許小龍　李成凱　邵漠宇　鄧星　趙陽陽　鄒偉

摘 要：由于3D打印與逆向工程技術(shù)在保護(hù)文物時(shí)具有快速、較高精度和不會(huì)產(chǎn)生二次損害等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在文物保護(hù)工作中的重要地位日趨顯露。通過梳理近幾年國(guó)內(nèi)外3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)應(yīng)用研究的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)理論研究、應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問題做一綜述。目前，3D打印與逆向工程技術(shù)已逐漸被應(yīng)用于文物修復(fù)以及文物復(fù)制方面，盡管存在一定的局限性，但已取得一定進(jìn)展，以期為后續(xù)研究者提供新的思路。

關(guān)鍵詞：逆向工程;3D打印;文物保護(hù)

0 引言

文物是歷史的見證、文明的果實(shí)，具有極大研究?jī)r(jià)值，而文物在見證歷史的同時(shí)也遭受著自然及人為因素的破壞。2002年，國(guó)家文物局啟動(dòng)了全國(guó)館藏文物腐蝕損失調(diào)查項(xiàng)目，根據(jù)調(diào)查①顯示，我國(guó)有50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害，重度以上腐蝕的館藏文物230多萬件，占被腐蝕文物的16.5%，由此可見文物保護(hù)工作刻不容緩。常見的文物保護(hù)方法有修復(fù)和復(fù)制兩種，而采用傳統(tǒng)文物保護(hù)方法，不可避免地會(huì)與文物直接接觸而有可能造成二次損害。然而，《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)實(shí)施條例》第四十六條明確提出復(fù)制、拍攝、拓印館藏文物，“不得對(duì)館藏文物造成損害”，因此文物保護(hù)工作急需創(chuàng)新工藝。

3D打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過疊層成形的方式來制造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)具有快速、靈活及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來受到業(yè)界廣泛關(guān)注，在機(jī)械、運(yùn)輸交通、醫(yī)學(xué)、通信、建筑和考古等行業(yè)得到應(yīng)用。逆向工程②是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造技術(shù)中的一種先進(jìn)技術(shù)，主要是通過一定方式將已有的實(shí)物轉(zhuǎn)化為數(shù)字化CAD模型，進(jìn)而開發(fā)出更先進(jìn)的同類產(chǎn)品。3D打印所需的三維數(shù)字模型可以通過逆向工程技術(shù)常采用的設(shè)備—無接觸式的三維掃描儀獲得，期間與所復(fù)制或修復(fù)的物品無直接接觸，這一工藝在文物保護(hù)中是非常重要的。同時(shí)，采用該技術(shù)還可降低文物修復(fù)難度，提高文物修復(fù)精度和工作效率。因此，3D打印與逆向工程技術(shù)為文物保護(hù)工作提供了新思路。

將3D打印與逆向工程技術(shù)應(yīng)用于文物保護(hù)工作，不僅具有創(chuàng)新意義還具有極大的應(yīng)用價(jià)值。本文綜述了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

大力推行文物保護(hù)是為了最大限度延長(zhǎng)文物壽命，真實(shí)全面地保留其歷史信息并發(fā)揮文物價(jià)值。在文物保護(hù)方面，采用3D打印技術(shù)對(duì)文物無損保護(hù)這一特點(diǎn)突破了傳統(tǒng)翻模復(fù)制的限制，這將是文物保護(hù)歷史上新的篇章。

1.1 理論研究

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)3D打印在文物保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論上的研究及實(shí)踐探索。張曉青③等闡述了3D打印技術(shù)良好的發(fā)展趨勢(shì)，從政策可行性和技術(shù)可行性兩個(gè)方面論證了3D打印技術(shù)應(yīng)用于文物復(fù)制的可行性，并利用3D打印技術(shù)復(fù)制出了古籍。Neumüller④等提出利用3D打印可以控制文物的形狀大小，使之更適合人手的大小，從而實(shí)現(xiàn)多感官的教育學(xué)習(xí)，尤其是利用觸覺進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)也為那些視覺障礙者提供了學(xué)習(xí)途徑。牛世鑫⑤等分析了現(xiàn)代設(shè)計(jì)中仿古建筑的特點(diǎn)，從高精度復(fù)原等方面介紹了3D打印技術(shù)在仿古建筑中應(yīng)用的巨大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也提出了3D打印成本高的這一現(xiàn)實(shí)問題。在陶器復(fù)制中，楊蘊(yùn)①等通過分析3D打印技術(shù)復(fù)制陶器的主要過程，分析了液化打印、粉末打印兩種3D打印方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后證明3D打印技術(shù)由于無接觸式復(fù)制以及高精度的特點(diǎn)在文物保護(hù)領(lǐng)域是具有跨時(shí)代的意義，這肯定了3D打印在文物保護(hù)中應(yīng)用的價(jià)值。史寧昌②等通過介紹3D打印的工作原理及在文物保護(hù)中應(yīng)用的技術(shù)路線，從文物復(fù)制、文物碎片拼接和殘缺文物修復(fù)三個(gè)角度出發(fā)對(duì)3D打印在文物保護(hù)中的應(yīng)用展開了初期理論探討，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)還存在材料限制、色彩單一等問題。郭歡磊③等從三維數(shù)字模型的獲得和處理的角度論證了3D打印及逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)中應(yīng)用的可行性。

