3D Systems：让遗失的瑰宝重现于世，3D打印如何应用在文物修复

近日，巴黎圣母院的烧毁揪动了全球人民的心，无关于国界，每一件具有历史意义文化遗产的损毁和消失都是让世界悲痛的损失，也让无缘再看到的人们深深抱憾。

有幸随着各项科学技术的不断发展，越来越多的文物可以重现于世，多年来，3D Systems一直致力于帮助专家们利用全新的3D打印技术复原这些世界文化遗产，让人们可以有计划再一睹这些历史宝藏当年之风采。

案例1：3D打印修复英国邱园宝塔,3D Systems助力文化遗产再现于世

3D Systems的ODM服务中心专家利用从扫描到CAD的工作流和SLS 3D打印技术帮助修复联合国教科文组织(UNESCO)世界文化遗产

挑战：

为联合国教科文组织失踪200年的文化遗产复原全套龙雕

解决方案：

3D Systems的ODM服务中心通过从扫描到工作流的Geomagic(杰魔)软件，SLS选择性激光烧结技术和高品质的后处理成功交付72条轻巧耐用的龙雕

成果：

•轻巧的设计和结构缓解超载老化结构

•数字化工作流与SLS 3D打印技术免去为龙雕开模的成本和延误

•龙雕的内部设计使安装便捷，不存在明显施工痕迹

•成品完全满足客户的审美需求与建筑的构造技术要求

众所周知，查尔斯王子非常喜欢园艺，日前他拜访了伦敦的英国皇家植物园(Kew Gardens)，并参观了通过3D打印技术结合扫描流程进行修复的宝塔，与此同时，查尔斯王子也收到了HRP赠送的由3D Systems打印的龙雕复制品。

【查尔斯王子与宝塔合影】

【查尔斯王子参观3D打印修复的宝塔】

英国的历史皇家宫殿(HRP)管理机构计划修复位于伦敦皇家植物园邱园内的宝塔（The Great Pagoda），但是他们面临诸多挑战。原始建筑中的几个关键设计元素已经失落在历史的长河中，而且快速修复也涉及到成本、物流和设计方面的种种挑战。

3D Systems的ODM按需制造团队使用从扫描到CAD的工作流，同时结合SLS打印技术，为HRP的修缮工作交付耐用和可复制的成品。这是一个繁杂的过程，ODM团队花费了许多时间进行前端工程和后端整理工作，为HRP提供高质量的全面服务设计和制造专业知识。

宝塔的前世今生

虽然大家对英国乔治三世国王的看法不一，但是他在位59年的影响是不可否认的。关于他的电影和研究非常多，他遗留的财富也遍布他统治的土地。特别是在英国皇家植物园。

植物园是联合国教科文组织的世界文化遗产，也是宝塔的所在地，这是是一座163英尺高的建筑，建筑风格华丽，充满中国艺术风情。

作为乔治三世的导师和御用建筑师，钱伯斯最重要的设计作品之一，就是邱园宝塔。宝塔建于1761-1762年，为砖木结构，高50米，平面呈八角形，共10层。

宝塔建成以后，因其异国情调和引人入胜的细节，游客络绎不绝。宝塔上每一层对应的8个角上各有一条龙雕，共80条，吸引了众多眼球。

【钱伯斯手绘设计稿中的龙形脊饰】

为龙雕精心策划

当HRP开始探究方法来修复龙雕的时候，面临了一些困境：木质的龙雕还是会遇到跟之前的龙雕一样的使用寿命问题，而且这座宝塔已经2000年没有承受过龙雕的重量了。

HRP的项目总监克雷格•哈托表示：“这个项目最大的挑战就是需要尽量减少这么多龙雕对宝塔的伤害。”担心老化的宝塔结构可能无力承担突如其来的80条龙的重量，HRP希望需求一种更轻质的龙雕来确保不发生任何事故。实际还需要考虑的有传统材料和工艺相关的同样有效的时间和成本问题。“

HRP正在寻找一种修复方案，可以解决项目中的质量、重量、时间和成本问题。HRP需要全方位的服务供应商，3D Systems满足这个项目所需的专业知识、技术、质量和可扩展性等要求。

设计龙雕的造型

龙雕在两组专业设计师的手下重新焕发光彩，龙雕的外观是根据仅存的历史信息重塑的。设计完成后，用木头雕刻龙的原型，接下来由3D Systems的第二个设计和工程团队进行数字化制造流程。另外七条木雕龙被装饰在宝塔的第一层，剩下72条使用SLS技术进行打印。

