3D打印技術(shù)在陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：從陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程的視角分析了3D打印技術(shù)的應(yīng)用，通過傳統(tǒng)方法與3D打印技術(shù)的比較，得出了3D打印技術(shù)在陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，即提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)周期與制作成本。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了3D打印在陶瓷設(shè)計(jì)中的工作流程，提出了各流程中的關(guān)鍵問題和解決辦法。最后在分析陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)際案例的基礎(chǔ)上，得出3D打印在陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：3D打印；陶瓷；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；建模

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與3D打印技術(shù)的比較

在傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，繪制效果圖、制作模型、繪制加工圖紙等設(shè)計(jì)任務(wù)主要靠手繪和手工制作完成，這些工作受設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，材料、成本等因素的限制。傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)基本以手工制作為主，由手工繪制的圖紙向立體模型轉(zhuǎn)換的過程中，匹配精度不高，反復(fù)修改方案不僅加大了工作量，而且會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)項(xiàng)目的整體進(jìn)度，制作周期長(zhǎng)是普遍現(xiàn)象。在陶瓷設(shè)計(jì)方案的推進(jìn)過程中，設(shè)計(jì)師需要就產(chǎn)品本身與各方人員進(jìn)行交流，設(shè)計(jì)表達(dá)顯得尤為重要。僅依靠手繪效果圖的表達(dá)方式不能很好地傳達(dá)立體效果，這種二維的展示形式與最終的產(chǎn)品有一定的差距。傳統(tǒng)方式制作實(shí)物模型需要石膏模具翻制，石膏模具受天氣、設(shè)備、技術(shù)水平的制約，制作不便捷，耗時(shí)耗力。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得產(chǎn)品研發(fā)階段的設(shè)計(jì)表達(dá)更加直觀清晰，利用3D打印技術(shù)、3維掃描技術(shù)等數(shù)字化方式，能夠全方位、立體化的展示產(chǎn)品的整體面貌。由于3D打印技術(shù)的靈活性，數(shù)字模型高度的可編輯性，設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)過程中的任何階段根據(jù)新的問題進(jìn)行調(diào)整、修改，制作數(shù)字模型所耗費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于手工繪制靜態(tài)圖和制作實(shí)物模型。由于采用計(jì)算機(jī)繪制，減少了大量的人力和材料的耗費(fèi)，制作周期和制作成本都得到了有效控制，大大降低了能耗[1]。

2 3D打印在陶瓷設(shè)計(jì)中的工作流程

2.1 三維模型的制作

利用3D技術(shù)進(jìn)行陶瓷設(shè)計(jì)，數(shù)字模型的構(gòu)建對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)階段起到了至關(guān)重要的作用。設(shè)計(jì)師根據(jù)數(shù)字模型和3D打印的實(shí)物能夠更加直觀地審視作品的造型特征，快捷地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為生產(chǎn)制造提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及技術(shù)保障。如圖1所示，利用三維建模軟件Rhino設(shè)計(jì)一個(gè)多面體，前期設(shè)計(jì)師根據(jù)概念草圖，繪制陶瓷產(chǎn)品的三視圖，為模型建造提供參照。然后，設(shè)計(jì)師根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，選用相應(yīng)的三維軟件進(jìn)行制作，結(jié)合陶瓷產(chǎn)品造型特點(diǎn)，選用相應(yīng)的建模方式和工具。陶瓷3D打印機(jī)推薦使用的三維建模軟件包括了Rhino、3DS MAX、Inventor、Sketchup等，這些軟件具有強(qiáng)大的曲面建模工具，并且設(shè)計(jì)的模型可以快速的轉(zhuǎn)化為STL文件格式，可以被3D打印切片軟件識(shí)別的常見格式。得益于三維建模軟件強(qiáng)大的曲面造型能力，為陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了技術(shù)支持，使設(shè)計(jì)師能夠完成形體造型更為復(fù)雜的陶瓷產(chǎn)品。

對(duì)于造型復(fù)雜的陶瓷產(chǎn)品擁有很多變化的曲面，這就對(duì)曲線的曲率規(guī)格要求很嚴(yán)格，為了保障陶瓷產(chǎn)品擁有光順的視覺效果和完美的手持舒適感，這就需要借助三維建模軟件強(qiáng)大的曲面造型工具進(jìn)行仔細(xì)認(rèn)真的設(shè)計(jì)，并通過3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，如圖2所示，通過3D打印機(jī)完成首版的制作，設(shè)計(jì)師針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)，優(yōu)化方案模型，可以快速進(jìn)行造型比較和分析，從而減少了工作環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率[2]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式在處理陶瓷造型上的雙曲面和自由曲面方面存在很多技術(shù)難點(diǎn)，然而設(shè)計(jì)師借助數(shù)字化技術(shù)，在處理一些復(fù)雜曲面時(shí)就變得靈活簡(jiǎn)便。

