基于數(shù)控雕刻的“時與光”創(chuàng)意設(shè)計

李 詠，趙 華

（沈陽航空航天大學(xué) 設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，沈陽 110136）

0 引言

隨著社會的進步和人們生活質(zhì)量的提高，人們對文化內(nèi)涵的需求也開始加大。家居生活中的藝術(shù)點綴也越來越受到重視，個性化的家居用品也隨之大量涌出。其中創(chuàng)意的雕刻產(chǎn)品造型美觀，具有藝術(shù)觀賞性，深受人們的喜愛，應(yīng)用比較廣泛。

1 數(shù)控雕刻技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計制造的影響

數(shù)控雕刻技術(shù)CNC（Computer Numerical Control）的出現(xiàn)使刀具的走刀可以通過計算機進行控制和模擬，使模型的曲線、雕花、鏤銑、刻槽等復(fù)雜工藝實現(xiàn)機械化和自動化[1,2]。將數(shù)控雕刻技術(shù)應(yīng)用到模型的制作中，不僅可以提高其加工精度和工作效率，而且可以使一些復(fù)雜、難以加工的模型部件通過雕刻機完美地加工出來，使模型的制作更加精致。

1.1 縮短了創(chuàng)意雕刻產(chǎn)品的制造周期

傳統(tǒng)雕刻過程主要是依靠人力通過用鑿、鏟、錘、鋸、線等手工工具來塑造各種圖案，是一種體力加腦力的勞動，其制造效率比較低，操作難度大，所以耗費時間較長，而且一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造型，需要雕刻者有較高的工藝水平和耐心，一個精湛的雕刻者需要5～6年的學(xué)習(xí)，而且需要很好的悟性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)逐漸被引入到工藝品雕刻之中，并表現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢。數(shù)控雕刻技術(shù)傳承了傳統(tǒng)的雕刻技術(shù)，可用于平面、曲面雕刻[3]，因為是機械自動化，所以縮短了產(chǎn)品的制造時間，且費用也比手工雕刻的價格便宜。

1.2 提高了模型制作的效率及加工精度

數(shù)控雕刻技術(shù)是通過計算機設(shè)置完成雕刻數(shù)據(jù)后，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的加工程序代碼配合多種刀具來控制雕刻機完成雕刻過程，除了二維平面雕刻外，還可完成浮雕及各種復(fù)雜曲面的雕刻加工，整個過程為自動完成，加工精度高，實現(xiàn)了自動化、高效率和高精度。

1.3 降低產(chǎn)品成本使雕刻制品更為普及

傳統(tǒng)的手工雕刻制品價格高昂，定制時間長，相比之下，數(shù)控雕刻制品不僅質(zhì)量有保證，造型還可以加工定制，款式靈活多樣，而且生產(chǎn)制造速度快，適合于批量生產(chǎn)，費用比手工雕刻要低很多，數(shù)控雕刻產(chǎn)品更受到人們的喜歡和青睞。

2 數(shù)控雕刻技術(shù)在實踐教學(xué)中的優(yōu)勢

目前在建筑、工業(yè)設(shè)計、園林景觀、展示等專業(yè)教學(xué)中，模型設(shè)計與制作已經(jīng)引起了教育者們的高度重視[4]。設(shè)計類專業(yè)本身要求動手能力強、與社會需求接軌，而模型制作是設(shè)計概念向三維實體初步轉(zhuǎn)化的有效手段之一[5]。模型制造是產(chǎn)品設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，通過親自動手制作模型，能夠培養(yǎng)學(xué)生認識材料、了解材料的特性，并在實際制作中進行綜合的設(shè)計應(yīng)用，來檢測和提煉之前的設(shè)計構(gòu)思，使學(xué)生逐步理解模型制作決不是簡單的模仿制作，而是一種表達創(chuàng)意的工具，為產(chǎn)品的紙面設(shè)計和產(chǎn)品的立體設(shè)計造型搭建了一個橋梁，利用材料，工具，加工方法將產(chǎn)品的設(shè)計構(gòu)思表現(xiàn)為三維立體形態(tài)的實體。作為設(shè)計表現(xiàn)手段之一的模型制作行業(yè)在市場上已進入一個全新的階段，其材料日益豐富，技術(shù)制作和表現(xiàn)手法上都有很大的發(fā)展。

