王家鑫
摘 要
云冈石窟是我国的三大石窟之一，是中国佛教艺术的巅峰之作。一直以来，云冈大体量1：1复制课题都存在诸多的问题。而采用3D打印，则可以有效的解决这些问题。文中就对第20窟佛头3D打印1：1复制工程进行介绍，为大型不可移动文物1：1复制提供借鉴。
关键词
大型不可移动文物;3D打印;云冈石窟
中图分类号： K878文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.065
云冈石窟作为北魏时期皇家工程，是我国三大石窟之一，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。石窟依山开凿，东西绵延一公里，现存大小窟龛254个，主要洞窟45座，造像59000余尊，堪称中国佛教艺术的巅峰之作，代表了五世纪世界雕刻艺术的最高水平。尤以昙矅五窟气势之磅礴、体量之硕美著称，所以在云冈大型不可移动文物1：1复制课题上多年来都面临着三个问题：首先是因为云冈文物体积之大，所以无论是采用是手工复制或是机器复制，都面临着“文物模型精度低误差较大”的问题，以至于所复制文物难以完全还原文物本体外貌特征;其次是即使得到了高精度低误差的石窟模型三维数据，我们也难以找到“低成本”、“高效率”的复制方式，石窟艺术于古人开凿数十年乃至数百年，所以即使此项工程放置今日也难以在短时间内完成;最后在于1：1原始体积模型的安装和摆放存在工艺安全和文物复制材料制成的维持时间问题，若不能保证其复制品坚固可靠、绿色环保，也就失去大型文物复制的意义。
目前为止，借助三维激光扫描和3D打印技术的相结合，通过正向技术攻关已经完成了云冈第3窟“西方三圣佛”的复制，成功克服了以上三个问题。FDM 3D打印技术的生产材料相对环保，生产周期相对传统雕塑工艺较短，结合生产成本、模型精度可满足文物研究修复等方面综合考虑，此项技术可大范围适用于大型不可移动文物复制。在第3窟1：1 3D打印成功复制的基础上，第20窟佛头亦采用相同的技术工艺和工程原理进行1：1原始大小的3D打印复制。3D打印机技术都是基于三维模型数据进行立体打印生产，若想获得一个还原度较高的文物模型，必须在文物数据采集上保证文物数据精度，否则依托低精度数据所打印生产的文物难以体现其本体特征，不具备研究和保存价值。
云冈第20窟文物数据采用使用三维激光扫描技术对文物信息进行采集，使用RIEGL-VZ400站式激光扫描仪对文物进行点云数据采集，其数据后期通过计算机进行高精度运算，对不同站点进行数据比对，最终完成拼合。点云数据其原始形态在计算机中显示为点状结构，经过计算机进行比对和拼接之后，将点云数据联合对象点，最终由点连成线，由线连成三角面，多个三角面所联合组成的结构，则最终为文物的三维模型数据。其模型精度一般由其三角面最长边边长为参考依据。通过RIEGL-VZ400站式激光扫描仪所采集的文物三维模型三角面最长边边长为0.3-0.5毫米，此精度可满足于文物数据留存与研究保护，可适用于FDM 3D打印复制使用。
云冈第20窟复制项目采用聚乳酸[1]PLA材料作为3D打印耗材。聚乳酸又称为聚丙交酯，是一种主要成分为乳酸原料聚合而成的聚酯。其具有极其良好的生物可降解性、相容性和吸收性，而且本身无毒、无刺激性，属于一种高分子材料，主要提取物均来自淀粉等发酵而来，即使通过堆肥以及焚烧处理，也可完全降解为H2O与CO2，其绿色环保的特征符合可持续发展的要求。因聚乳酸制作可使用含有淀粉成分的回收植物发酵进行提取，所以成本较低，聚乳酸每公斤价格1Kg约为70元人民币。以聚酸乳为原材料用于大体积和结构相对复杂的文物复制工程上，其成本具有得天独厚的优势。
第20窟的3D打印复制工艺采用的是FDM（熔融沉积式）3D打印技术（图1）。其具体原来是通过喷头加热到恒温210℃挤压热塑性PLA材料，以逐层打印的方式来进行文物模型打印，每层打印高度为0.3毫米。此次使用的3D打印机均为依托于“笛卡尔坐标系”[2]UM2结构的“工业级3D打印机”，其优点为机械臂运动定位较准，丝杆上升匡量较低，打印机电机均采用伺服电机设计，伺服电机运动定位准确，可满足于高精度3D模型打印复制。
（采自网络）
图1 FDM熔融沉积式3D打印机工作原理