2.2 3D打印泥胚的制作

陶瓷3D打印機(jī)與傳統(tǒng)的塑料打印機(jī)在原理上是相同的，都是基于降低維度的設(shè)計(jì)理念，從原有的三維物體通過軟件的處理為二維的圖形，同時(shí)生成不同的直角坐標(biāo)點(diǎn)，而不同的直角坐標(biāo)點(diǎn)又有不同的G代碼，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，生成一層層堆積的三維形態(tài)，如圖3所示。陶瓷3D打印機(jī)往往都是使用濕黏土作為打印材料，濕黏土不夠結(jié)實(shí)，無法制作出更多有趣的形狀，而硬質(zhì)黏土可以完美的解決這個(gè)問題，因此通常的陶瓷打印機(jī)都在使用硬質(zhì)黏土。

陶瓷3D打印機(jī)由于也是使用分層堆積成型方式，因此其表面也會(huì)出現(xiàn)層狀紋理。通常陶瓷3D打印機(jī)的打印層厚是10毫米，這樣的設(shè)置可以兼顧到打印速度與表面質(zhì)量，如果要想得到更好的表面質(zhì)量就需要將打印層厚調(diào)整為0.3毫米，但是大型打印作品通常不需要這樣的精度。最后將打印好的陶胚進(jìn)行表面光滑處理，然后放置于陰涼處進(jìn)行風(fēng)干。

2.3 陶胚表面處理

由于3D打印的逐層打印的工作原理，打印出來的陶胚模型表面不是非常光滑，打印的精確度也沒有達(dá)到和原始設(shè)計(jì)模型完全一致，同時(shí)在打印過程中會(huì)有殘缺或多余的拉絲現(xiàn)象，打印出來的模型還要通過相應(yīng)的打磨技術(shù)進(jìn)行表面處理，最終成為光滑可用的模型樣板。對(duì)于打印精度在0.3毫米的高精度的模型，可用細(xì)砂紙進(jìn)行表面輕微打磨，對(duì)于打印層厚在0.3毫米以上的模型，可用中粗砂紙進(jìn)行模型打印[1]。對(duì)于打印好的模型需要將表面浮灰吹掃干凈，然后在表面施加彩繪，待晾干后進(jìn)行表面上釉處理，最后放入窯中燒制。

3 3D打印技術(shù)在陶瓷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

3D打印技術(shù)作為一種增材制造技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品樣板的設(shè)計(jì)中，在3D陶瓷打印出現(xiàn)之前，人們通過手工將陶胚不斷的修正，已達(dá)到自己所想要的造型設(shè)計(jì)。但是傳統(tǒng)的方法完全依賴于手工創(chuàng)作者的經(jīng)驗(yàn)，而且產(chǎn)品樣板的制作通常需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間完成。陶瓷3D打印機(jī)則是通過的三維軟件對(duì)設(shè)計(jì)稿進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的成型，人們可以直接在電腦軟件中對(duì)模型進(jìn)行修改，方便創(chuàng)作者不斷修改完善，在完成三維模型的制作后，通過連接陶瓷3D打印機(jī)對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，可以把三維數(shù)據(jù)的模型很快的轉(zhuǎn)換為實(shí)體樣板。如圖6所示，這是一些瓶子的樣板模型，從打印的效果中可以看出來層層堆積的紋理，而設(shè)計(jì)者正是利用了這種一層一層的效果，并沒有對(duì)表面進(jìn)行拋光和打磨，反而使產(chǎn)品看起來很特別，最后通過窯爐的燒制，形成最終的產(chǎn)品。不僅節(jié)省了大量的成本和時(shí)間，還為陶瓷模型的制作提供了便利的可修改性、實(shí)驗(yàn)性和創(chuàng)造性，對(duì)于產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展具有極大的推動(dòng)力。

3D打印技術(shù)在陶瓷產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段起著關(guān)鍵作用，并且是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，對(duì)于傳統(tǒng)手工無法實(shí)現(xiàn)的樣板模型，在陶瓷3D打印機(jī)中也可以實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，對(duì)于一個(gè)杯子造型的器物，在其表面鏤空的雕刻出很多的網(wǎng)洞造型。這樣的造型通常需要高超造型手藝才能制作出來，并且如果其中的一個(gè)網(wǎng)洞雕刻壞了，整體造型也就失敗。但是借助陶瓷3D打印機(jī)就可以很輕松的實(shí)現(xiàn)這一造型，只要將陶瓷3D打印機(jī)的打印精度調(diào)整到0.3毫米左右的高精度打印，在軟件的設(shè)計(jì)制作中也是非常容易完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)陶瓷3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)方法比較，可以看到陶瓷3D打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)，它縮短了陶瓷產(chǎn)品開發(fā)的環(huán)節(jié)，大幅度提高了效率和質(zhì)量。當(dāng)然任何事物都有兩面性，在其應(yīng)用流程中，也看到了陶瓷3D打印機(jī)也存在者先天的不足，就是表面質(zhì)量不高，會(huì)出現(xiàn)層狀紋理，需要后續(xù)加工打磨，同時(shí)打印材料也收到一些限制。隨著3D打印技術(shù)的成熟和陶瓷材料研發(fā)的突破，會(huì)使陶瓷產(chǎn)品開發(fā)中運(yùn)用 3D打印技術(shù)變得更加普及和趨于民用化，為陶瓷產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，它有著巨大的市場(chǎng)潛力，能帶來高額的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：楊濤（1982-），男，漢族，寧夏銀川市人，蚌埠學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)系，助教，碩士。