3D打印技術在龍門石窟金剛經洞修復中的應用

馬朝龍,衛婉英,劉 軼

(龍門石窟研究院,河南洛陽 471000)

0 引 言

龍門石窟開鑿在中寒武紀石灰巖巖層上,距今已有1500余年歷史,石窟區巖體構造裂隙、層面裂隙、卸荷裂隙相互交切,引起洞窟和雕刻品崩塌。龍門石窟絕大部分洞窟窟頂、立壁、窟門、龕檐及雕刻品等都受到不同程度裂隙切割,導致部分圍巖立壁及雕刻品出現滑動、崩塌及掉塊現象[1]。其中洞窟崩塌(即后文“洞窟坍塌”)不僅會造成文物信息缺失,同時也誘發或加劇洞窟內滲漏水、水銹結殼、微生物病害等情況的發生、發展,縮短文物壽命(圖1)。

圖1 龍門石窟部分坍塌洞窟現狀Fig.1 Current situations of some collapsed caves in Longmen Grottoes

針對缺損部位較小的坍塌洞窟,龍門石窟的傳統修復工藝是以天然石灰巖[2]、玻璃纖維和環氧樹脂為主要材料進行修復(圖2),均取得良好防護效果。針對缺損部位較大的坍塌洞窟,如采用天然石灰巖為修復材料,會導致其下部巖體荷載重。此外,缺損處巖體往往參差不齊,若采用天然石灰巖修復,則需要經過反復切割打磨才能滿足要求,如采用玻璃纖維為主要材料進行修復,同樣需要反復調整尺寸、形狀,工藝耗時長。

圖2 傳統工藝修復后效果Fig.2 Effects after restoration using traditional methods

3D打印技術具有采集數據信息無需接觸文物、設計自由度高、復雜結構高精度制造[3]、節省時間[4]等特點。此外,3D打印輸出的同時也將文物原始信息進行高精度數字化記錄與儲存[5],可為日后研究工作提供準確的數據。因此,該技術受到文物工作者的強烈關注,在文物保護工作中的應用也已取得一定成果。

2017年,高秀芬[6]采用3D打印技術將尋甸彝族民族服飾裝飾品、少數民族器物等非遺器物進行了數字建模及3D打印,在保護非遺器物的同時實現了文化傳承。2021年,張鵬宇[7]成功將3D打印技術融入到金屬文物復制工藝中,成功仿制出中國國家博物館藏鎏金銅觀音造像和戰國雙獸首三輪盤,有效提升了傳統文物復制的效率,同時克服不適宜采用傳統翻模鑄造工藝進行復制的難題。2021年,張珮琛[8]將可拆卸式補配與3D打印相結合,在補配殘缺青銅器的同時,保留具有研究價值的“改制”痕跡,實現了最小干預和展陳效果之間的平衡,使文物修復工作更安全、精準、有效。

目前,3D打印在石窟寺坍塌洞窟修復工作中的應用鮮有報道,本工作以龍門石窟金剛經洞修復為例,探究3D打印技術在缺損面積較大的坍塌洞窟修復工作中的適用性,以期改善文物保存環境,實現對窟龕的預防性保護,同時避免傳統工藝荷載重、工藝復雜耗時長等問題。

1 金剛經洞現狀

1.1 金剛經洞基本情況

龍門石窟429窟又名“金剛經洞”(圖3),鑿于唐龍朔三年(公元663年),位于龍門石窟敬善寺與摩崖三佛之間的崖壁上。洞窟平面呈方形,平頂,現為敞口。洞窟高140 cm,寬117 cm,進深156 cm,前壁殘存面厚32 cm,窟頂為糙面無雕刻。

