)間保存；處理繁瑣，需酒精、丙酮清洗并二次固化表2聚合物3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比通過以上聚合物3D打印原理的研究和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，我們可以得出結(jié)論，聚合物打印技術(shù)雖然應(yīng)用廣泛，看似可應(yīng)用于任何一種文物的打印，然而事實(shí)上無論哪種技術(shù)都存在著造價(jià)高昂、被打印物件難以長(zhǎng)期保存這兩大弊端。在使用聚合物3D打印修復(fù)文物過程中可根據(jù)資金狀況和修復(fù)研究方向來具體確定使用何種技術(shù)。3.3D打印技術(shù)修復(fù)文物的優(yōu)缺點(diǎn)3D打印技術(shù)在文物修復(fù)過程中獲得快速發(fā)展，與傳統(tǒng)文物修復(fù)方法相比存在著以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 可以定制化和批量化生產(chǎn)：通過三維掃描，文物數(shù)據(jù)可以的到永久保存于計(jì)算機(jī)上，根據(jù)需要進(jìn)行二次創(chuàng)作實(shí)現(xiàn)和批量化生產(chǎn)。（2） 高精度與高效率：3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的文物修復(fù)相比在生產(chǎn)周期和所需人員上都大大縮短，打印過程由計(jì)算機(jī)操作，保證了數(shù)據(jù)的精確化。（3） 保護(hù)文物：三維掃描和3D打印作為一種非接觸式的數(shù)據(jù)獲取和復(fù)制方式，減少了對(duì)文物觸碰帶來的二次損壞。同時(shí)，對(duì)于打印出來的"文物”可以進(jìn)行開模和塑性。（4） 在陳列展覽過程中，可將原件與打印件共同展出，讓觀眾在觀看的時(shí)候有想象思考的過程，達(dá)到博物館的教育功能。但是3D打印在文物修復(fù)中難以普及是因?yàn)檫€存在著一些缺點(diǎn)：（1） 成本高：3D打印材料為尼龍、石墨、光敏樹脂、金屬等，打印材料高昂；打印機(jī)器成本價(jià)和維護(hù)費(fèi)用也較為高昂，一般文博單位難以承受。（2） 技術(shù)方面：一些傳統(tǒng)文物修復(fù)工作者難以掌握計(jì)算機(jī)和3D打印機(jī)操作技術(shù)；打印機(jī)尺寸有限，對(duì)于一些大件文物難以實(shí)現(xiàn)整體打印。（3） 不能一次成型：3D打印出來的器物仍需打磨、拋光、上色、做舊等工藝，這些工作需人工完成，增加成本。結(jié)語文物屬于不可再生的歷史文化資源，承載了國家地區(qū)的文明。加強(qiáng)文物資源管理利用、加強(qiáng)破損文物修復(fù)還原，對(duì)豐富國家歷史文化、增強(qiáng)民族文化自信和文虎軟實(shí)力都有著重要的意義。近年來，3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展將傳統(tǒng)文物修復(fù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，為文物修復(fù)工作提供了新的幫助。如何挖掘3D打印技術(shù)在文物修復(fù)中的巨大潛力，真正實(shí)現(xiàn)讓文物活起來、讓文物說話仍是文物工作者需要努力的！參考文獻(xiàn)

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