3D打印技術在文物修復中的應用

3D打印技術在文物修復中的應用摘要：3D打印技術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打印技術應用于文物修復領域。本文將從3D打印技術的理論與應用，文物修復的現狀，以及將3D打印應用于文物修復的實踐意義與所需技能等方面論述3D打印在文物修復中的應用。文物修復工作者所接觸的多為可移動性文物，因此本文將以可移動性文物為主要研究對象進行論述。關鍵詞：3D打?。晃奈镄迯?；3D打印優(yōu)勢1.緒論1.1研究背景3D打印技術，又稱增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技術，以三維管理軟件計算機輔助設計（CAD）數學模型為基礎，采用高能量的束源或者其他方式提供能量，將液體、粉末、絲、片等材料進行層層堆積黏結，通過材料疊加的方式直接構成三維實體。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、數字化增材制造技術將材料應用、控制、信息等技術融合滲透，對各行各業(yè)產生了巨大影響，《經濟學人》報將其稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術〃；《金融時報》則評論稱“3D打印機像蒸汽機、內燃機和計算機一樣，開創(chuàng)了一個嶄新的工業(yè)時代”。經過二十多年的發(fā)展，3D打印技術無論在技術還是材料使用上都已經形成了一套規(guī)范的體系，在應用領域上也不斷擴大，呈現出大眾化的趨勢。這一技術若能在文物修復上得以普及，那么它對于文物的修復工作必然能起到極大的推動。1.2研究現狀作為席卷各行各業(yè)的革命性工藝，在國內外3D打印在在文物上也早有應用。早在3D打印技術初期哈佛大學閃族博物館兩名研究人員就通過3D打印技術和3D掃描技術復原出了3000年前打碎的瓷器獅子花瓶。該研究人員表示“只要有一個花瓶的碎片，就可以復原這個花瓶，但前提是圖案對稱、連續(xù)”。國內實際應用3D打印技術修復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打印技術應用于文物修復行業(yè)，帶來的不僅僅是修復方式的改變、技術的更新，更重要的是為文物修復工作者帶來了觀念的創(chuàng)新和思維模式的轉變。3D打印技術的應用勢必在文物修復行業(yè)掀起一陣巨大的波浪。3D打印技術的核心優(yōu)勢在于：（1）通過3D打印技術能夠直接制造出傳統(tǒng)生產方式所不能直接制造的個性化、復雜度高的產品；（2）3D打印技術可以快捷、方便，以更短的周期和更低的成本修復或復原出傳統(tǒng)工藝能夠達到而投入極高周期很長的文物，有效解決了高精確與低消耗之間的矛盾。（3）3D打印可通過數據重現已流失的文物，并且將文物復制品批量生產滿足了多地同時展覽和借展問題。1.3研究意義文物作為一種物質載體，承載了各個朝代的歷史文化，保護現有文物、修復或重現破損和遺失文物不僅有利于歷史研究，對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，出土文物中相當一部分流失海外或處于破損狀態(tài)。這對我國文物修復來說是一項巨大的挑戰(zhàn)，尋找更高效的修復方式或技術成了文保工作者亟待解決的問題。據2016年國家文物局發(fā)布的調出數據顯示，全國文物系統(tǒng)3000多萬件館藏文物中有超過半數的文物存在不同程度的破損，面對已有的和每年考古發(fā)掘出的土數額龐大的破損文物，全國僅有2000余人從事文物修復工作。2.3D打印技術的工作原理本文按文物的質地結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應，根據打印基質材料的不同，3D打印修復分為金屬3D打印、陶瓷3D打印、聚合物3D打印、玻璃3D打印等。可移動文物數量（件）-占比 所用打印技術____—(%)合計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文物數據及適用打印方式對比表中數據不難發(fā)現我國現有可移動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3D打印的過程都得經過輸入、建模、輸出這三個步驟，3D打印陶瓷的過程也一樣，先掃描或直接將已有數據輸入計算機，由計算機軟件進行建模；再用切片軟件進行切片處理，檢測模型的完整性；如果檢測為完整模型則加入泥坯進行打??；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)勢在于精確高效。陶瓷3D打印全程由計算機控制，打印前有三維模型構建，在造型工藝和數據上更為精確，打印過程中一個工作人員可以同時操控多個機器實現了規(guī)?；团炕a；材料節(jié)約化。