【作为逆向工程工作流程的一部分，对雕刻的木龙进行了3D扫描】

利用逆向工程工作流和FARO的扫描臂对木龙进行扫描， 3D Systems的设计专家将扫描数据导入到Geomagic Design X软件，整合中空结构来控制层厚，这个过程让3D Systems可以解决HRP始终关切的龙雕的重量问题，还能在过程中保持外部细节和结构完整性。

大师手工雕刻的外形非常复杂，中空的结构异常复杂，传统制造很难实现，需采用增材制造技术。3D Systems使用数字化工作流，能无缝缩放龙雕的模型，以实现大宝塔二层至十层的不同尺寸需求。总共准备了18个设计图，包括9对不同大小、左右对称的龙雕。

3D Systems工程师直接在CAD文件中添加引人入胜的细节，将各种特征融入龙雕的设计中。这些设计是龙雕结构设计的一部分，由3D Systems ODM团队与此项目另一工程团队Hockley & Dawson密切合作完成。由于加固安装的机械要求，18条龙雕都需要有所不同的个性化设计。

【3D Systems ODM英国事业部的总经理Nick Lewis手捧3D打印龙雕】

3D Systems ODM英国事业部的总经理Nick Lewis表示：“最终得到的成品是原始龙雕的完美复制版，但是观赏者无法看到的地方我们已经对龙雕做了提升。我们为安全安装设计了内部元件，但设计的方法是将其完全隐藏起来，这样就看不到螺母、螺栓或施工痕迹。“

增材制造的独特优势

【SLS 3D打印解决了HRP担心的质量、重量、时间和成本问题】

3D Systems ODM团队充分利用增材制造的设计优势，整合了一系列的螺丝、螺纹和覆盖物，这些都沿着龙的脊椎形状精确设计。“我们最终采用的结构是利用增材制造的独特优势而制成，这对我们来说是常用做法，但是对于刚接触的客户来说，这个方法真的很惊奇。这些特别的因素结合起来，让龙雕重现于世变得很奇妙，对于我们来说，这是我们整合资源来更有效解决问题的方法，这也是增材制造技术的一大优势。”

经过三维扫描和设计，打印出早期原型进行分析和测试，以确保最终设计符合现代建筑的严格要求。

在整个过程中，3D Systems致力于在满足客户审美需求的同时，满足建筑商的所有技术要求。3D Systems的工程师在决定如何更好打印SLS模型及定位、隐藏各种安装所需的封口和盖帽时，就会充分考虑这些需求。

用于历史修复的3D打印

【龙雕最终尺寸都在1.2~2米之间】

3D Systems在英国和荷兰的ODM团队使用SLS选择性激光烧结技术打印这些龙雕。龙雕的尺寸很大，最终尺寸都在1.2~2米之间。3D Systems的sPro 230设备用于此次打印任务。其最大成型尺寸为550 mm x 550 mm x 750 mm，得益于较大的成型尺寸，使龙雕的装配组件更少。

【3D打印完成的龙，由3D Systems位于海威科姆的后处理部门对龙雕进行了后处理和最后的手工绘制】

【新的龙雕由3D Systems海威科姆后处理部门完成手工绘制】

龙雕使用DuraForm PA材料打印，这是一种耐用的尼龙12材料，生成的外观和感觉和龙雕原型类似。DuraForm PA的分辨率和力学性能使其极适合用于制作薄壁件或需要快速卡和的部件。在这次的案例中，这些特性既匹配安装所需的功能性需求，也符合历史文物的外观需求。打印完成后，3D Systems的海威科姆后处理部门对龙雕进行了后处理和最后的手工绘制，他们还绘制了雕刻的木龙，这样可以确保所有龙雕的风格一致。

Lewis提到：“3D Systems非常荣幸能入选这个项目，可以有机会来复原一个文化历史坐标。我们在3D打印积累的经验和知识非常丰富，我们能够在修复的多个阶段提供指导，从工程设计、生产到整个完成。“

重新开放

在孤独伫立了200年后，宝塔最终将以最原始的面貌再次出现在公众眼前。

Hatto说到：”在过去的几十年里，许多人尝试修复龙雕，但是都失败了，现在通过3D打印技术才让龙雕重新面世。专家小组开发了一个创新的、轻量级和持久的解决方案，最终使我们得以将这些丢失的文物归还给这座珍贵的皇家建筑。龙雕将会在这个世界文化遗产中拥有他原本的位置，并在未来成为伦敦文化的一部分。“

无论您是在寻求逆向工程、小批量制造服务、快速3D打印部件、原型还是外观模型，3D Systems的ODM团队将为您提供合适您的服务。

钱伯斯手绘设计稿中的龙形脊饰图来源：Culture24，网址：(暂不可见).uk/history-and-heritage/historic-buildings/art527937-multicoloured-chinese-dragons-to-return-to-kews-great-pagoda-in-major-restoration

