Optimización y aplicación de prótesis 3D
Mediante tecnologías físico-digitales como solución para la restauración de faltantes en escultura
por Almudena Alcantud,11. Conservadora r (…) Nicolás Didier Niquet,22. Instituto Univ (…) Medina Azahara Rodríguez Rodríguez33. Conservadora r (…) y Xavier Mas-Barberà44. Instituto Univ (…)
En la actualidad, los medios tecnológicos experimentan una etapa marcada por importantes avances, así como la aparición de herramientas creativas e innovadoras que amplían el abanico de posibilidades a un rango inimaginable.
El desarrollo de soluciones tecnológicas en el sector industrial ha perfeccionado los procesos de fabricación y la eficiencia en las fases de actuación/intervención. Un caso destacado resulta en el ámbito médico, donde la tecnología permite obtener, a partir de la tomografía axial computarizada (tac), una réplica 3D del hueso u órgano del paciente de modo que pueda conocerse, manipularse y practicarse previamente a la intervención quirúrgica.
Pero también empiezan a incorporarse estas herramientas en ámbitos donde, como en la conservación y restauración de bienes culturales, todavía impera una corriente más convencional. Si bien a pesar de que en este campo se emplean métodos científicos que analizan en profundidad los materiales constituyentes de las obras de arte y sus alteraciones, la metodología de intervención no ha avanzado de manera significativa en las últimas décadas.
La reintegración volumétrica mediante prótesis, tema que aquí se trata, es una de las fases que más controversia genera entre los distintos profesionales del patrimonio por su influencia en la lectura estética de la obra. Existen diversas teorías sobre la realización de reconstrucciones, reposiciones y/o copias. No obstante, todas tienen un punto en común, es un tratamiento que debe ser totalmente reversible y que no afecte al original en caso de sustitución.55. X. Mas-Barberà (…) El conjunto de necesidades y el estado de conservación de la obra, sumado al contexto histórico y al valor artístico-formal, son indicadores que influyen evidentemente en el método de intervención tomado por el restaurador.
Según el procedimiento habitual, en los casos donde la superficie a reconstruir ocupa un espacio reducido dentro del objeto, se emplea un mortero directamente en la zona del faltante, donde se adapta y ajusta in situ. Si la superficie es de mayor tamaño, también se puede modelar el fragmento sobre la superficie para obtener un molde y la posterior prótesis, que se une al original mediante pernos de sostén.66. Ibid. (…) Sin embargo, estas técnicas implican durante la intervención un contacto frecuente con el original que comporta determinados riesgos de deterioro.
La presente investigación es el resultado de una búsqueda de soluciones innovadoras en el proceso restaurativo de obras con pérdidas de volumen. El propósito del proyecto es ciertamente reconstituir la morfología sin actuar directamente sobre la obra. Esta labor ha sido posible mediante el empleo de herramientas de fabricación digital apoyadas con técnicas convencionales de reconstrucción.77. C. Caple. Con (…)
De igual modo, se ha buscado un método de adhesión de la prótesis menos invasivo. Para ello, se ha utilizado un conjunto de sistemas magnéticos reversibles y respetuosos con la obra de arte. La fuerza que han de hacer los imanes se ha calculado mediante un procedimiento físico, un modelo teórico desarrollado previamente para este tipo de intervenciones.88. X. Mas Barberà (…) El uso de los imanes en conservación y restauración se puede dividir en tres grupos: los empleados para sistemas expositivos,99. Gwen Spicer. “ (…) los utilizados como herramienta en procesos restaurativos1010. Tammy Jordan. (…) y los usados como sistema de unión de fragmentos y prótesis.1111. Andrew Oddy y (…)
Asimismo, en este estudio, la digitalización de la obra durante el proceso de escaneado 3D constituye en sí un proyecto al tratarse de una operación que permite disponer de un registro completo de la obra. Esta documentación digital mejora el estudio del bien cultural generando un repositorio permanente y de alta fidelidad conforme a la conservación preventiva.
El escaneado 3D complementa el proceso de modelado digital, el cual, entre sus muchas ventajas, permite la obtención de diferentes tipologías de prótesis. La impresión 3D de fragmentos supone el paso definitivo o, por el contrario, el paso previo a la posterior realización de moldes y ulterior positivado mediante pastas o morteros. Durante la fase de toma de decisiones se analizan y se presta atención a los distintos criterios funcionales y estéticos, de este modo se elige la opción más adecuada en la reintegración volumétrica de la obra.