模型制作的方法有很多，隨著數(shù)控技術(shù)的成熟及普及，模型制作教學(xué)中也開始使用數(shù)控雕刻機，不僅可以提高模型的加工速度，還可以提高其美觀度，并在培養(yǎng)和提高學(xué)生實際操作能力和綜合素養(yǎng)方面具有優(yōu)勢。數(shù)控創(chuàng)意雕刻教學(xué)，給學(xué)生提供了自主創(chuàng)意的空間，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，增加了學(xué)生實踐動手的機會，可使他們更好地與社會接軌，快速適應(yīng)工作崗位。

3 時與光的創(chuàng)意設(shè)計意義

隨著社會的發(fā)展，人們的生活得到了很大的改善與提高，思想理念也有所更新，人們開始再度注重起生活的品質(zhì)和情趣，對文化內(nèi)涵的需求也開始加大。家居裝飾的講究和擺設(shè)也進入多元化，許多融入文化情感元素的產(chǎn)品受到人們的青睞，讓人們產(chǎn)生共鳴同時，也帶給人們樂趣和溫馨。由于家裝的興起，其室內(nèi)的配套性時尚性深入人心，人們對家居生活中的藝術(shù)點綴也越來越受到重視，勢必要出現(xiàn)一些符合新生代人們的審美觀念和家居風(fēng)格。鐘表是我們家居必備品，不僅用來看時間，也成為了房間裝飾的一部分，創(chuàng)意鐘表更好的提升了家居品味。

伴隨著電子產(chǎn)品的普及，人們看時間的方式發(fā)生了很多變化，但市面上的鐘表大多仍以機械感、簡約感為表現(xiàn)特點，而且外觀雷同居多，不符合人們對鐘表個性化的需求，也不能與不同的室內(nèi)環(huán)境相協(xié)調(diào)，因此鐘表的設(shè)計也應(yīng)順應(yīng)潮流以符合人們生活方式和審美觀念為出發(fā)點，融入人們的真實情感，滿足人們精神需要和生活方式。

時與光的設(shè)計是從時間和燈光的角度來設(shè)計，充分發(fā)揮想象力，把對時間的珍惜，和對光的渴望情感融合在一起，使得時與光相互呼應(yīng)，給人以時光雖流逝溫暖依舊在的情懷。時與光的設(shè)計原料選用木材，木材在自然界分布較廣，取材容易，種類繁多，質(zhì)地堅而不軟，易加工且保存時間較長[6]。時與光的設(shè)計是將照明功能和鐘表形式統(tǒng)籌結(jié)合，既提供方便、準確地看時間的基本功能，又通過天然木材合理的搭配與設(shè)計，將綠色環(huán)保生態(tài)設(shè)計的理念貫穿在時與光的設(shè)計中，展示其裝飾性能和環(huán)保特性，與室內(nèi)環(huán)境中的家具及其他家居用品一起營造讓人滿意的綠色居家氛圍。

時與光的設(shè)計采用數(shù)控加工的浮雕制作工藝，選取天然木材為雕刻材料，保持材料的原生態(tài)，天然的木質(zhì)紋理豐富了設(shè)計作品的外觀樣式，也滿足了人們對天然原生態(tài)材料的追求。隨著新中式家居裝修風(fēng)格的引領(lǐng)，木質(zhì)雕刻制品受到了人們的廣大青睞，而且漸漸形成了一種時尚。時與光設(shè)計從自然出發(fā)，運用數(shù)控雕刻技術(shù)展現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計，體現(xiàn)了自然、環(huán)保、清新的風(fēng)格。