圖3 金剛經洞全景Fig.3 Panorama of the Vajra Sutra Cave

正壁雕一身優填王像,高120 cm,坐高95 cm,肩寬30 cm,頭殘高23 cm,胸部局部殘,施說法印,倚坐于方臺上,足踏束腰仰覆圓蓮臺,臺高26 cm。左、右壁均刻滿佛經經文,系龍朔三年(公元663年)佛弟子常才合家造優填王像并金剛經記,《金剛經》為鳩摩羅什譯本。

1.2 金剛經洞病害及成因分析

1.2.1金剛經洞病害 金剛經洞的主要病害為缺失、裂隙滲漏水,以及滲水區域伴生的水銹結殼、微生物病害、泛鹽等情況(圖4)。

圖4 金剛經洞病害圖Fig.4 Disease maps of the Vajra Sutra Cave

1) 缺失。左壁前部殘缺,現左壁殘深77 cm,最窄處62 cm,殘面呈不規則狀,導致左壁上的經文大部分缺失。正壁主佛頭頸部缺失。右壁3處經文缺失,缺失面積分別為108 cm2、240 cm2、58 cm2。頂壁前部缺失,大致呈三角狀缺失,最深處達94 cm,邊長達140 cm,缺失邊緣呈不規則的斜線狀。

2) 裂隙及裂隙滲水。左壁有2條卸荷裂隙自上而下延伸至窟底,分別長120 cm(西側)和150 cm(東側)。正壁有1條長120 cm的卸荷裂隙橫向貫穿正壁,沿裂隙有滲漏水痕跡。右壁共4條裂隙,其中3條卸荷裂隙、1條構造裂隙。卸荷裂隙分別長74 cm、104 cm、90 cm,與長145 cm的構造裂隙相交切,裂隙致使雕刻品缺失、掉塊?？唔斊旅嫔嫌性S多條縱橫交錯的裂隙,導致頂部巖體破碎。

3) 水銹結殼。左壁和正壁大面積水銹結殼,面積11 540 cm2。正壁優填王像左側壁面尤為嚴重,結殼厚度達1.5 cm。頂壁前部水銹結殼普遍,面積6 084 cm2。

4) 微生物病害。正壁優填王像左側及腹部以上壁面和左壁水銹結殼區域均有黑綠色微生物伴生。右壁東側有綠色微生物,面積約7 000 cm2。

5) 泛鹽。右壁西側上部區域有白色泛鹽,面積約7 644 cm2。

1.2.2金剛經洞病害成因分析 依據現場調查結果,金剛經洞病害形成的主要原因有以下兩點:

1) 洞窟內及所依附崖體裂隙縱橫交切是造成缺失的主要原因;

2) 導致此窟滲漏水、水銹結殼、微生物病害、泛鹽等病害發育的主要原因有三方面:一是頂壁前部坍塌,雨水沿頂壁回流至窟內;二是窟內一條卸荷裂隙貫穿左、正、右三壁,總長314 cm(左壁長120 cm、正壁長120 cm、右壁長74 cm),沿此裂隙滲漏水嚴重;三是洞窟左壁及頂部缺失面積較大,且敞口等因素,使此窟缺少相對穩定的保存環境。

1.3 坍塌洞窟修復方案制定

結合上文分析可知,金剛經洞頂壁及左壁局部缺失是窟內病害發育的主要誘因之一。因此,本次3D打印項目針對性解決最急迫的兩個問題:一是金剛經洞頂壁缺失導致的雨水回流;二是頂壁及左壁部分缺失導致窟內文物保存環境不穩定。洞窟內裂隙滲漏水、水銹結殼、微生物病害及泛鹽等情況,將在后續保護工作中解決。

本工作采用當前業界最先進的技術,對石窟本體開展三維數字化掃描獲取精準的修復截面空間接口數據;通過計算機仿真技術,對窟龕內部進行光場、溫度場仿真;應用3D打印技術實施對修復部件復雜截面和空間結構的成型;應用具備抗老化、防水、防腐、防日曬的輕型材料。通過這些新型科學技術措施,對坍塌洞窟最有必要部分進行修復,減緩窟內病害發育。