El estudio se realiza sobre una escultura que representa a san Antonio Abad (58 x 27,5 x 19 cm). Muestra sus atributos característicos, el libro y el cerdo,1212. L. Réau. Icon (…) también el bastón que no se conserva. Viste con el hábito de color marrón y blanco con capucha correspondiente a la Orden de los Antonianos a la cual pertenecía.
La obra, datada en el siglo xvii, manifiesta una escasa calidad artística. Probablemente pueda tratarse de una talla de la etapa inicial de un artista o de un aprendiz de taller, gremio o escuela. Está realizada en alabastro policromado, y tanto la procedencia de este material como el autor de la escultura es desconocida.
Desde el punto de vista del estado de conservación destaca, en rasgos generales, el oscurecimiento que predomina en toda la escultura. Ello podría deberse a la oxidación del barniz y a la acumulación de diversa suciedad superficial depositada a lo largo de los años. También, es evidente que la figura ha sido repintada en su totalidad. La imagen tiene serias pérdidas de soporte en la cabeza del santo, concretamente en la parte superior de la mejilla izquierda próxima al ojo. Además, muestra una pérdida total de la oreja, la parte trasera de la cabeza y la mano derecha. El libro sufre lagunas importantes en ambas esquinas y, también, varios daños en la cabeza del cerdo.
El método de trabajo se centró, en primer lugar, en la búsqueda de documentación acerca de la escultura,1313. Jasmina Prada- (…) a pesar de la escasez de datos existentes. El modus operandi del desarrollo de todo el proyecto de obtención de la prótesis se describe a continuación.
La digitalización se realiza por medio del escáner 3D, que recopila la información del exterior y la transforma en coordenadas tridimensionales. Estas, agrupadas en una nube de puntos, forman una malla de superficie que genera la textura del objeto.
Para el escaneado de la escultura (figura 1) se utilizó un escáner Go!SCAN50, de la compañía canadiense Creaform,1414. Página web de (…) firma pionera en el desarrollo de sistemas de metrología y digitalización 3D. Se trata de un escáner láser portátil de altas prestaciones, de luz blanca, preparado para aplicarse en objetos de tamaño medio-grande, con el que se obtiene una nube de puntos de precisión milimétrica con respecto a la obra original a escala 1:1 y a color. La toma de datos y su tratamiento se llevan a cabo mediante el software VXelements® y la aplicación VXmodel®, ambos programas desarrollados por la misma empresa específicamente para el manejo de su tecnología.
Figura 1. Fase de registro 3D de la escultura San Antonio Abad mediante escáner Go!SCAN50, de la empresa Creaform. Obsérvese la visualización digital del proceso de escaneado en tiempo real.
Finalmente, la interfaz permite visualizar los resultados en tiempo real con gran nivel de detalle. La información recogida directamente resulta ventajosa, de modo que nos asegura documentar todas las zonas evitando agujeros en el modelo. La exploración es muy rápida y eficaz, con óptimos resultados. Una vez terminado el proceso de toma de datos, el resultado es una malla hermética y fotorrealista, con pequeñas zonas ciegas y ruido que deben repararse. El software VXelements® hace uso de algoritmos basados en la recepción de información específica del escáner para optimizar el resultado final.
El archivo se exporta a un software de modelado 3D denominado ZBrush®, desarrollado por la compañía Pixologic.1515. Página web de (…) La particularidad de este programa reside en el concepto de modelar digitalmente un trozo de arcilla, es decir, como si se manipulara este material de manera convencional, pero en un medio virtual (figura 2).
Figura 2a. Fase de modelado con ZBrush®. Vista de la testa en proceso de modelado digital.
Figura 2b. Fase de modelado con ZBrush®. Vista final del fragmento de testa reconstruido digitalmente.
En términos prácticos, y para el caso que nos ocupa, se han aprovechado las características morfológicas de la escultura para reconstruir la zona faltante. El modelado digital permite elaborar variantes de una misma prótesis modificando zonas y rehaciendo otras con el fin de conseguir un modelo acorde al fin deseado. ZBrush® trabaja con dimensiones inferiores al volumen real de la escultura1616. W. Robson. Ess (…) de manera que, una vez terminado el modelo, el archivo es exportado a un software de impresión en el que se reajustan los parámetros dimensionales. En este sentido, se toman las medidas registradas en el proceso de escaneado 3D. Esta metodología de trabajo asegura que cualquier prótesis modelada en 3D se ajuste al tamaño original de la obra.
