3D打印技术
近年来，随着国内外博物馆、科技馆等场馆的展览主题日趋丰富，展览陈列中对于文物陈列品的要求也相应提高。由于文物原件的特殊性与唯一性，采取不当的保护保存措施难免会对文物造成无法挽回的损害。微生物劣化、光学污染、可溶性盐类侵蚀是影响文物本体保存的几大重要因素，不恰当的展厅环境、展柜环境与灯光照明设备很容易对文物原件造成不可逆的伤害，而文物复制品便能很好地解决这一问题。根据《文物复制管理办法》：文物复制是指依照文物的体量、形制、纹饰、质地等，基本采用原制作工艺复制与原文物相同的制品的活动。对文物进行仿真翻模复制后，将复制品放在展厅供参观使用，而文物原件置于实验室保护或库房保管，可控制文物的保存环境，保证其安全。
图3-55 3D数据扫描仪
出于现实条件等因素的制约，具有独特优势的文物复制品应运而生，文化遗产保护同时也推动了文物复制品市场的繁荣。文物复制品替代原文物作为博物馆展品，已经被大量地运用于全国各地各类博物馆及展览中。为了避免混淆视听，展牌上通常会对复制品进行标注，表明其为复制件，如国家博物馆藏后母戊大方鼎、湖北省博物馆藏虎座鸟架鼓等。复制品与其他陈列形式相互配合，能更好地表现展览主题，给予观众身临其境的感受，增强艺术感染力。这不仅生动真实地还原了文物原件的历史面貌，保存了文物的细节信息，还为文物科学研究提供了行之有效的实物资料和图像数据。
文物复制古已有之，早在春秋时期鲁国给齐国进献的谗鼎赝品几以乱真，体现了当时古物仿制、复制技术的高超。不过，传统的复制技艺难以实现在完全不接触文物本体的情况下完成模型的铸造，传统复制需要对金属原料进行冶炼、翻模、铸造、修整等一系列的工艺，不仅工程周期长、材料成本高，人工技术要求也较高，还存在冶铸失败的风险。修复也是通过打样膏或硅橡胶对文物直接取样、翻模，如果是修复表面矿化严重的青铜器，传统的翻模方法便不适合在其表面直接操作了。如果通过三维立体扫描等高科技手段，可将残缺部分复制打印成型。随着国内文物复制领域专家、学者不断地实践、改进、总结理论，3D打印技术从国外传入后不断在国内推广，在文物复制与修复过程中运用此项技术，逐渐成为国内一种时新的手段。
图3-56 3D打印机
早在20世纪80—90年代，欧美发达国家的3D打印技术已经基本形成并投入生产。进入21世纪，3D打印操作技术链呈现出更加完善并向产业化发展的趋势，在建筑、航空、汽车能源、消费电子、医疗等方面得到了大力推广，而国外文物复制方面，3D打印技术也卓有成效。例如，全球最大的博物馆系统史密森尼学会引入3D打印技术，创建博物院藏品的3D模型，连完整的考古遗址也经过扫描被制作成3D模型。1995年，北京隆源公司研发了AFS系列的粉末烧结激光快速打印机。近年来，由于展览陈设、科学研究等需要，我国各大博物馆也逐渐采用先进的科学设备辅助提高文物保护水平，如上海博物馆、中国国家博物馆、故宫博物院、南京博物院等；与此同时，国内多所高校3D打印技术的自主研发也开展得如火如荼，如北京大学、复旦大学、清华大学和华中理工大学等。
图3-57 3D打印的青铜弥勒佛造像
国内文物复制方面，最初是对文物进行三维扫描，采集3D数据块信息，从而建立模型、构建数据库，之后逐渐朝着复制实物的方向发展。运用较为成熟的是石窟壁画和佛像的复制，如新疆龟兹石窟的复原。2013年，山西博物院利用3D打印技术仿制了国宝级文物鹿形金怪兽。同年，南京博物院引进三维扫描仪和3D打印机，结合青铜传统修复工艺的调色作旧法，复制青铜弥勒佛造像，三维扫描建模后可以打印出树脂模型，操作简单便捷。
根据原料和原理的差异，3D打印技术可分为以下几种类型。
第一种，以光敏树脂为原料光固化成型，液态光敏树脂喷在基材上，再辐射相应的光波，使其反应聚合生成固态材料。
第二种，以热塑性材料为原料熔融挤出成型，PC等热塑性材料受成型挤压会快速固化。
第三种，以粉末状材料为原料选择性激光烧结，先将材料粉末堆放在已经成型的零部件上，采用高强度激光扫描，使材料粉末和零件烧结黏合在一起。