案例2：复原古文明遗迹，3D Systems全彩打印机助力重建阿富汗巴米扬大佛

在阿富汗中部被山岩绝壁环绕的巴米扬山谷，两个庞大的壁龛从石窟里遥遥互对着。他们曾经是巴米扬大佛的家：两尊巨大的佛像由石头雕刻而成，用灰泥粉饰。大一点的佛像53米高，小一点的佛像35米高。他们是古印度王国犍陀罗艺术的典范，雕像分别造于公元554年和公元507年，是世界古文明之一的体现，曾是世上最大的石雕站立佛像。

【壁龛中较为小型的一个】

但是在2001年3月12日，炸药摧毁了这座有1500年古文明的雕像，掠夺了一个饱受战乱之苦的国家，他们独特的希腊式佛教艺术的重要符号和文化标志被摧毁。

一个包含修补者、建筑师和工程师的团队欲重建巴米扬大佛，希望为阿富汗人民还原她的象征符号，3D Systems公司也参与其中。

【ICOMOS修复团队】

负责重塑的团队使用3D Systems的Geomagic Studio® 扫描软件和ProJet® 系列的CJP全彩色3D打印机来为这个重大任务做准备。在2009年，他们开始计划巴米扬大佛的重建，大佛及其周边的地区在2003年并列入世界文化遗产。这个项目由一些国家和组织出资，由联合国教科文组织和国际古迹遗址理事会领导。

【更小的壁龛的右墙】

对于参与重建任务的其中一位工程师英格•塞坎德•欧佐德-萨拉杰，这是一个充满激情的项目。作为阿富汗出生的，国际古迹遗址理事会的一员，他的成长深受阿富汗文化和大佛遗迹的影响。欧佐德-萨拉杰全心投入，他发现阿富汗的善后组织e.V.,项目包括阿富汗总统Del Kusha的总部和一座叫做Kuti-e Baghtscha的皇家宫殿。但是作为国际古迹遗址理事会的一员，巴米扬大佛的重建对他来说最为重要的，他使用了Geomagic Studio和ProJet系列的3D打印机作为协助。

【使用Geomagic Studio得到的大壁龛的扫描图像】

Geomagic Studio逆向工程软件在全世界被广泛用来考古和存档项目，因为它可以可靠地把3D扫描数据转换为高精确度的曲面模型。它还拥有易学易用的用户界面，在实地考验中，这款软件表现出色。在收集和固定了所有的巴佛碎石块后，给这些石块编码并把他们装入箱子中。除了扫描壁龛，建筑师们还扫描了较大的石块。碎石块被测量了磁校准和沉积结构，这是为了可以将他们更好的互相匹配起来。扫描结束后，团队处理了这庞大的数据量，手动填补模型中的破损孔，用Geomagic Studio软件制作出了无懈可击的曲面模型。

【用于三维扫描的被毁雕像的主要碎片】

一旦碎石块被Geomagic Studio软件的网格处理工具处理和修复，他们会被3D System公司的ProJet系列全彩色打印机以1/25的尺寸打印成模型。另外，他们还打印出了壁龛。同时，他们会使用这些精确的尺寸模型来尝试一点点的重新装配巴米扬大佛的碎块。考虑到这个地区险峻的地形和后期重建工程需要大型的设备，团队必事先就知道他们面临的挑战是什么，尺寸模型可以帮助他们为这些挑战事先做好准备。

【3D打印的雕像模型】

有来自阿富汗，法国，意大利，日本和德国的专家的这个国际团队，已经看到当地民众们日益增长的积极态度。他们希望这个态度可以继续蔓延至其他人。英格•塞坎德•欧佐德-萨拉杰表示，“通过我们的工作，给予了巴米扬大佛和当地民众生活在这个独特历史和风景区的机会，我们努力给予他们一个未来可以观光和最终找回平静的地方。“

案例3：向古生物领域迈进，3D扫描和3D打印识别新恐龙种类

在阿拉斯加州及膝深的利斯科姆骨床，有众多的恐龙骨骼分布在极地地区。帕特•德鲁肯米勒博士可以非常有把握的说他非常热爱自身所从事的工作。作为地球科学馆馆长和阿拉斯加费班克大学地质学科的副教授，德鲁肯米勒博士在其八年任期内，他每年会花几个月的时间跋涉在利斯科姆骨床3英尺层厚的恐龙骨堆里，对这些恐龙骨骼进行筛选和分类。

他持续不断的工作推进了我们对于曾生活在地球上的史前生物的认知，甚至还识别了一种新的恐龙种类。这个新闻也发表在了Acta Paleontologica Polonica（古生物学领域的国际性刊物）。

