基于3D打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法

基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法
技术领域
1.本发明涉及石质文物复原技术，具体涉及一种基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法。


背景技术：

2.文物是人类文化的精华，是一个国家、一个民族文明的体现，是研究历史的实物资料，更是教育子孙后代的好教材。我国是文明古国，有着丰富的文物资源。在各类文物中，石质文物占有极大比重，比如历代的石窟寺、石雕艺术品、石碑、石质构建筑物遗址等。这些珍贵的历史文化遗产通常体量较大，多处于露天或者半露天环境，在漫长的历史岁月中长期遭受着风化作用的不利影响，再加上不同程度的人为破坏，普遍存在结构性失稳、表层酥粉、开裂破损以及生物侵蚀等病害。这些病害导致石质文物表层存在不同程度的破损，既影响美观，还会成为加速风化作用的不利因素。如何实现文物表层破损的精准复原是文物保护的关键，也是最为有效的措施。但这也是一个难点，复原材料的物理力学性质需要与原岩的物理力学性质近似和兼容，还要无色差，并且具有良好的耐候性和透气性，同时修复部位的几何外观与文物的整体外观需保持协调。
3.在石质文物保护领域，目前的保护工作主要集中在风化层的保护和裂隙修复等方面，保护和修复的加固材料按材料的主要成分可分为无机材料和有机材料。无机材料像石灰水、氢氧化钡、碱性硅酸盐以及高模数硅酸钾等自十九世纪以来就被尝试用来填充文化遗产浅表风化裂隙，从而期望达到防水和加固的目的。有机材料用于文化遗产的加固已有四十余年，主要有环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂等。上述研究成果在一定程度上实现了风化层保护和裂隙修复加固降渗的目的，但这些技术均存在一定的局限性。无机材料粘结力、兼容性等性能较差，主要用于裂隙修复方面；有机材料在风化层保护和裂隙修复方面均有应用，但其耐候性差，被紫外线照射后易变黄，稠度大，易堵塞水蒸气的流通，长期来说，保护效果存在副作用。此外，这两类材料无法用于石质文物表面破损的复原。
4.因此，针对石质文物表层破损，研发一种高保真复原技术，对于石质文物(例如云冈石窟)保护具有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法。本发明的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法可以实现石质文物破损部位在物理力学性质兼容性上、几何尺寸上以及表观颜色上的高保真复原；其使用生物氧化镁水泥-岩粉(砂)作为复原材料，符合石质文物对复原材料生态环保、高兼容性等要求，利用三维激光扫描技术和3d打印技术，为石质文物破损部分的三维几何信息的提取、修正以及复原模具的精准打印提供了技术保证，通过薄岩粉(砂)层的设置，为修复部位的表观颜色提供了保证。此外，本发明利用复原模具的双层结构和干冰的缓释作用，保证了复原材料的高利用率和高固化强度；通过蒸馏水冲洗步骤，可有效冲
洗固化后复原材料上残留的盐、有机物和其他可溶性物质，为修复部位的耐久性提供了保证。
6.本发明的技术方案：
7.基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法，该方法使用生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料复原石质文物的破损部位；所述生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料包括刀豆尿素混合溶液5-30份，活性氧化镁5-30份，岩粉(砂)5-30份；所述刀豆尿素混合溶液由尿素溶液和刀豆过滤液混合而成，所述刀豆过滤液的生物酶活性值为1-20μmol尿素/min，所述尿素溶液的浓度为1-10mol/l；所述岩粉(砂)由位于石质文物邻近山体的且与石质文物岩性相同的岩石磨成；
8.复原步骤具体如下：
9.s1，利用三维激光扫描仪对石质文物的破损部位以及周边区域进行扫描，获取三维坐标数据；基于分析破损部位与周边区域存在的几何协调性，修正得出破损部位发生破损前原有的三维几何尺寸信息；
10.s2，根据得到的三维几何尺寸信息，利用3d打印机打印出3d复原模具；所述复原模具透明且具有双层结构，内层结构与破损部位尺寸一致，外层结构的尺寸略大于破损部位周边的尺寸，使得复原模具可以被压附在石质文物破损部位的表面；所述复原模具的内层结构与外层结构围成一个封闭腔体；所述复原模具上预留有贯穿内、外层结构的复原材料灌入口；所述外层结构上设有液体干冰灌入口；所述内层结构上设有气态干冰渗透口；
11.s3，将复原模具的内侧喷水浸湿，并均匀地洒上一层薄薄的岩粉(砂)，使岩粉(砂)黏在复原模具的内侧；在复原模具内侧的水分未干燥和岩粉(砂)未掉落之前，将复原模具牢牢地压附在石质文物破损部位的表面；
12.s4，从复原材料灌入口注入配置好的生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料，直至完全填充满复原模具和石质文物破损部位之间的空间；然后利用振动器振动复原模具，保证注入的生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料填充均匀；