Para la realización del prototipo se ha optado por la técnica de estereolitografía (sla).1717. M. Berchon y B (…) El proceso consiste, a grandes rasgos, en la obtención de un objeto volumétrico por fabricación aditiva de resina fotosensible. Esta se encuentra en estado líquido y se endurece en contacto con un láser de luz uv que, capa tras capa, va formando el volumen previamente establecido (figura 3A).
Figura 3a. Técnica de la estereolitografía (SLA). Esquema del funcionamiento de la SLA <a href=”https://formlabs.com/fr/blog/ultimate-guide-to-stereolithography-sla-3d-printing/#sla-systems”>https://formlabs.com/fr/blog/ ultimate-guide-to-stereolithography-sla-3d-printing/#sla-systems</a>;
Figura 3b. Técnica de la estereolitografía (SLA). Impresora SLA Form2.
La razón principal por la que se ha empleado esta tecnología es el alto grado de detalle que ofrece, pues, como se ha mencionado anteriormente, la prótesis debe ajustarse perfectamente a la zona de fractura de la obra original.
En este caso, se ha usado una impresora Form2 (figura 3B) de la compañía Formlabs.1818. Página web: ht (…) Se trata de una impresora 3D “de oficina” de altas prestaciones, pensada para ser muy fiable a la hora de imprimir piezas que requieren un margen de deformación muy reducido, aspecto que la diferencia de otras tecnologías en cuanto a la realización de una prótesis de estas características. Además, el material de impresión (resina Grey Form2) es estable, ligero, resistente a nivel mecánico (figura 4) y presenta algunas características óptimas para ser imprimado y coloreado.
Figura 4a. Prótesis generada. Vista de la prótesis digital calculada en Preform®, software de optimización de la Impresora Form2.
Figura 4b. Prótesis generada. Prótesis impresa con resina grey form2, vista externa e interna de la testa, en esta última se aprecia la zona en negativo de la zona de fractura.
Una vez obtenida la prótesis sla impresa en 3D, resultan varias soluciones añadidas. Por un lado, dicha prótesis resulta la pieza definitiva como objeto de reposición, el cual se ajusta en color al soporte original. Por otro, la prótesis es el medio a partir del cual se obtienen otras réplicas mediante la realización de moldes y ulterior positivado con pastas o morteros (figura 5A).
Los dos procedimientos son perfectamente aceptables según los principios de la conservación y restauración, por su reversibilidad, respeto, reconocimiento, mínima intervención y tratamiento no invasivo.
Figura 5a. Obtención de variaciones de prótesis a partir de la prótesis digital impresa en 3D. Molde de silicona y caja rígida (1), prótesis de escayola Alamo 70 (2) y mortero sintético (3).
Figura 5b. Coloreado de las prótesis a modo de mancha neutra: prótesis impresa SLA (1), prótesis de escayola Alamo 70 (2) y mortero sintético (3).
Paralelamente, el moldeado convencional se realizó con elastómeros silicónicos (pasta de silicona Equinox 38® de Smooth-On1919. Página web: ht (…) y caja rígida de escayola Alamo 50), mientras que en el proceso de reposición se emplearon materiales inorgánicos (escayola Alamo 70) y morteros sintéticos compuestos por un conglomerante (resina poliéster Ferpol 1973),2020. Página web: ht (…) cargas inertes (árido de alabastro 800 micras) y pigmentos inorgánicos (colores tierra) en una proporción 1:1 a peso (conglomerante: carga).2121. Corpas Iglesia (…) Finalmente, las prótesis obtenidas se han coloreado a modo de mancha neutra (figura 5B).
En cuanto a la unión de la prótesis, esta se ha llevado a cabo mediante sistemas magnéticos. Para este caso concreto de unión de la testa en la zona de fractura, se ha calculado el modelo teórico desarrollado basado en las leyes de la estática.2222. M. A. Rodrígue (…) En este sentido, se busca tanto el equilibrio de fuerzas como el equilibrio de momentos para saber la fuerza necesaria que han de hacer los imanes fijados, y conseguir así, una unión estable.2323. X. Mas Barberà (…)
Para el cálculo del modelo teórico, se toman las características principales de las prótesis que deben unirse a la testa de la escultura, que son: una masa de 69 g para la prótesis, realizada con resina sintética por impresión 3D sla; 64 g para la prótesis con mortero sintético de alabastro y 79 g para la prótesis en escayola Alamo 70. Todas ellas miden 7 x 6 cm (alto por ancho), la sección de la testa es 7 x 5 cm aproximadamente, y forma ángulo de 30º. Además, el coeficiente de rozamiento es el parámetro necesario para aplicar el modelo2424. Medina Azahara (…) y se toma el valor de la escayola (µ = 0,86) para todas las prótesis, dada la afinidad con la obra real de alabastro.