2 金剛經洞修復工藝及結果

2.1 主要設備與工具

1) iReal 2E彩色三維掃描儀。iReal 2E手持式彩色三維掃描儀擁有超大景深和掃描面幅,采用紅色VCSEL結構光,實現對文物無接觸掃描,快速獲取文物表面的色彩紋理和幾何形狀信息,最大掃描幅面850 mm×800 mm,景深750 mm,數據采集速度高達1 500 000點/s,掃描高效流暢。通過該設備實現對崖體殘壁三維掃描,獲取精確的崖體三維模型。

2) HT-600S 3D打印機。HT-600S 3D打印機是一款SLA(立體光固化)成型打印機,采用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由點到線,由線到面順序凝固,完成一個層面的打印作業,然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度,再固化另一個層面,這樣層層疊加構成一個三維實體模型。這種方法能簡捷、全自動地制造出表面質量和尺寸精度較高、幾何形狀較復雜的三維實體造型,實現防護性窟檐的3D打印成型,成型范圍:600 mm(長)×600 mm(寬)×400 mm(高),分層厚度:0.05～0.12 mm。采用該設備實現對保護性窟檐的高精度3D打印,實現保護性窟檐的精確實體造型。

3) SC-80C全自動色差計。SC-80C全自動色差計的工作原理是將標準光源照射到物體表面,傳感器接收到反射光信息后傳到微計算機中進行計算分析,同時按色空間標準顯示出數字顏色數據。傳感器的光譜特性完全符合CIE標準觀查者響應曲線,儀器在操作過程中能夠自動對數據進行采集和處理,用戶可以修改標準白板的數據和色差目標數值。通過該設備實現對繪制色彩與標準色彩的定量比對分析,以保證保護性窟檐色彩還原的準確性。

2.2 工藝流程

本項目包括對窟龕崖體的高精度三維數字化數據采集、修復部件3D設計、窟龕仿真設計(光場、溫度場仿真)、修復部件的3D打印、修復模塊加強處理、質感及上色處理、修復部件現場施工安裝等程序,工藝流程圖見圖5。

圖5 金剛經洞修復工藝流程Fig.5 Restoration process for the Vajra Sutra Cave

2.3 窟龕崖體的高精度三維數字化數據采集

采用iReal 2E對窟龕崖體進行高精度數據采集,對準精度高達0.300 mm/m,高精度表現洞窟各類細節,保障后續打印修復部件與崖體的吻合度。拍攝時盡量讓相機與采集對象距離相近,保證紋理映射時面積相近的三角面片對應的紋理區域里像素數量相近,減輕紋理走樣。三維數字化數據采集完成后,通過VisualSFM軟件進行點云處理,合成洞窟的高精度空間模型。

2.4 修復部件的3D設計

修復部件設計是一個迭代過程,在滿足保護需求的同時,遵從可逆性原則[9],方便未來實施更有效保護方案,兼顧藝術風格與窟龕自身的和諧匹配,對造型方式、色彩進行還原,保障修復部件與窟龕及周圍環境協調一致。修復部件設計步驟見圖6。

圖6 修復部件設計步驟Fig.6 Designing steps for restored parts

2.4.1崖體斷面和修復部件的3D建模 崖體斷面3D數據模型通過高精度3D掃描方式獲取,修復部件3D模型通過手工建模方式建立,在Geomagic軟件中將兩個模型進行有機組合(圖7),形成可以進行3D打印的文件。修復部件的3D模型造型,根據光場、溫度場的計算機仿真結果進行優化調整。

圖7 修復部件3D模型與崖體3D模型組合Fig.7 Combination of the 3D models of restored parts and the cliff body

