王家鑫

摘 要

云岡石窟是我國的三大石窟之一，是中國佛教藝術(shù)的巔峰之作。一直以來，云岡大體量1：1復制課題都存在諸多的問題。而采用3D打印，則可以有效的解決這些問題。文中就對第20窟佛頭3D打印1：1復制工程進行介紹，為大型不可移動文物1：1復制提供借鑒。

關(guān)鍵詞

大型不可移動文物;3D打印;云岡石窟

中圖分類號： K878文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.065

云岡石窟作為北魏時期皇家工程，是我國三大石窟之一，位于山西省大同市城西十六公里的武州山南麓，十里河北岸。石窟依山開鑿，東西綿延一公里，現(xiàn)存大小窟龕254個，主要洞窟45座，造像59000余尊，堪稱中國佛教藝術(shù)的巔峰之作，代表了五世紀世界雕刻藝術(shù)的最高水平。尤以曇矅五窟氣勢之磅礴、體量之碩美著稱，所以在云岡大型不可移動文物1：1復制課題上多年來都面臨著三個問題：首先是因為云岡文物體積之大，所以無論是采用是手工復制或是機器復制，都面臨著“文物模型精度低誤差較大”的問題，以至于所復制文物難以完全還原文物本體外貌特征;其次是即使得到了高精度低誤差的石窟模型三維數(shù)據(jù)，我們也難以找到“低成本”、“高效率”的復制方式，石窟藝術(shù)于古人開鑿數(shù)十年乃至數(shù)百年，所以即使此項工程放置今日也難以在短時間內(nèi)完成;最后在于1：1原始體積模型的安裝和擺放存在工藝安全和文物復制材料制成的維持時間問題，若不能保證其復制品堅固可靠、綠色環(huán)保，也就失去大型文物復制的意義。

目前為止，借助三維激光掃描和3D打印技術(shù)的相結(jié)合，通過正向技術(shù)攻關(guān)已經(jīng)完成了云岡第3窟“西方三圣佛”的復制，成功克服了以上三個問題。FDM 3D打印技術(shù)的生產(chǎn)材料相對環(huán)保，生產(chǎn)周期相對傳統(tǒng)雕塑工藝較短，結(jié)合生產(chǎn)成本、模型精度可滿足文物研究修復等方面綜合考慮，此項技術(shù)可大范圍適用于大型不可移動文物復制。在第3窟1：1? 3D打印成功復制的基礎(chǔ)上，第20窟佛頭亦采用相同的技術(shù)工藝和工程原理進行1：1原始大小的3D打印復制。3D打印機技術(shù)都是基于三維模型數(shù)據(jù)進行立體打印生產(chǎn)，若想獲得一個還原度較高的文物模型，必須在文物數(shù)據(jù)采集上保證文物數(shù)據(jù)精度，否則依托低精度數(shù)據(jù)所打印生產(chǎn)的文物難以體現(xiàn)其本體特征，不具備研究和保存價值。

云岡第20窟文物數(shù)據(jù)采用使用三維激光掃描技術(shù)對文物信息進行采集，使用RIEGL-VZ400站式激光掃描儀對文物進行點云數(shù)據(jù)采集，其數(shù)據(jù)后期通過計算機進行高精度運算，對不同站點進行數(shù)據(jù)比對，最終完成拼合。點云數(shù)據(jù)其原始形態(tài)在計算機中顯示為點狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過計算機進行比對和拼接之后，將點云數(shù)據(jù)聯(lián)合對象點，最終由點連成線，由線連成三角面，多個三角面所聯(lián)合組成的結(jié)構(gòu)，則最終為文物的三維模型數(shù)據(jù)。其模型精度一般由其三角面最長邊邊長為參考依據(jù)。通過RIEGL-VZ400站式激光掃描儀所采集的文物三維模型三角面最長邊邊長為0.3-0.5毫米，此精度可滿足于文物數(shù)據(jù)留存與研究保護，可適用于FDM 3D打印復制使用。

云岡第20窟復制項目采用聚乳酸[1]PLA材料作為3D打印耗材。聚乳酸又稱為聚丙交酯，是一種主要成分為乳酸原料聚合而成的聚酯。其具有極其良好的生物可降解性、相容性和吸收性，而且本身無毒、無刺激性，屬于一種高分子材料，主要提取物均來自淀粉等發(fā)酵而來，即使通過堆肥以及焚燒處理，也可完全降解為H2O與CO2，其綠色環(huán)保的特征符合可持續(xù)發(fā)展的要求。因聚乳酸制作可使用含有淀粉成分的回收植物發(fā)酵進行提取，所以成本較低，聚乳酸每公斤價格1Kg約為70元人民幣。以聚酸乳為原材料用于大體積和結(jié)構(gòu)相對復雜的文物復制工程上，其成本具有得天獨厚的優(yōu)勢。

第20窟的3D打印復制工藝采用的是FDM（熔融沉積式）3D打印技術(shù)（圖1）。其具體原來是通過噴頭加熱到恒溫210℃擠壓熱塑性PLA材料，以逐層打印的方式來進行文物模型打印，每層打印高度為0.3毫米。此次使用的3D打印機均為依托于“笛卡爾坐標系”[2]UM2結(jié)構(gòu)的“工業(yè)級3D打印機”，其優(yōu)點為機械臂運動定位較準，絲桿上升匡量較低，打印機電機均采用伺服電機設計，伺服電機運動定位準確，可滿足于高精度3D模型打印復制。