13.s5，养护3-7天以后，从液体干冰灌入口注入干冰，直至充满内、外层结构围成的封闭腔体，将液体干冰灌入口封闭；干冰在封闭腔体内升华变成气体后，从气态干冰渗透口进入复原材料区域，并作用1-3天；
14.s6，从复原材料灌入口低速注入蒸馏水，冲洗固化后复原材料上残留的盐、有机物和其他可溶性物质；
15.s7，拆除复原模具，用毛刷轻轻刷除表面松散的岩粉(砂)，复原完成。
16.与现有技术相比，本发明的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法使用生态环保和高兼容性的生物氧化镁水泥-岩粉(砂)作为复原材料，该复原材料由刀豆尿素混合溶液、活性氧化镁和岩粉(砂)按一定比例混合配置而成，具有物理力学性质与原岩的物理力学性质近似和兼容，无色差且具有良好的环保性、耐候性和透气性等特性，符合石质文物对复原材料的要求；该方法利用三维激光扫描技术对石质文物破损部分的三维几何信息进行提取、修正，利用3d打印技术打印复原模具，可以实现石质文物破损部位在几何尺寸上的高保真复原；复原时利用水分将岩粉(砂)粘附在复原模具表面，在生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料注入以后，能轻易地转变为粘附在复原材料表面，在复原材料固化以后，这些岩粉(砂)能牢牢的固定在复原材料上，这不仅有助于养护完成后的脱模，还能使
得复原体的表观颜色无限接近原岩的颜色；此外，复原模具透明，便于注浆过程的观察，其采用内、外两层结构，并在内层结构与外层结构之间设置有封闭腔体，在对石质文物破损部位进行复原的过程中，可以向封闭腔体内注入干冰，利用干冰的缓释作用提高复原材料中活性氧化镁的利用率和固化效果，通过生物固化和化学固化的联合作用，保证了复原材料的高固化强度，使得复原材料固化后的物理力学性质与原岩的物理力学性质无限接近，在后期的风化作用中具有更好的抗变形作用，降低了其产生风化裂隙的可能性；在复原材料固化后，通过缓慢注入蒸馏水，去除固化后复原材料上残留的盐、有机物和其他可溶性物质，可以尽可能降低这些可溶性物质带来的不利影响。
17.作为优化，前述的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法中，所述复原模具的外层结构与内层结构之间的距离可以为0.5-3.0cm。
18.作为优化，前述的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法中，所述复原模具采用树脂材料打印而成。本技术中，复原模具采用树脂材料打印，打印过程安全、打印速度快，而且模具的成型精度好，表面平滑度高。
19.作为优化，前述的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法中，所述复原模具的顶部预留有两个对称分布的复原材料灌入口。由此，使得复原材料可以均匀注入复原模具和石质文物破损部位之间的空间，进一步保证了复原材料填充均匀。进一步的，所述复原材料灌入口的直径可以为0.5-10cm。
20.作为优化，前述的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法中，所述液体干冰灌入口的直径可以为0.5-3cm，所述气态干冰渗透口的直径可以为0.1-0.5cm。所述气态干冰渗透口处设置有过滤材料，用于防止复原材料或者岩粉(砂)进入内、外层结构围成的封闭腔体内。所述过滤材料可以为海绵。
21.作为优化，前述的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法中，所述几何协调性包括曲面的连续性、与相邻部位的对称性以及特征的完整性。
22.作为优化，前述的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法中，所述生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料的制备过程如下，首先将刀豆烘干并磨成粉，筛选粒径小于0.075mm的刀豆粉，按照固液比1：10-50将刀豆粉溶于去离子水中，充分搅拌后静置1h，得到刀豆过滤液；然后将刀豆过滤液与尿素溶液按照体积比1：0.5-3混合，并充分搅拌后静置0.1-2h，得到刀豆尿素混合溶液；最后将5-30份刀豆尿素混合溶液，5-30份活性氧化镁和5-30份岩粉(砂)均匀混合，得到生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料。
附图说明
23.图1是本技术的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法的流程图。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的说明，但并不作为对本技术限制的依据。
25.参见图1，本技术的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法使用生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料复原石质文物的破损部位；所述生物氧化镁水泥-岩粉
