一体化数字铸造：模拟古代青铜器分范技术的新方法

将古代青铜的秘密带入数字时代

中国古代的青铜礼器是博物馆中最引人注目的展品之一，但它们的制作工艺长期以来仍有部分未解之谜。传统复原其铸造方法往往耗时、费用高且高度依赖资深匠人。本文提出一种更快速、更易获取的方式，利用数字 3D 建模、3D 打印和替代材料“演练”这些古老技法，为研究者和公众提供一个更安全、更清晰的窗口，了解这些杰作的制作过程。

古老的铜器为何至今仍重要

商周时期的礼器不仅是炊具：它们是身份象征、祭祀器物，也是技术智慧的记录。许多器物，如三足鼎，采用一种独特的“分范”工艺制作。匠人先雕塑器型模型，再用陶土贴制外范，随后将外范分割为若干片，并制备独立的内芯。组装后，外范与内芯之间留下间隙，成为金属熔浇的腔体。现存青铜器上可见的细小线缝与接合痕迹，常常是现代学者重建范片如何分割与拼装的唯一线索。

复原古代作坊的局限

考古学家为理解分范铸造主要尝试了三种方法：对存世青铜器的仔细目视研究、对出土陶范与内芯的分析，以及以陶土和高温青铜进行全尺度实验铸造。每种策略都有缺陷。器表接缝可能微弱或被抛光磨去，完整的古范罕见，传统铸造实验也难以标准化。一套陶范的制作可能耗时超过一个月，需要高温煅烧并在接近 1000°C 下谨慎浇注，而且高度依赖熟练工匠的经验。即便复原成功，不同的范片布局也可能解释同一件器物，使实验结果更具暗示性而非决定性证据。

从模型到金属的数字新路径

作者提出一种“一体化数字铸造”工作流程，保留分范铸造的核心逻辑，同时用可控的现代工具替代最困难的步骤。首先，他们用免费建模软件构建一个精确的商代鼎的 3D 模型。通过数学运算，将数字器型切割成扇形的外范片和内芯，并添加互锁特征以确保部件可靠对位。然后将这些设计导出到 3D 打印机，打印出刚性的塑料阴模——即“范的范”，其平滑的弧形接缝较传统的尖棱分片更能均匀分布应力。在这些塑料阴模中，团队浇注经过精心配制的低密度石膏浆料，石膏硬化后形成细节丰富、具有孔隙性的范，既在形态和功能上模拟陶范，又无需长时间风干或高温煅烧。

从石膏范到光亮铸件

为避免熔化青铜带来的风险与设备需求，研究者以一类在家用烤箱温度下即可熔融的低熔点合金代替之。将石膏外范与内芯装配、密封并用砂体支撑后，浇注该合金，待其冷却，再将易碎的石膏破碎去除——仍遵循“一个范对应一个器”的历史规则。不同石膏配方的试验显示，水粉比约为 1:1 时，强度、表面光滑度和易拆除性达到最佳平衡。所得的金属鼎能再现精细纹饰、清晰棱角和真实的范痕，同时比传统复原在壁厚均匀性和器沿整洁度上更为出色。关键是，整个周期从约 50 天缩短到不到 40 小时。

让青铜遗产更易于研究与传播

这种数字引导的方法并不声称复制古人材料或炉制工艺的每个细节。它提供的是一种实用的实验室工具，能够在投入昂贵的陶土与青铜实验前快速测试不同的分范与拼装方案。由于依赖标准化的数字文件、简便的设备和低温铸造，它也可用于课堂与博物馆，让公众通过动手实践了解分段范的工作原理。通过这种方式，一体化数字铸造为研究与教学中国历史上一些标志性青铜器背后的工艺逻辑，开辟了一条可重复、可测量的路径。

引用: Song, X., Dong, Z. & Fan, A. Integrated digital casting: a new method for simulating piece-mold techniques of ancient bronzes. npj Herit. Sci. 14, 273 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02551-2

关键词: 中国古代青铜器, 分范铸造, 3D 打印, 数字考古, 文化遗产教育