Figura 6. Aplicación del modelo teórico al caso del San Antonio Abad.
De acuerdo con el modelo teórico,2525. Ibid. (…) se obtuvo, en el caso de las prótesis (tomando como masa media de las tres 0,071 kg) (figura 6):
Para la ecuación correspondiente al equilibrio de fuerzas:
Para la ecuación correspondiente al equilibrio de momentos: α
Teniendo en cuenta la geometría de la pieza, los resultados determinaron que era necesario aplicar como mínimo una fuerza de 0,81 N para que la unión fuese estable. Se decidió colocar la prótesis con dos imanes S-04-01.5-N de 3,43 N, cada uno, para aportar un margen de seguridad. Los imanes fueron suministrados por la compañía Supermagnete2626. Página web: ht (…) y adheridos con Paraloid B-72. La colocación fue en una configuración antiparalela, minimizando el campo magnético en el exterior (figura 7).
Figura 7. Prótesis SLA coloreada y ajuste de los sistemas magnéticos.
Finalmente, en la figura 8 se muestra la intervención finalizada con la prótesis obtenida mediante SLA unida a la pieza mediante sistemas magnéticos.2727. Para ver el pr (…)
Figura 8a. Prótesis SLA coloreada colocada en la testa y unida mediante sistemas magnéticos. Vista lateral.
Figura 8b. Vista frontal. Obsérvese el ajuste exacto entre el original y la prótesis.
Este trabajo de investigación pone de manifiesto la implementación de un nuevo método de reintegración volumétrica en escultura. Sin duda, las nuevas tecnologías 3D plantean nuevas posibilidades procedimentales y de exploración en el campo de la conservación y restauración del patrimonio cultural.
El proyecto digital desarrollado amplía las posibilidades en los acabados de las prótesis, donde pueden aplicarse diferentes criterios de intervención y elegirse el que finalmente se adapte mejor a la obra. Además, el software de modelado 3D puede almacenar patrones y/o texturas de partes del original, de modo que la reconstrucción resulte más fiel a la factura del artista.
Esta investigación demuestra que la obra no sufre riesgos durante la intervención de reconstrucción. La información obtenida durante el registro 3D y posterior modelado digital reduce el contacto con la obra y elimina la totalidad de los riesgos que podrían producirse durante su manipulación (desprendimientos de material original, rasguños, frotamientos, roces, entre otros).
La obtención de la prótesis por impresión 3D, así como el uso de técnicas convencionales de moldeado y reproducción mediante pastas y morteros, devuelven la lectura estética a la escultura y reafirman el principio de reversibilidad.
El uso de sistemas físicos de sujeción mediante sistemas magnéticos confirma la viabilidad del sistema para unir prótesis en una obra original. Se presenta el modelo teórico que permite la unión de forma óptima y sencilla a partir de las características estructurales de los fragmentos por unir (medidas, forma, posición y coeficiente de rozamiento). En general, su aplicación resulta viable, reversible y eficaz.
Finalmente, se considera muy interesante averiguar, en próximas investigaciones, cómo interactúan los materiales de la impresión 3D en contacto con los materiales constituyentes de la obra original, en cuanto al envejecimiento y degradación se refiere.
Los autores agradecen a todas aquellas personas e instituciones que han hecho posible el desarrollo de este innovador trabajo de investigación, especialmente a la compañía Creaform por su inestimable contribución técnica.
Conservadora restauradora freelance. dena.gandia@gmail.com.
Instituto Universitario de Restauración del Patrimonio. Universitat Politècnica de València/Departamento de Conservación y Restauración de Bienes Culturales (Facultad de Bellas Artes). Universitat Politècnica de València.
Conservadora restauradora freelance.
Instituto Universitario de Restauración del Patrimonio. Universitat Politècnica de València/Departamento de Conservación y Restauración de Bienes Culturales (Facultad de Bellas Artes). Universitat Politècnica de València.
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