修復部位建模時要兼顧石窟保護和景觀需求的協調統一。修復部件應該盡可能簡單、樸素,不能喧賓奪主。修復部件要保證兩個方面的和諧:一是要保持與石窟自身的和諧,盡量減少對石窟原有形象特征的影響;二是保持與石窟周邊景觀環境的和諧,要尊重石窟歷史形成的人文環境和景觀風貌。

2.4.2窟龕內的光場、溫度場仿真設計 光場、溫度場仿真設計目標是:根據修復前后,窟龕內部光場、溫度場仿真結果,對修復部件模型進行優化調整,使光照、溫度指標達到最優效果,使得修復部件在安裝后,對窟內微環境起到積極的調控作用,對窟龕內雕刻品真正起到有效的保護作用。

1) 基于窟龕光環境的光場仿真。陽光中紫外線的輻射及對溫度變化的影響,會加速石窟雕刻品的光化學反應,加快雕刻品的風化速度。根據窟龕的實際大小,采用Atuodesk Ecotect Analysis軟件進行窟龕修復前和修復后的日照區域仿真,增加修復部件后,日光直接輻射區域明顯變小(圖8),反復對比分析,驗證修復后窟檐遮擋日照輻射的效果,日光直射范圍明顯縮小,窟內接收的日光輻射強度降低到日光直射的50%～56%,有效降低窟龕內日照時數,減少太陽輻射對雕刻品的侵害。

圖8 光場仿真Fig.8 Light field simulation design

2) 窟龕內熱環境的溫度場仿真。通過Atuodesk Ecotect Analysis軟件,繪制修復前和修復后洞窟溫度分布圖,根據模擬結果計算出兩種情況下窟內的最高平均溫度降低8℃,最低平均溫度降低5℃,對比溫度場分布的均勻程度,窟內溫度分布差值由6.6℃降低到1.9℃,使修復后窟內溫度分布更為均勻,維持洞窟內部熱環境穩定(圖9)。

圖9 溫度場仿真Fig.9 Temperature field simulation design

2.5 修復部件的打印預處理和3D打印

使用三維軟件對三維點云模型進行表面重建得到三角網格模型,并根據3D打印機工作臺尺寸和行程,避讓文物本體敏感部位,進行3D數據分割,并對3D打印數據進行編程。然后利用模型分塊數據,對3D打印機進行數據配置,對模型進行分塊打印輸出。

打印輸出精度為0.05 mm,打印材料為密度小于石灰巖的光敏樹脂(光敏樹脂材料密度為1.10 g/cm3,石灰巖的密度為2.66 g/cm3左右),打印部件為空心結構。與傳統修復工藝相比,輕型的打印材料和空心結構大大降低石窟寺本體荷載。

2.6 修復模塊的加強處理

3D打印后處理過程,直接影響裝配效果,以及機械強度和模塊的可靠性,是一個非常重要的過程,后處理包括模塊背面螺栓鎖定、模塊背面加強(彈性體噴涂、玄武巖纖維與玻璃纖維加強)(圖10～圖11)、模塊正面接縫處理、模塊正面加強層噴涂等工藝過程。

圖10 模塊背面加強層噴涂Fig.10 Spraying of the reinforcing layer on the module back

圖11 模塊背面玄武巖與玻璃纖維加強處理效果Fig.11 Uses of basalt and glass fibers to strengthen the module back

其中,模塊背面加強噴涂采用S8801材料,該材料物理性能優異,具有極高的機械強度、抗拉強度、耐老化性能,在老化實驗后主要性能保持率都大于90%,使用壽命可達20年。同時具備防水、防腐蝕、防紫外線等能力,可以保證修復部件的長期可靠性(S8801性能見表1、表2)。模塊背面加強噴涂后用玄武巖纖維與玻璃纖維(玄武巖纖維與玻璃纖維質量比為1∶2、摻量為1.2%)進行加強處理,此時抗折強度可達3.0 MPa,抗壓強度可達4.15 MPa(圖12),有效增強修復部件的物理性能。