原始大小的文物3D打印复制工程其三维数据是十分关键的核心内容，其原始3D模型和点云数据的精度直接影响到最终模型打印效果。但是如果三维文物数据精度过高，也会在数据编码导入3D打印机后增加打印机定位运动时间，无形中必将增多打印生产工作周期。其次此次项目中所采用的3D打印机其最高精度为0.3毫米，所以如果文物三维模型精度过高，很多细节也是3D打印机无法表现出来的，甚至会造成模型细节打印失真。因而，我们一般所采用的文物三维模型的三角面片，以最长边边长为0.3-0.5毫米为最佳打印精度（图2）。
图2 在Geomagic中测量模型三角面片边长为
0.47毫米
第20窟主佛為高浮雕造像，佛像背面与石壁相连，去除背光后的第20窟佛头，其背后为割裂状，单独以这种方式去呈现佛头缺乏美感，需要在3D模型设计软件和数字雕刻软件中重新为佛头造出一个优雅美观的后脑部分。将原始数据导入3ds max，然后平行拉出一个多网格平面进行重新设计。在数字雕刻软件ZBrush中进行塑型修饰处理（图3），使佛头背面变得更加符合其自然的结构形态。
图3 在ZBrush中对模型进行塑型处理
第20窟佛头原始大小模型佛头高5000毫米，长2900毫米，宽3000毫米，三维模型体积较为庞大。而采用的最大3D打印机只能输出打印800毫米X 800毫米X 1000毫米的实体模块，所以需要对三维模型进行合理切块处理才能进行打印数据加工处理。使用Geomagic进行切块处理，必须要避开纹理丰富以及结构复杂的地方进行切割，避免在后期进行人工拼装时造成浮雕纹理丢失和损坏。去除佛头中心不需要的内圆心部分，在Geomagic中一共切割裁剪出82块模型体。
裁剪切割分块之后的模型需要在Magics中抽壳。抽壳是将模型单一的外壳由内加厚为壁厚2毫米的三维模型（图4）。壁厚2毫米既兼顾了拼装时的结构稳定，也考虑了打印效率，避免了结构过于松散和生产周期较长。
图4 在Magics中将三维模型壁厚抽壳至2毫米
单一的实体3D打印模块是不能用胶水、焊接等整体硬连接方式进行组装的，因此抽壳后的模块需要进行“打孔”工作，以模块的连接面为参考系，在Magics中设计为直径6.5毫米的穿透连接孔，且两个模型面的孔必须要對称，不能有丝毫误差存在。6.5毫米为钢结构螺丝的直径，模型连接面的6.5毫米口径是为了总装时穿透螺丝而设计。
三维模型数据经过原始尺寸放大、重新塑性细化、等比例切割分块、连接面对称打孔这四步处理后，检查模块结构无异，每一块模型通过Simplify3D进行切片运算处理，得出预演打印过程和打印时间（图5），就可以将产生的G-code代码文件传送至3D打印机进行“模型实体”打印工作。
每一块边长800毫米的立方体3D打印模块需要三至五天才能完成，若二十台大型3D打印机同时工作，需要二十二天才能完成模块的3D打印。每一块打印完成的模块需要进行人工修饰，常见的修饰方式有使用气动装置打磨顶状物、对略微变形的模型进行热风塑性、粘结工作。
图5 在Simplify3D中生成的模型打印预演窗口
当一部分模块修饰处理完成，即可进行部分拼装工作。由于打印时是按照切块图纸以层为单位进行打印生产的（图6），按照如上打印生产规律在长达二十二天的工作周期中，能够做到边生产边组装，既提高生产效率，也便于检查模型生产处理之后的贴合情况。拼装时使用电气螺丝工具将螺丝通过模型连接面的孔洞固定，每一螺丝直径6.5毫米，每一螺丝配有螺母方便紧固模型面。
图6 总装模型图纸和正在打印的模型
按照切割模块的图纸以层为工作面进行有计划的拼装，之后经过大量的接缝打磨和电热风加固让拼装后的模型更加坚固。PLA因其分子结构特点不具备抗氧化性，所以模型内部未来不需要上色的部分需要做抗氧化处理。在喷洒抗氧化剂之前，需要对模型表面进行清理，均匀地喷洒三氯甲烷进行表面处理，然后再对模型喷洒抗氧化剂。
全部82块3D打印模型，通过复杂的前期数据处理和3D打印模块生产以及后期的打磨修饰、人工喷砂上色，最终以整体的佛头文物形态展现在我们面前（图7）。方便近距离研究观察石窟外观结构。云冈石窟目前正通过这种方式将体量巨大、气势恢宏的洞窟进行复制和再造，让更多未曾踏足过古都大同的人去通过这种特殊的方式去欣赏、体会、触摸“近在咫尺的云冈石窟”。
参考文献
[1]聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提炼出的淀粉原料制成.
[2]笛卡尔坐标系（Cartesian coordinates，法语：les coordonnées cartésiennes）是直角坐标系和斜坐标系的统称.
