基于陶泥3D打印機(jī)的教學(xué)探索

于方軍+夏侯洪濤

9月6日，在第15屆中國（淄博）國際陶瓷博覽會(huì)上，陶泥3D打印機(jī)及其陶瓷制品的展出引起了很多參展人員的注意。于方軍老師告訴大家，這是一種新的技術(shù)，是手的延伸，最初的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)是為了用于制陶的教學(xué)工作，通過操作陶泥3D打印機(jī)，十幾分鐘就可以呈現(xiàn)出學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)好的陶瓷作品，便于指導(dǎo)教學(xué)。

在進(jìn)行3D打印教學(xué)的過程中，用建模軟件建好模型后，需要用切片軟件切片，并最終通過3D打印機(jī)打印出作品，建模和切片過程都可以當(dāng)堂完成，而打印過程由于PLA材料的打印機(jī)打印速度比較慢，一個(gè)幾厘米高的作品就要打印幾個(gè)小時(shí)，無法完成當(dāng)堂反饋，學(xué)習(xí)效果就會(huì)大打折扣，我們是否可以在不影響學(xué)生對(duì)3D打印原理理解的情況下，提高成型速度，實(shí)現(xiàn)當(dāng)堂反饋呢？陶泥3D打印機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

陶泥3D打印機(jī)與PLA材料3D打印機(jī)異同點(diǎn)

PLA材料的3D打印機(jī)是根據(jù)FDM（Fused Deposition Modeling）熔融沉積成型原理工作的，工作過程為絲狀材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)，最后成型。這種材料的3D打印方式在教學(xué)中存在幾個(gè)不足：一是成型速度慢，由于噴嘴直徑限制，用這種打印方式進(jìn)行打印時(shí)每一層的層高很?。ú荒艽笥趪娮熘睆?，一般為0.2mm或0.4mm），導(dǎo)致成型速度慢；二是噴頭需要加熱絲狀材料，所以要加熱到200攝氏度左右，這一點(diǎn)對(duì)充滿好奇心的學(xué)生來說是個(gè)不安全因素；三是作品一次成型，學(xué)生的創(chuàng)意只能體現(xiàn)在建模階段。

陶泥材料的3D打印機(jī)是根據(jù)半流體沉積成型原理工作的，國外有個(gè)團(tuán)隊(duì)稱之為Liquid Deposition Modeling，工作過程為半流體的陶泥通過設(shè)備擠壓入噴頭，無需加熱過程，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，與周圍的材料粘接到一起成型。這種方式的優(yōu)勢有：一是成型速度快，陶泥噴頭可以做得較粗，每一層打印的層高就可以很高，打印速度就能提高，在不影響學(xué)生對(duì)3D打印原理理解的情況下，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)作品當(dāng)堂打印當(dāng)堂完成，能實(shí)現(xiàn)教學(xué)的及時(shí)反饋；二是不需要高溫加熱，安全性得到保障；三是原材料可以重復(fù)利用；四是原材料價(jià)格便宜容易獲得；五是作品打印完成后，由于陶泥的特性還可以在打印基礎(chǔ)上進(jìn)行二次加工，實(shí)現(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)的完美結(jié)合。

從文化傳承和發(fā)展的層面看陶泥3D打印機(jī)

瓷器是古代中國人民的偉大發(fā)明，是中華民族對(duì)人類文明的杰出貢獻(xiàn)。很多學(xué)校都開設(shè)了陶藝課，如何讓這門古老的藝術(shù)煥發(fā)出新的活力，現(xiàn)代的科技能否與它結(jié)合？陶泥3D打印機(jī)就提供了這樣一條傳承歷史，面向未來的途徑。

傳統(tǒng)的陶瓷制作工藝需要經(jīng)過練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、彩繪、釉變等步驟，其中拉坯的環(huán)節(jié)決定著產(chǎn)品的基本形狀，因此要制作一個(gè)什么樣的外形，就需要先拉出一個(gè)相應(yīng)的形狀，才能進(jìn)行后期的制作處理。而傳統(tǒng)的拉坯拉出的大都是中規(guī)中矩的圓形，要想制作外形迥異的造型就只能靠模具加工了。但是很多異形的造型就是采用模具也不能生產(chǎn)，只能靠手工雕刻，工藝要求高，耗費(fèi)工時(shí)長，生產(chǎn)效率低。