綜上所述，許多學(xué)者從各個(gè)角度探討了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，從理論及實(shí)踐上證明了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)中的重要性。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

在理論研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開始嘗試在文物保護(hù)中應(yīng)用3D打印與逆向工程技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)逐漸在文物保護(hù)中占有一席之地。

高秀芬④研究了3D打印技術(shù)在尋甸彝族非遺器物傳承與保護(hù)中的應(yīng)用，采用3D打印技術(shù)及逆向工程技術(shù)將民族服飾裝飾品、少數(shù)民族器物等非遺器物進(jìn)行了數(shù)字建模及3D打印，在保護(hù)非遺器物的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了文化傳承。李文怡⑤等較早地應(yīng)用3D打印技術(shù)對(duì)隋代殘缺白瓷高足杯完成了修復(fù)工作，并取得了良好的成果。在修復(fù)過程中，工作人員利用三維掃描儀獲得殘缺部分的三維數(shù)字模型數(shù)據(jù)，最終利用3D打印技術(shù)完成殘缺部分，經(jīng)過后續(xù)處理后完成文物的修復(fù)。何原榮⑥等針對(duì)文物的完整有效保存，以宋代古船為例，提出了利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行掃描從而獲得三維模型，并通過3D打印技術(shù)完成文物的高精度復(fù)制。舒歡⑦等提出了對(duì)兵馬俑碎片進(jìn)行三維掃描，并打印出碎片復(fù)制品對(duì)兵馬俑破損處進(jìn)行修復(fù)的方法，為兵馬俑的保護(hù)工作打開了新紀(jì)元。青銅器也是我國(guó)珍貴的文物類型，而現(xiàn)存青銅器飽受氧化的侵害。青銅器的傳統(tǒng)保護(hù)方法是翻模技法，但翻模不可避免地會(huì)與青銅器發(fā)生接觸，難免會(huì)造成二次傷害。此時(shí)，余?、嗟忍岢隽藨?yīng)用3D打印技術(shù)保護(hù)青銅器的想法。利用三維掃描與文物無接觸的特點(diǎn)，應(yīng)用3D打印及逆向工程技術(shù)對(duì)三星堆青銅面具進(jìn)行了殘缺部分的修復(fù)，避免了傳統(tǒng)修復(fù)工藝直接在青銅面具進(jìn)行修復(fù)工作給青銅面具所帶來的二次傷害。相似的，張鵬宇⑨對(duì)一級(jí)文物鎏金“中國(guó)大寧”銅鏡進(jìn)行了3D打印復(fù)制。銅鏡表面鎏金的特點(diǎn)決定了其不適用翻模復(fù)制，此時(shí)無接觸的三維掃描和3D打印技術(shù)便最適宜。劉亮⑩利用3D打印技術(shù)代替了傳統(tǒng)修復(fù)技藝，以鵲尾爐的修復(fù)工作來探討3D打印在文物保護(hù)中的實(shí)際應(yīng)用。在小型文物方面，Ballarink與博物館合作，共同復(fù)制了一件小型精致文物，并利用不同的打印機(jī)以及材料進(jìn)行復(fù)制，對(duì)比結(jié)果比較理想。Niquetl等人利用3D打印技術(shù)及三維結(jié)構(gòu)白光掃描技術(shù)打印出內(nèi)置傳感器的古石墓雕像修復(fù)體。這種保護(hù)方法既修復(fù)了文物，又通過內(nèi)置傳感器監(jiān)測(cè)雕像周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，用于適時(shí)保護(hù)古雕像。

大型文物的保護(hù)一直是文物保護(hù)工作中的難點(diǎn)，許飛進(jìn)m等試將3D打印技術(shù)應(yīng)用于古建筑保護(hù)，利用Autodesk 3Ds Max軟件建立三維數(shù)字模型，將古建筑結(jié)構(gòu)每個(gè)構(gòu)件單獨(dú)打印，最后進(jìn)行拼裝，這為大型文物的保護(hù)工作提供了新的思路。同樣的思路，王家鑫n對(duì)三維模型進(jìn)行了切塊處理、分塊打印，經(jīng)過打孔等后續(xù)處理再拼裝在一起，完成了云岡石窟佛頭的1∶1復(fù)制。