表1 S8801的物理性能Table 1 Physical properties of S8801

表2 S8801老化前后性能對比表Table 2 Performance comparison of S8801 before and after aging

圖12 不同質量比玄武巖纖維與玻璃纖維強化后的抗折強度(左)和抗壓強度(右)Fig.12 Flexural strength (left) and compressive strength (right) after reinforcement using basalt and glass fibers

2.7 質感上色處理

為保證修復部件與周圍環境協調,質感層噴涂后使用無機硅質顏料對修復部件進行上色處理。顏色的繪制效果,采用SC-80C全自動色差計進行測定對比,上色后效果見圖13。

圖13 上色后效果圖Fig.13 Effect of coloring on restored parts

2.8 修復部件現場施工安裝

現場施工依據對文物本體最小干預的原則,同時借鑒修復龍門石窟683窟、1089窟等窟龕的修復經驗,制定詳細的現場修復工藝,主要包括清掃、固定、裂隙封縫、布設注漿管、灌漿加固、做舊等操作過程。

1) 清掃。對崖體缺失面用軟毛刷進行清掃,確保不因殘留泥土等雜質而影響粘接加固效果。

2) 固定。根據現場效果,對修復部件形狀進行微調后(圖14),將修復部件固定至崖壁上(圖15)。

圖14 修復部件形狀微調Fig.14 Fine adjustment of restored parts

圖15 修復部件安裝Fig.15 Installation of restored parts

3) 裂隙封縫。修復部件固定完成后,對修復部件和巖體間裂隙采用環氧樹脂膠泥進行封縫(圖16),確保封縫面略低于裂隙平面。

圖16 裂隙封縫Fig.16 Grouting of cracks

4) 布設注漿管、灌漿加固。根據現場情況確定布設注漿管的位置及型號(本工作裂隙細微,因此采用注射器針頭為注漿管),采用重力注漿方式沿裂隙自下而上注漿(圖17),灌漿主要材料為環氧樹脂,備好肥皂等臨時性膠結封堵材料,防止漏漿。

圖17 布設注漿管、注漿Fig.17 Layout of grouting pipes and grouting of cracks

5) 做舊。灌漿完成后,待環氧樹脂完全固化,剔除注漿管,對修復區域進行做舊處理,效果見圖18。

圖18 金剛經洞修復前(a)后(b)對比Fig.18 Comparison of the Vajra Sutra Cave before (a) and after (b) restoration

3 結 論

龍門石窟金剛經洞修復工作成功將3D打印技術應用到坍塌洞窟修復工作中。這是石窟寺坍塌洞窟修復工作的一種全新的嘗試,為石窟寺保護工作提供了新思路。

1) 金剛經洞頂壁及左壁局部缺失是窟內病害發育主要誘因之一,對缺失部位進行修復,可抑制洞窟內水害及滲水區域伴生的水銹結殼、微生物病害、泛鹽等情況的發育速度,為這些病害治理工作提供更充足的時間。

2) 通過對修復部件進行光場、溫度場仿真設計,使洞窟內接收的日光輻射強度降低到日光直射的50%～56%;洞窟內最高和最低平均溫度分別降低8℃和5℃,窟內溫度分布差值由6.6℃降低到1.9℃,大大改善文物保存環境。

3) 采用老化后性能保持>90%的S8801材料涂覆修復部件,使其具備防水、防腐蝕、防紫外線等能力;采用玄武巖纖維和玻璃纖維增強修復部件物理性能,修復部件抗折、抗壓強度分別達3.0 MPa、4.15 MPa,保證修復部件的使用壽命>20年。

但是在實際應用中也發現有以下幾點需要繼續優化改進,這是我們下一步工作的方向。

1) 嘗試使用不同材料制作修復部件,以期尋找在收縮性、耐老化性等方面與天然巖體最為接近的修復材料。

2) 改進制作工藝,調整修復部件外部細節凹凸度,使其外觀與周圍環境協調一致。