第四种，以薄片材料为原料分层实体制造，通常使用纸张、塑料薄膜等原料。
第五种，以粉末材料为原料三维印刷，通常使用陶瓷粉末、金属粉末等，通过硅胶、热熔胶等黏合剂进行成型。
第六种，以树脂砂为原料无模铸型制造技术，黏合剂和催化剂固结成砂，层层累积形成空间实体，可以得到一定的厚度，对砂模的内表面敷耐火材料或涂层后可以用于浇铸金属器物。这一技术的优点在于耗时短、无需模具、可铸造复杂形制的模型，也是金属文物复制的首选方案。
与传统修复相比，3D打印技术应用于文物的复制与修复有以下几个特点。
第一，数字化：可以根据需要调整复制件的比例，以网络平台为支撑，快速生产高质量打印。
第二，现实化：可以在不直接接触文物自身的条件下，根据3D打印建模数据，采用快速成型技术实现材料的堆积或削减，还原文物真实历史信息。
第三，智能化：可以将多种材料融合在一起，根据需要调整材料的属性，以提高其真实性。
第四，生态化：可回收二次利用，对环境影响较小。
第五，经济化：可以降低生产时间与投入成本，节约成本。
在文物复制方面，3D打印技术与三维扫描和三维建模技术联用，建立三维实体模型。然后，对打印成品进行一系列加强措施来延长使用、保存寿命，包括强制固化、去粉、包覆、打磨、抛光等。进行3D打印的前提是尽可能多地获取器物的高精度三维数据，对于文物的测绘要达到±1 mm的精度。展览陈列中的复制品需要按照国家规定，除标明文物年代、出土地点、时间外，还须标明复制单位、编号、材料等基本信息，建立统一、规范、标准的复制档案。文物复制工作的发展，有利于开展馆际之间的藏品交换、调拨，促进馆际之间的合作与交流，为博物馆的科研活动和陈列工作提供必要的实物资料和基础材料，促进博物馆社会效益的充分发挥。
在文物修复方面，采用3D激光扫描仪精确扫描文物采集数据，包括尺寸、形态、纹饰、色彩等。借助高分辨率CCD数码相机进行拍照，有效地收集器物表面的三维坐标点，获得器物的点云（Point Cloud）。将扫描结果转化成数字信息，通过计算机CAD软件进一步完善数据并直接生成三维图像，在保证文物绝对安全的情况下，精准输出并导出三维立体模型。数字信息采集完成以后，工作人员可以使用软件对铜器的破损、残片或者文物缺失的部分进行补配与修复。修复要及时建立档案，标注清晰，标明名称、地点、保存现状及参与修复的工作人员。修复过程中的补配环节，可以先填充缺失部分再复制原器的花纹、纹饰、形状。如果缺失面比较大，可以根据残缺情况复制相同部件或反相部件，或者截取后再镜像一下，之后复制纹饰和颜色，这样便能减轻传统修复中翻模对文物本体造成的伤害。
运用3D打印技术进行青铜文物的修复与复制，主要分为以下4个步骤。
第一步，准确获取数据：通过三维扫描仪采集文物高精度三维数据。较为常见的扫描仪有白光扫描仪和JD-scan双目光学测量机，白光扫描仪同自然光一样，对文物表面色彩等损害比较小。采集时间与器物大小、复杂程度有关，如稍大的陶罐数据采集约10 min。
第二步，高度处理数据：利用计算机三维软件建模。通常采用CAD等矢量建模软件，数据精度为0.03 mm。采集到的数据信息输入计算机进行相应的图像处理后得到三维的数据点云，在计算机上进行数据处理需要10~20 min，经过处理的矢量可以按照展览的尺寸需要，等比例放大或缩小。
第三步，三维数据的输出：3D打印成型。打印的机器有很多种，常规采用光敏树脂液化打印，通过激光在液体材料聚焦固化成型，精度为0.05 mm。此外，也有粉末状、丝化、片状的固体材料逐层打印，通过电脑控制，采用分层加工、叠加成型方式，根据数字化图形信息打印生成所需的形状。
第四步，后期细节处理：传统方法作旧。在不同环境下保存的铜器，根据锈蚀成因的不同，器表颜色也是不一样的。即使是同一件铜器表面，也会产生丰富的色彩层次。在处理三维数据时，很容易造成颜色的失真，因此机器操作一般很难把握铜器表面的颜色。这时就需要后期人工处理，运用传统方法手工调和颜料，通过点、弹、拨、吹、刷等技法模仿铜器表面锈蚀，从而还原铜器的原始风貌。