如果傳統(tǒng)陶瓷材料能用3D打印機(jī)打印出來，那么很多奇特的造型就能直接從計(jì)算機(jī)中的文件變成真實(shí)的陶瓷器件了。對(duì)于教學(xué)而言，它既可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)和了解3D打印，又可以和傳統(tǒng)的陶藝技術(shù)相融合，一舉兩得。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)而言，則可以提高生產(chǎn)效率，節(jié)省大量人力資源，最重要的是它可以突破傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的限制，充分發(fā)揮制作者的想象能力。

將陶泥作為打印的原材料輸送到打印機(jī)進(jìn)行打印，解決了奇特外形瓷器的初加工，使得陶瓷藝術(shù)能更加便捷地體現(xiàn)，更加快捷地發(fā)展進(jìn)步，給傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)提供了一種新的解決方案，也給其他形式的半流體材料打印成型提供了參考的依據(jù)。

陶泥3D打印的課例設(shè)計(jì)

在進(jìn)行3D打印的課程設(shè)計(jì)時(shí)，要注意把難點(diǎn)和耗時(shí)的過程分解，合理搭配。例如，在入門階段的課程設(shè)計(jì)中，我們可以通過對(duì)一個(gè)圓面的簡單推拉生成一個(gè)圓柱體（如果時(shí)間允許還可以進(jìn)一步推拉生成一個(gè)杯體），把重點(diǎn)放到切片和打印上，如果打印機(jī)數(shù)量有限，可以采用逐級(jí)遞進(jìn)方式，具體操作可參照如下方式：如誰先畫好杯子，教師可以幫忙切片；正好用這個(gè)過程演示切片操作過程。下一步操作可以誰先切好自己畫的杯子，就先給他打印，如果下課之前打印完成，可以帶走。用這種類似于比賽的分段教學(xué)方式，可以很好地吸引學(xué)生注意力，同時(shí)能有效分解操作難度和解決操作時(shí)間問題。

進(jìn)階階段的課程設(shè)計(jì)，因?yàn)閷W(xué)生已經(jīng)熟悉了基本的建模和切片操作，我們可以適當(dāng)融入學(xué)科知識(shí)。例如，畫一個(gè)“心形杯”課例設(shè)計(jì)，我們可以融入相關(guān)數(shù)學(xué)的知識(shí)，如圖1～4所示：我們利用SketchUp先畫一個(gè)正六邊形，接著連接正六邊形的三個(gè)端點(diǎn)形成一個(gè)正三角形，然后借助三角形和六邊形的點(diǎn)線面作對(duì)稱的弧，擦除多余線后就能得到一個(gè)規(guī)則的心形。在這個(gè)過程中，用一種近乎于游戲的方式，可以讓學(xué)生對(duì)正多邊形有一個(gè)直觀理解，不用刻意說明角度關(guān)系，只要求學(xué)生把心形畫得美觀、對(duì)稱即可。而這些在傳統(tǒng)陶藝課程中是無法滲透的。

打印完成后還可以加入一些后期創(chuàng)意，如可以把自己的指印留到剛打印出來的杯子上，還可以刻上喜歡的名言，掛上不同釉色……學(xué)生作品如圖5所示。

陶泥3D打印的特殊要求

1.杯型物體設(shè)計(jì)

由于陶泥3D打印機(jī)用的陶泥原材料較重，需要干燥定型，所以成型有些特殊要求。例如，對(duì)于一些口大底小的杯狀物體的成型，如果按照常規(guī)打印方式進(jìn)行，很容易因?yàn)樽陨碇亓?dǎo)致坍塌而難以成型，所以在建模或切片過程中可以將杯型物體倒置打印。

2.花瓶型物體設(shè)計(jì)

要設(shè)計(jì)花瓶等薄壁空心物體，有兩種方式。第一種方式可以在建模時(shí)按照常規(guī)方式設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu)，但這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是打印機(jī)會(huì)分為內(nèi)壁和外壁兩次打印，造成打印物體表面不光滑；還有一種方式是采用實(shí)心建模，在切片過程中將物體填充設(shè)置為0，壁厚設(shè)計(jì)為要求厚度，將通用擠出機(jī)設(shè)置為“螺旋外變界”（專為實(shí)心物體打印單層墻殼體設(shè)計(jì)，特別適合于打印花瓶類物體）。

3.填充與支撐

陶泥3D打印也可以設(shè)置填充與支撐，特別是對(duì)于打印一些異形物體，如打印人像等，要注意切片時(shí)填充不宜過于密集，一般選用方格填充，支撐可以用方格支撐，并且支撐角度也不宜設(shè)置過大，要考慮陶泥重力。

以上只是我們?cè)?D打印課程中的一些嘗試，陶泥3D打印課程設(shè)計(jì)還有一些更有創(chuàng)意的課程期待更多有陶藝課程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的教師參與，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合。