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3D打印

        古代的巴比伦空中花园,可以说是古建筑文明中一道夺目的风景线,但是,古文明时期的民族战乱,再加上现代中东动荡,让这座美丽的城市丢弃了很多珍贵的文物。面对残垣断壁,以前的考古学家只有扼腕叹息的份儿了。
       而随着3D打印和3D扫描技术的应用,为人类的文物修复带来了新的可能。利用三维扫描采集文物古迹的点集,输入计算机进行过滤和建模,最终应用于文物的保护和修复,使得人类文明在经历暴行摧残之后依旧可以屹立于世。因此,3D打印在保护古代文明方面被称为一种“有尊严”的技术。下面,我们就以被极端组织伊斯兰国(ISIS)摧毁的历史古迹为例,来了解一下3D打印的神奇之处。

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贝尔神庙

 这是一座位于叙利亚城巴尔米拉的古罗马神庙,约建于公元32年,用于供奉巴尔米拉人的贝尔神
从远古时代的自然神崇拜到古罗马帝国的基督教文明,贝尔神庙一直矗立在巴尔米拉城,纵使文明几经更迭,神庙却一直被完好无损地保存了下来。曾被认为是巴尔米拉废墟上最具代表性、保存最完好的神庙遗迹,还被联合国教科文组织列入世界遗产。

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ISIS正在摧毁贝尔神庙

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被ISIS摧毁后的贝尔神庙,只剩下一个拱门还依旧挺立

 
    然而,就在2015年8月23日,这座经历了2000年历史的神庙被极端恐怖组织ISIS无情地摧毁了。历经千年风霜的神庙如今只余下一个拱门,孤零零地伫立在巴尔米拉的废墟之上。
人间自有正义在,来自哈佛、牛津大学以及迪拜未来博物馆的研究人员组建了数字考古研究所(IDA),他们计划用数字成像和3D打印技术,来复原被ISIS摧毁的古建筑。

特拉法尔加广场上拱门电脑复原图

      IDA与联合国教科文组织合作并支持考古研究所的工作,为此他们还为研究者们提供了5000台专业的测量照相机,以用于捕捉中东和北非的历史遗迹图像,对各种历史遗迹进行3D扫描。
     贝尔神庙的部分部件采用了位于上海的一台大型3D打印机进行打印。部件打印完成后会被运到意大利进行后期处理,然后运往英国的特拉法尔加广场进行展示。与此同时IDA方面表示,希望有朝一日通过3D打印技术复原整个贝尔神庙。
3D打印技术修复千手观音
3D打印技术在原理上并不复杂,就是一个获取数据,再打印实物的过程。3D打印,学名增材制造,也称快速成型技术,此技术诞生于20世纪80年代后期,它是基于材料累加原理快速成型操作过程,将计算机中的三维模型通过物品分层添加材料来创造出实物的一种叠层制造技术。
在修复器物残缺部位时,传统的工艺是用打样膏或硅橡胶对文物器物直接取样、翻模,然后对残缺处进行修复。但是在某些特殊的案例中,例如修复质地疏松的陶器时,传统的翻模方法便不适合直接在其表面进行操作了。

重庆市大足石刻景区千手观音主尊修复工程引入3D打印技术

3D打印出来的1:3比例千手观音模型

        3D打印技术修复文物,可以做到在不直接接触文物器物的前提下,通过高科技技术手段,如三维立体扫描、数据采集、建模、打印等,将复制件及残缺部分打印、复制成型。此类翻模方式不仅节省材料,提高材料利用率,可快速精准成型,更重要的是大大避免了翻模时直接接触文物而对文物本体造成的二次伤害。那么,利用3D打印技术修复文物,具体如何操作呢?
3D打印如何用于文物修复
       首先需要有3D立体模型图,然后配套的软件会把这张图上的物体数据模型进行一系列数字切片,这些切片信息传送到打印机,打印喷头根据切片信息,一层层极薄地堆叠出立体物件。

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3D扫描文物原型

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打印之前需要对文物进行三维建模

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3D立体模型图

传统的文物复制一般直接在文物上翻模,对于不适于翻模的文物(如表面有彩绘、陶质文物)则采用粘土塑形复制。这样的复制方法会造成两种不利影响,首先是翻模材料残留在文物表面,对文物造成污染;其次塑形与文物不能达到百分之百的一致。而结合三维扫描技术的3D打印可以很好的解决这些问题。

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图为利用3D打印技术修复的被ISIS破坏的伊拉克文物
 

      对于残缺文物的修复,首先要获得残缺处的三维模型。例如陶俑有一足缺失,根据分析,应与另一足形状相同,可以扫描另一足外形打印后用作补全的依据。再如瓷碗口沿缺失局部,而缺失处整体弧度与其他部分是完全相同的,也可通过复制其他部分来进行文物修复。个别材质的文物(如瓷器)还可直接利用打印品进行文物补全。
3D打印技术的优势在于,它可以无限制地复制,首先使用三维扫描技术获得复制文物的三维模型,再使用3D打印获得复制品,再在复制品的基础上翻模复制,实现批量化制作。因为,依据三维扫描获得的文物三维数字模型,使用数控加工手段,可以复制出文物的真实形貌或制作文物衍生品,用于代替文物真品进行实物展示,使人们能够欣赏文物造型的同时,减少和避免对文物真品的损伤。
      3D打印技术还有一项十分明显的优势,它可以根据需要调整打印品的比例,可以轻易地获得文物二分之一、三分之一……的比例,这在传统复制上是很难甚至根本无法做到的。
此外,3D打印的模型一旦获得是独立于文物之外的,可以像我们复印文件一样,获得完全相同的打印品,甚至可以获得细微纹饰的形貌。
     虽然复原的文物、古建筑并不能完全替代被摧毁的文物、古建筑,但不可否认的是,3D打印复原技术将成为考古、文物鉴赏等领域不可缺少的重要技术支撑。随着3D打印技术的成熟,结合利用计算机技术实现文物及考古现场的数字模型的建立和信息化存储,进而对数字模型进行管理和应用,我们预测,3D打印技术在文物修复领域将具有更加广阔的研究和应用前景。





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