近幾年文獻(xiàn)表明，3D打印與逆向工程技術(shù)被用于不同種類的文物的保護(hù)工作中。3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用主要分為文物復(fù)制和文物修復(fù)兩大類，大體思路都是通過逆向工程技術(shù)建立三維數(shù)字模型，后通過3D打印技術(shù)完成文物保護(hù)，具體技術(shù)路線圖過程如圖1所示。

2 3D打印與逆向工程技術(shù)應(yīng)用于文物保護(hù)中存在的問題

盡管3D打印已在文物保護(hù)方面得到應(yīng)用，且發(fā)展了一段時(shí)間，但是目前還是存在一些問題。

具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的文物比如古船①，由于文物保護(hù)過程中一般不拆解，在三維掃描過程中對(duì)文物細(xì)節(jié)的提取不夠精確，逆向工程技術(shù)受到一定限制。同時(shí)整個(gè)三維掃描到3D打印的過程專業(yè)性比較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員。另外，3D打印及逆向工程設(shè)備及使用的材料比較昂貴，這對(duì)于大型文物修復(fù)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

精度問題一直是3D打印的一個(gè)技術(shù)缺陷，對(duì)于文物的細(xì)節(jié)，使用3D打印與逆向工程技術(shù)修復(fù)或復(fù)制文物也是一個(gè)挑戰(zhàn)②。余?、蹖W(xué)者提出博物館缺少相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)人員，極大地阻礙了3D打印應(yīng)用到博物館內(nèi)。另外，打印出來的模型顏色單一，要是想展示在博物館中，則需要再次進(jìn)行上色。在陶器文物復(fù)制方面，卜衛(wèi)民④就提出了兩個(gè)具有代表性的問題：第一是存在于文物表面的一些淺浮雕以及某些精細(xì)的痕跡是沒有辦法進(jìn)行高還原度的3D打印的，這樣的話對(duì)于文物的細(xì)節(jié)把控就較為疏忽了;第二是目前打印材料比較受限，陶土類的文物殘缺無法用其原材料打印。史寧昌⑤等學(xué)者提出3D打印在空間方面比較受限，對(duì)于小型文物可以一次成型，大型文物則需要進(jìn)行拆解打印。

根據(jù)大量的文獻(xiàn)資料來看，目前3D打印的問題主要存在于材料和精度兩方面，打印材料受限十分明顯，并非所有文物都能以其相似材料復(fù)制，并且3D打印在色彩方面的表現(xiàn)也不行，目前能夠進(jìn)行多顏色打印的機(jī)器并不多，而且這些機(jī)器打印出的成品色彩和原物差距還是比較大的?，F(xiàn)在市面上大部分的3D打印機(jī)的精度并不高，打印出的實(shí)體模型表面還是比較粗糙，需要在后期進(jìn)行一系列的處理。因此，目前僅僅利用3D打印與逆向工程技術(shù)直接去完成整個(gè)修復(fù)或者復(fù)制文物的過程不太可能，還是要利用各種傳統(tǒng)的做舊以及上色等技術(shù)來完成對(duì)文物的后期處理。另外，利用3D打印與逆向工程技術(shù)還存在缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)準(zhǔn)則。

3 結(jié)論

3D打印與逆向工程技術(shù)以其在文物保護(hù)中不會(huì)直接接觸文物而造成二次傷害的特點(diǎn)引起學(xué)者的關(guān)注。多年來，許多學(xué)者從理論方面對(duì)3D打印在文物保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了可行性探討，通過政策可行性、技術(shù)可行性和保護(hù)工作需求幾個(gè)角度進(jìn)行了理論研究。同時(shí)，許多學(xué)者展開了3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)工作中的應(yīng)用，但也發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中還存在著材料限制、修復(fù)精度不足、成本較高、打印效率較低、色彩表現(xiàn)力不足、無法一次性打印大型文物和缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)準(zhǔn)則等問題，這些問題有待于進(jìn)一步解決。目前，3D打印在文物保護(hù)中還停留在簡(jiǎn)單的復(fù)制階段，顏色、材質(zhì)與真實(shí)文物還存在差異，經(jīng)過人工上色、做舊等后續(xù)處理才能完成文物復(fù)制或修復(fù)工作。

3D打印與逆向工程技術(shù)作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，在文物保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用還不足以顛覆傳統(tǒng)保護(hù)技藝，但其不會(huì)對(duì)文物造成二次損害的特點(diǎn)便足以奠定其重要地位。在以后的發(fā)展中，3D打印技術(shù)會(huì)愈加成熟，3D打印與逆向工程技術(shù)在文物保護(hù)應(yīng)用中所存在的問題或被解決。