打印材料為泥坯，廉價易于獲取，在燒制前均可重復使用。外表多樣化。在打印過程中可以加入不同的顏料，通過計算機控制打印出個部位顏色不同的器物。陶瓷3D打印技術的不足之處在于，打印過程中無法進行數據修改，否則會出現打印不均勻的情況，導致整個器物的打印失?。黄浯未蛴〈蠹锲窌r需要輔助快速干燥工具避免所打印物品出現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打印陶瓷技術在費用和效率上都是一大進步，對于殘缺文物也可以通過布爾運算出缺失部分得出完整的打印數據。2.2聚合物3D打印以聚合物為打印材料的3D打印技術主要包括激光選區(qū)燒結技術(SelectedLaserSintering，SLS)、熔融沉積技術(FusedDepositionModeling，FDM)、立體光固化技術(StereoLithographyAppearance，SLA)和聚合物噴射技術(PolyJet)。SLS是控制激光在鋪設好的粉末上方選擇性的對粉末進行掃射，該項技術在產品設計和零件功能測試中展現出了較好的效果。SLS工藝的優(yōu)點在于適用性廣，能夠滿足硬度較高物品的打??；打印時間較短，不需要考慮和搭建支撐結構，打印更加簡潔方便°SLS工藝可應用于任何可打印文物的修復，尤其是金屬文物的打印，在PA中加入鋁粉、碳纖維、玻璃微珠等無機材料可顯著提高打印文物在強度、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，然后在噴頭內被加熱融化，通過電腦終端控制噴頭沿著零件填充運動軌跡，將半流動狀態(tài)材料送到指定位置最終冷凝成型的過程。SLA技術被稱為最成熟的打印技術，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)，它在一定波長的紫外線(250~400nm)照射下立刻引起聚合反應，最終完成固化。優(yōu)點缺點SLS1.多種粉末狀材料，高分子、尼龍、金屬、陶瓷、石膏；2.利用率高，價格低；高精度，整體工件（0.05~0.25mm）的公差過程中產生異味；加工長，需預加工除設備本身外需其他輔助工藝FDM環(huán)保，無毒害氣體和廢料產生；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需進行后續(xù)表面拋光；面垂直的強度小；速度相對慢，需要材料作為支撐 SLA1.出現早，成熟度高；2.3D數字模型直接成型，速度快、周期短、無需切削工具與模型環(huán)境苛刻，需避光，且使用過程中產生毒氣；耐熱性不高，難以長時間保存；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)缺點對比通過以上聚合物3D打印原理的研究和優(yōu)缺點對比，我們可以得出結論，聚合物打印技術雖然應用廣泛，看似可應用于任何一種文物的打印，然而事實上無論哪種技術都存在著造價高昂、被打印物件難以長期保存這兩大弊端。在使用聚合物3D打印修復文物過程中可根據資金狀況和修復研究方向來具體確定使用何種技術。3.3D打印技術修復文物的優(yōu)缺點3D打印技術在文物修復過程中獲得快速發(fā)展，與傳統(tǒng)文物修復方法相比存在著以下優(yōu)點：（1） 可以定制化和批量化生產：通過三維掃描，文物數據可以的到永久保存于計算機上，根據需要進行二次創(chuàng)作實現和批量化生產。（2） 高精度與高效率：3D打印技術與傳統(tǒng)的文物修復相比在生產周期和所需人員上都大大縮短，打印過程由計算機操作，保證了數據的精確化。（3） 保護文物：三維掃描和3D打印作為一種非接觸式的數據獲取和復制方式，減少了對文物觸碰帶來的二次損壞。同時，對于打印出來的"文物”可以進行開模和塑性。（4） 在陳列展覽過程中，可將原件與打印件共同展出，讓觀眾在觀看的時候有想象思考的過程，達到博物館的教育功能。但是3D打印在文物修復中難以普及是因為還存在著一些缺點：（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；打印機器成本價和維護費用也較為高昂，一般文博單位難以承受。（2） 技術方面：一些傳統(tǒng)文物修復工作者難以掌握計算機和3D打印機操作技術；打印機尺寸有限，對于一些大件文物難以實現整體打印。（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。加強文物資源管理利用、加強破損文物修復還原，對豐富國家歷史文化、增強民族文化自信和文虎軟實力都有著重要的意義。近年來，3D打印技術的不斷發(fā)展將傳統(tǒng)文物修復與計算機技術結合起來，為文物修復工作提供了新的幫助。如何挖掘3D打印技術在文物修復中的巨大潛力，真正實現讓文物活起來、讓文物說話仍是文物工作者需要努力的！參考文獻

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