(砂)复原材料包括刀豆尿素混合溶液5-30份，活性氧化镁5-30份，岩粉(砂)5-30份；所述刀豆尿素混合溶液由尿素溶液和刀豆过滤液混合而成，所述刀豆过滤液的生物酶活性值为1-20μmol尿素/min，所述尿素溶液的浓度为1-10mol/l；所述岩粉(砂)由位于石质文物邻近山体的且与石质文物岩性相同的岩石磨成；(刀豆过滤液可以由脲酶溶液、脲酶菌溶液、大豆脲酶溶液等代替)
26.复原步骤具体如下：
27.s1，利用三维激光扫描仪对石质文物的破损部位以及周边区域进行扫描，获取三维坐标数据；基于分析破损部位与周边区域存在的几何协调性，修正得出破损部位发生破损前原有的三维几何尺寸信息；
28.s2，根据得到的三维几何尺寸信息，利用3d打印机打印出3d复原模具；所述复原模具具有双层结构，内层结构与破损部位尺寸一致，外层结构的尺寸略大于破损部位周边的尺寸，使得复原模具可以被压附在石质文物破损部位的表面(内、外层结构的厚度以保证其具有足够的刚度为宜)；所述复原模具内层结构与外层结构围成一个封闭腔体；所述复原模具上预留有贯穿内、外层结构的复原材料灌入口；所述外层结构上设有液体干冰灌入口；所述内层结构上设有气态干冰渗透口；(复原材料灌入口、液体干冰灌入口和气态干冰渗透口的直径可以根据实际复原面积的大小进行设计)
29.s3，将复原模具的内侧喷水浸湿，并均匀地洒上一层薄薄的岩粉(砂)，使岩粉(砂)黏在复原模具的内侧；在复原模具内侧的水分未干燥和岩粉(砂)未掉落之前，将复原模具牢牢地压附在石质文物破损部位的表面；
30.s4，从复原材料灌入口注入配置好的生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料，直至完全填充满复原模具和石质文物破损部位之间的空间；然后利用振动器振动复原模具，保证注入的生物氧化镁水泥-岩粉(砂)复原材料填充均匀；
31.s5，养护3-7天以后，从液体干冰灌入口注入干冰，直至充满内、外层结构围成的封闭腔体，将液体干冰灌入口封闭；干冰在封闭腔体内升华变成气体后，从气态干冰渗透口进入复原材料区域，并作用1-3天；(干冰可由二氧化碳气体代替)
32.s6，从复原材料灌入口低速注入蒸馏水，冲洗固化后复原材料上残留的盐、有机物和其他可溶性物质；
33.s7，拆除复原模具，用毛刷轻轻刷除表面松散的岩粉(砂)，复原完成。
34.实施案例：
35.本案例为采用上述的本技术的基于3d打印的石质文物破损部位的生物高保真复原方法，对龙门石窟的破损部位进行修复。
36.其中，复原材料的制备过程如下，首先将刀豆烘干并磨成粉，筛选粒径小于0.075mm的刀豆粉，按照固液比1：30将刀豆粉溶于去离子水中，充分搅拌后静置1h，得到刀豆过滤液；随后，将刀豆过滤液与浓度为5mol/l的尿素溶液按照体积比1：2混合，并充分搅拌后静置1h，得到刀豆尿素混合溶液；然后，从龙门石窟邻近山体获取同样岩性的石灰岩块体并磨成粉，筛选粒径小于0.075mm的石灰岩粉；最后将15份刀豆尿素混合溶液，15份活性氧化镁和15份石灰岩粉均匀混合，得到生物氧化镁水泥-石灰岩粉复原材料。
37.复原步骤如下，
38.s1，利用三维激光扫描仪对龙门石窟的破损部位以及周边区域进行扫描，获取三
维坐标数据；基于分析破损部位与周边区域存在的几何协调性(包括曲面的连续性、与相邻部位的对称性、特征的完整性)，以及专家建议，修正得出破损部位发生破损前原有的三维几何尺寸信息；
39.s2，根据得到的三维几何尺寸信息，利用3d打印机和树脂材料打印出透明的3d复原模具；所述复原模具具有双层结构，内层结构与破损部位尺寸一致，外层结构的尺寸略大于破损部位周边的尺寸；所述内层结构与外层结构围成一个封闭腔体，外层结构与内层结构之间的距离为2.0cm；所述复原模具顶部预留有两个对称分布的贯穿内、外层结构的复原材料灌入口；所述外层结构上设有液体干冰灌入口；所述内层结构上设有气态干冰渗透口；所述复原材料灌入口的直径为5cm，所述液体干冰灌入口的直径为2cm，所述气态干冰渗透口的直径为0.3cm；所述气态干冰渗透口处设置有海绵；
40.s3，将复原模具的内侧喷水浸湿，并均匀地洒上一层薄薄的石灰岩粉，使石灰岩粉黏在复原模具的内侧；在复原模具内侧的水分未干燥和石灰岩粉未掉落之前，将复原模具牢牢地压附在龙门石窟破损部位的表面；
41.s4，从复原材料灌入口注入配置好的生物氧化镁水泥-石灰岩粉复原材料，直至完全填充满复原模具和龙门石窟破损部位之间的空间；然后利用振动器振动复原模具，保证注入的生物氧化镁水泥-石灰岩粉复原材料填充均匀；
42.s5，养护5天以后，从液体干冰灌入口注入干冰，直至充满内、外层结构围成的封闭腔体，将液体干冰灌入口封闭；干冰在封闭腔体内升华变成气体，从气态干冰渗透口进入复原材料区域并作用2天；
43.s6，从复原材料灌入口低速注入蒸馏水，冲洗固化后复原材料上残留的盐、有机物和其他可溶性物质；
44.s7，拆除复原模具，用毛刷轻轻刷除表面松散的石灰岩粉，复原完成。
45.龙门石窟的破损部位按照上述步骤修复完成后，修复部位颜色与其他部位颜色高度一致、几何形态高度协调一致、物理力学性质优异且与相邻部位的兼容性好。此外，修复部位还具有一定的透气性，以及耐候性好等特性。
46.上述对本技术中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本技术的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本技术保护范围之内的其它的技术方案。