在3D打印基础上利用水转印技术修复、复制文物的实验验证
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作者:戴维康 卜卫民 张��琛 邹缘
【关键词】3D打印；水转印；瓷器修复；青铜器复制
【摘要】上海博物馆与瑛诺三维上海科技有限公司组建的数字化文物修复团队，在3D打印基础上利用水转印技术进行了三项文物修复或复制实验：包括模拟瓷器开片釉纹理、模拟瓷器结晶釉的窑变特征、复制汉代“黑漆古”铜镜。经评估，修复和复制完成后的视觉效果良好，利用该技术模拟瓷器、青铜器的色泽、质感符合博物馆陈列的要求。但瓷器补件在视频显微镜下呈现明显的打印色点，与原器物有较大差距，色差仪也证实手工上色的准确性仍强于基于喷墨打印机输出色彩的水转印工艺，说明此项工艺在微观上仍需改进。
近年来，3D打印技术使文物器身的修复效率大大提升[1，2]，但文物上花纹与色彩的修复依然需要手绘完成，不但花费大量时间，更受限于修复技师的技术和经验，难以把控修复效果。为了解决这个难题，我们设想将印刷行业中的水转印技术[3，4]引入到文物修复或复制中来。水转印是一种用于不规则对象表面印刷的工艺，适用于金属、玻璃、塑料和陶瓷等多种材质，可直接出图印刷，色彩还原度高。这种方法能够轻松为3D打印物体添加需要的图案或者颜色，可以改进传统文物修复、复制中手工上色的方法。瑛诺三维上海科技有限公司在3D打印基础上利用水转印技术十分成熟，经过富有诚意的协商，上海博物馆与该公司组建了数字化文物修复团队（后文简称“修复团队”），设计了三项实验：分别是模拟瓷器开片釉纹理、模拟瓷器结晶釉的窑变特征、复制汉代“黑漆古”铜镜，以此来论证在3D打印基础上用水转印技术修复或复制文物的可行性。下面介绍实验的具体情况及评估结果。
在3D打印基础上利用水转印技术修复或复制文物，工艺流程分为两大步：第一步采用3D打印技术打印出所需修复文物的缺失部分或需要复制的文物基体，第二步在3D打印完成的基体上利用水转印技术完成文物花纹、色彩的转印。
（一）3D打印所需补件及复制件
1.3D打印所需仪器设备及材料
①ScanTech Prince 775双色激光手持式三维扫描仪，在蓝色激光模式下，供5束平行蓝光，最高分辨率达0.02毫米。
②DWS XFAB 3500HD高精度下照式3D打印机，打印体积为140×140×180毫米，可使用包括陶瓷粉末在内的多种打印材料。
③DWS Invicta的3D打印材料，性能参数：拉伸强度40MPa，表面硬度83Shore D，断裂伸长9%，弯曲强度64MPa，弯曲模量1410MPa，拉伸模量1550MPa。
2.工艺流程
①用三维扫描仪扫描整件器物。
②使用MeshLab软件进行三维数据处理，将数据模型修正完整。对于需修复器物，使用对称镜像功能和布尔运算，获得缺失部分信息，将该部分单独保存，导出STL格式以备打印使用。
③使用3D打印机进行打印。
④用砂纸打磨打印件，使其表面平整光洁。
（二）利用水转印技术完成文物花纹、色彩的转印
1.水转印所需仪器设备及材料
①佳能5Ds全画幅数码相机及100毫米微距镜头。
②Epson Surecolor P9580大画幅喷墨打印机，分辨率2400×1200dpi。
③艾笛森喷墨透明底水转印纸MQ-201，尺寸210×297毫米。
2.工艺流程
①用高清数码相机拍摄所需图案。
②使用Photoshop软件进行色彩校正、图案修正，并调整至合适尺寸。
③使用高精度喷墨打印机在水转印纸上打印图像，再剪切至合适尺寸。
④将水转印纸浸泡于水中，待基纸与转印膜分离后，谨慎拉开基纸，使转印膜附着于3D打印件上。水转印操作要求环境温度为22～38℃，转印物表面温度22～32℃，水温度22～35℃。
⑤从水中取出贴好转印膜的3D打印件，经热干燥后再喷涂Golden Polymer Varnish UVLS（光漆）保护。
文物修复强调颜色接近，质感逼真，以及肉眼难以分辨修补部位。修复开片釉、结晶釉瓷器和复制“黑漆古”青铜器是文物修复、复制中的三个难点，传统的方法是手绘模拟瓷器开片釉的纹理、结晶釉的窑变特征和铜镜“黑漆古”的质感，凭借的是修复师多年的经验与手感。我们用以下三项实验，来论证是否可以在3D打印基础上借助水转印技术为修复师提供新的修复手段。
1.实验一：模拟瓷器开片釉纹理
样品为一件现代仿宋哥窑贯耳瓶，其一侧贯耳缺失，需修补。样品上的“金丝铁线”开片釉是修复难点。我国的《文物修复师国家职业技能标准》[5]将掌握开片纹描绘视为古陶瓷修复的最高标准之一。这种冰裂纹生成于高温窑炉中，视觉上呈现大小交错、方向随机的开片效果。传统的修复方法通常采用小号狼毫勾线笔蘸取颜料勾线绘出其开片纹理，需要保证线条挺直，纹路自然，且略带晕散，体现出浓淡变化，对修复师要求极高，如果技术不娴熟，则可能出现线条僵直、纹理死板、开片不真实的情况。
本实验对样品缺失贯耳进行了修复，过程如下（图一）：①采用3D打印技术打印贯耳补件；②用高清数码相机拍摄贯耳瓶身细部，截取部分开片图案，并进行色彩校正、图案校正；③用喷枪对3D打印的贯耳补件进行上色处理，处理方法及颜料与传统古陶瓷修复方法一致，不再赘述；④将开片釉的纹理图样打印在水转印纸上；⑤在水中将转印膜幕纸上揭下，敷在补件上，干燥后在补件表面喷涂一层光漆保护；⑥将完成水转印及上光釉的贯耳补件粘接在原器物上。
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