（采自網(wǎng)絡）

圖1 FDM熔融沉積式3D打印機工作原理

原始大小的文物3D打印復制工程其三維數(shù)據(jù)是十分關(guān)鍵的核心內(nèi)容，其原始3D模型和點云數(shù)據(jù)的精度直接影響到最終模型打印效果。但是如果三維文物數(shù)據(jù)精度過高，也會在數(shù)據(jù)編碼導入3D打印機后增加打印機定位運動時間，無形中必將增多打印生產(chǎn)工作周期。其次此次項目中所采用的3D打印機其最高精度為0.3毫米，所以如果文物三維模型精度過高，很多細節(jié)也是3D打印機無法表現(xiàn)出來的，甚至會造成模型細節(jié)打印失真。因而，我們一般所采用的文物三維模型的三角面片，以最長邊邊長為0.3-0.5毫米為最佳打印精度（圖2）。

圖2 在Geomagic中測量模型三角面片邊長為

0.47毫米

第20窟主佛為高浮雕造像，佛像背面與石壁相連，去除背光后的第20窟佛頭，其背后為割裂狀，單獨以這種方式去呈現(xiàn)佛頭缺乏美感，需要在3D模型設計軟件和數(shù)字雕刻軟件中重新為佛頭造出一個優(yōu)雅美觀的后腦部分。將原始數(shù)據(jù)導入3ds max，然后平行拉出一個多網(wǎng)格平面進行重新設計。在數(shù)字雕刻軟件ZBrush中進行塑型修飾處理（圖3），使佛頭背面變得更加符合其自然的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

圖3 在ZBrush中對模型進行塑型處理

第20窟佛頭原始大小模型佛頭高5000毫米，長2900毫米，寬3000毫米，三維模型體積較為龐大。而采用的最大3D打印機只能輸出打印800毫米X 800毫米X 1000毫米的實體模塊，所以需要對三維模型進行合理切塊處理才能進行打印數(shù)據(jù)加工處理。使用Geomagic進行切塊處理，必須要避開紋理豐富以及結(jié)構(gòu)復雜的地方進行切割，避免在后期進行人工拼裝時造成浮雕紋理丟失和損壞。去除佛頭中心不需要的內(nèi)圓心部分，在Geomagic中一共切割裁剪出82塊模型體。

裁剪切割分塊之后的模型需要在Magics中抽殼。抽殼是將模型單一的外殼由內(nèi)加厚為壁厚2毫米的三維模型（圖4）。壁厚2毫米既兼顧了拼裝時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也考慮了打印效率，避免了結(jié)構(gòu)過于松散和生產(chǎn)周期較長。

圖4 在Magics中將三維模型壁厚抽殼至2毫米

單一的實體3D打印模塊是不能用膠水、焊接等整體硬連接方式進行組裝的，因此抽殼后的模塊需要進行“打孔”工作，以模塊的連接面為參考系，在Magics中設計為直徑6.5毫米的穿透連接孔，且兩個模型面的孔必須要對稱，不能有絲毫誤差存在。6.5毫米為鋼結(jié)構(gòu)螺絲的直徑，模型連接面的6.5毫米口徑是為了總裝時穿透螺絲而設計。

三維模型數(shù)據(jù)經(jīng)過原始尺寸放大、重新塑性細化、等比例切割分塊、連接面對稱打孔這四步處理后，檢查模塊結(jié)構(gòu)無異，每一塊模型通過Simplify3D進行切片運算處理，得出預演打印過程和打印時間（圖5），就可以將產(chǎn)生的G-code代碼文件傳送至3D打印機進行“模型實體”打印工作。

每一塊邊長800毫米的立方體3D打印模塊需要三至五天才能完成，若二十臺大型3D打印機同時工作，需要二十二天才能完成模塊的3D打印。每一塊打印完成的模塊需要進行人工修飾，常見的修飾方式有使用氣動裝置打磨頂狀物、對略微變形的模型進行熱風塑性、粘結(jié)工作。

圖5 在Simplify3D中生成的模型打印預演窗口

當一部分模塊修飾處理完成，即可進行部分拼裝工作。由于打印時是按照切塊圖紙以層為單位進行打印生產(chǎn)的（圖6），按照如上打印生產(chǎn)規(guī)律在長達二十二天的工作周期中，能夠做到邊生產(chǎn)邊組裝，既提高生產(chǎn)效率，也便于檢查模型生產(chǎn)處理之后的貼合情況。拼裝時使用電氣螺絲工具將螺絲通過模型連接面的孔洞固定，每一螺絲直徑6.5毫米，每一螺絲配有螺母方便緊固模型面。

圖6 總裝模型圖紙和正在打印的模型

按照切割模塊的圖紙以層為工作面進行有計劃的拼裝，之后經(jīng)過大量的接縫打磨和電熱風加固讓拼裝后的模型更加堅固。PLA因其分子結(jié)構(gòu)特點不具備抗氧化性，所以模型內(nèi)部未來不需要上色的部分需要做抗氧化處理。在噴灑抗氧化劑之前，需要對模型表面進行清理，均勻地噴灑三氯甲烷進行表面處理，然后再對模型噴灑抗氧化劑。

全部82塊3D打印模型，通過復雜的前期數(shù)據(jù)處理和3D打印模塊生產(chǎn)以及后期的打磨修飾、人工噴砂上色，最終以整體的佛頭文物形態(tài)展現(xiàn)在我們面前（圖7）。方便近距離研究觀察石窟外觀結(jié)構(gòu)。云岡石窟目前正通過這種方式將體量巨大、氣勢恢宏的洞窟進行復制和再造，讓更多未曾踏足過古都大同的人去通過這種特殊的方式去欣賞、體會、觸摸“近在咫尺的云岡石窟”。

參考文獻

[1]聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是一種新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提煉出的淀粉原料制成.

[2]笛卡爾坐標系（Cartesian coordinates，法語：les coordonnées cartésiennes）是直角坐標系和斜坐標系的統(tǒng)稱.