现场来排序和分类复杂的标本有着非常高的复杂性，德鲁肯米勒博士认为，现在研究人员面临着的一个巨大的障碍。

“在利斯科姆骨床，阿拉斯加北坡上有成千上万的恐龙骨骼，”他说。“大多数骨骼看上去来自同一个种类的恐龙，但是许多骨骼混在一起，关节是分离的，这意味着要匹配这是左边的骨骼还是右边的骨骼，是来自腿部还是头骨，是基本上无法做到的。”

面临着组装一个恐龙头骨的挑战，德鲁肯米勒博士向迈克尔•霍兰德求助，他是Michael Holland Productions工作室的负责人，工作室位于蒙大拿州博兹曼，是专门向博物馆和其他教育和公共服务实体提供各种服务的创意内容工作室。

这么多年来，霍兰德使用数学线程包括3D扫描和3D打印来为博物馆创建精致的展览品。他由此立即想到可以使用此方法来处理这个项目。霍兰德也请了Peak Solutions公司的伊恩•塞耶斯进行支持，这家公司是位于俄勒冈波特兰市，是专业提供3D扫描和打印服务的机构和经销商。

“我们可以预测或者有创意地想象这个头盖骨应该是怎么样的，然而我们组装的骨骼可能有严重的不对称或失真，” 霍兰德说，“科学方法是将完整的化石进行3D扫描，然后就能够实施镜像处理并精确复制他们。我们只能通过3D扫描和3D打印来做到这些。”

【通过Geomagic Capture扫描仪进行扫描】

塞耶斯和霍兰德开始进行扫描，他们使用已选定骨头的石膏模型，而不是化石本身。塞耶斯使用了3D Systems的Geomagic Capture 3D扫描仪来进行工作。

“Geomagic Capture扫描仪帮助了我们很多，它只需要放在那里就可以正常工作—但它却捕捉到了恐龙化石最精密的细节，” 塞耶斯这样说到。“在类似这样的一个项目里，表面纹理是至关重要的，采用3D扫描和3D打印就是一个完美的解决方案。”

【从Geomagic Capture到Geomagic Wrap的骨骼扫描】

塞耶斯说，扫描仪花费了几分钟来扫描每个恐龙化石，不到5分钟就创建出了一个拥有每个骨骼的完整3D工作模型。使用Geomagic Wrap，团队人员创建出了精确的3D数据，然后通过快速镜像处理来进行骨骼匹配。

“Geomagic Wrap实在太棒了！” 塞耶斯说。“它有实用的工具且界面操作简便。这个软件几乎按个按钮就能工作并创建STL文件。

在一天内，镜像副本的STL数据就被准备好了并且可以随时通过3D Systems的ProJet 660全彩色3D打印机进行打印。

“ProJet 660可制作坚硬的石膏部件，这也是理想的表面材质，”霍兰德这样说到。“我们通常使用打印机的全彩色功能，但这次我们使用单色印刷，所以我们可以完成他们。ProJet 660打印出来的部件是刚性较强且类似骨骼的，且可以和我们用于构造骨架的胶水，钉子和指甲相兼容，所以这是一个非常完美的选择。”

霍兰德还说，“我也理解在短时间内创建3个完整的骨架展示是非常有压力的。3D扫描和3D打印帮助节约了大量的时间--我几乎在一夜之间就得到了3D数据，并在一两天内就得到了3D打印实物。”

霍兰德同时使用匹配的石膏和3D打印骨骼部件，并立即投入了他构造整个恐龙骨架的工作中。使用一些钉子，线和大量技术工作，整个团队迅速地构造出了整个恐龙骨架。

【使用CJP全彩色3D打印技术得到的恐龙骨架】

德鲁肯米勒博士认为，这非常炫酷，这也是3D数位扫描和3D打印在我们专业领域进行革新的一个实例—这不仅仅是为了演示也是为了整个研究。总之，我们有信心可以重建一个新种类恐龙骨架进行展示—这远比我们所料想的更快。

文物不仅仅是一个国家的，也是全人类的精神遗产，希望技术的不断进步可以帮助这些遗失的瑰宝再次出现在人们面前，让大家领略历史沉淀的魅力。

关于3D Systems

3D Systems提供全面的3D产品和服务，包括3D打印机、打印材料、云计算按需定制部件和数字设计工具。公司的生态系统覆盖了从产品设计到工厂车间的先进应用。3D Systems精准的医疗解决方案包括模拟、虚拟手术规划、医疗、牙科设备以及给患者定制的外科手术器械的打印。3D Systems花费了30年的时间帮助专业人士和企业优化他们的设计、改造工作流程，将创新产品推向市场、驱动新的商业模式。

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