4 時與光的設(shè)計制作

4.1 基于浮雕的表盤制作

隨著社會對浮雕產(chǎn)品的需求日益增多，浮雕的設(shè)計加工在工業(yè)設(shè)計和日常生活中的應(yīng)用也日益廣泛[7]。從幾何空間角度分析，浮雕模型是一種外形輪廓與相應(yīng)的二維繪畫相吻合，在材料平面上雕刻出凹凸起伏形狀的一種雕塑三維模型。要使浮雕能夠表達出鮮明的立體感，就應(yīng)賦予其輪廓一定的高度，即在限定的空間內(nèi)根據(jù)二維繪畫所描述的內(nèi)容凸起或凹下，以便表現(xiàn)出這種立體感。目前國外雕刻CAD/CAM軟件主要有英國的Artcam、法國的Type3、美國的Mastercam Art等，國內(nèi)的雕刻軟件主要有精雕、文泰等[8]。

設(shè)計作品的二維效果圖。作品主體采用矩形輪廓，表盤采用圓形輪廓，以十二片花瓣作為表盤背景，十二片花瓣所指向的圓形燈珠作為表盤刻度，采用CAXA軟件進行繪圖，如圖1所示。

圖1 二維圖形

熟悉雕刻軟件，以精雕為例，進行基本的建模。將所繪制的二維圖另存為*.dxf文件，導(dǎo)入精雕軟件中，直接進入虛擬雕塑環(huán)境，選取繪制好的矩形外框，打開模型菜單下的新建模型命令，默認精度為0.1，點擊確定即可生成浮雕模型。

浮雕模型的填色及磨光。對表盤中每一片花瓣的輪廓線進行填色，按照花瓣從后到前的順序進行有序的填色，進入地圖顯示模式按照填色先后堆料，在進行單個花瓣邊緣堆料的時候盡量使用大直徑的刷子，保證花瓣邊緣的自然上翹。最后對細節(jié)進行調(diào)整，對輪廓邊緣使用“磨光”中的“僅去高”可以把鋒利的邊緣處理掉。

浮雕模型的完成。表盤中間花朵部分設(shè)計成浮雕樣式，效果如圖2所示。

圖2 浮雕模型

雕刻參數(shù)的設(shè)置并生成刀具路徑。定義浮雕模型的深度之后，設(shè)置刀具路徑，選擇模型要加工的范圍，加工所需要的刀具型號，刀具行走的路徑間距，最終生成刀具路徑，將其導(dǎo)出，生成所能使用的NC程序[9]。

輸出G代碼，用雕刻機進行雕刻。完成所有的刀具路徑設(shè)定后，將刀具路徑生成雕刻機識別的G代碼，可以用軟件仿真對模型進行加工模擬，如圖3所示。確認無誤后，將G代碼輸入到雕刻機中進行雕刻。

圖3 維宏軟件仿真過程

雕刻加工。將木材放在雕刻機平臺上，用夾具固定后，安裝合適的刀具，將刀具位置調(diào)整到加工原點，設(shè)定當前點為加工原點，加載G代碼文件，進行雕刻。雕刻過程如圖4所示。

圖4 浮雕加工過程

4.2 加工過程注意事項

1）加工參數(shù)的選擇與所選定的加工材料特性密切相關(guān)，不同的加工材料其加工參數(shù)設(shè)定也不盡相同。在不確定加工參數(shù)的情況下，可以先進行試樣雕刻，以便更準確的去設(shè)定加工參數(shù)。

2）機器主軸的轉(zhuǎn)速和刀具的進給速度也是雕刻的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到刀具的壽命和雕刻的效果。主軸的轉(zhuǎn)速要根據(jù)加工材料、刀具直徑和電機的輸出功率來確定。

3）雕刻中刀具進給量要適當，防止斷刀。對于厚度較厚的工件可以分多次切削以保證質(zhì)量[10]。

4）工件的裝夾要合理，避免刀具在加工過程中與夾具發(fā)生碰撞。另外，加工件夾緊后要在厚度方向上預(yù)留一定的加工余量。

5）加工前，加工原點的選定要合理[11]。

4.3 融入光元素到創(chuàng)意作品

將加工好的浮雕模型進行簡單的處理，用毛刷清理浮雕表面，然后逐次用粗細不同目數(shù)的木工砂紙對模型邊緣進行手工打磨，要求先用粗砂紙，后用細砂紙。要順著木的纖維方向打磨，直至理想效果。然后對模型進行著色上光，著色的方法主要是掌握木質(zhì)和花紋在顏料的覆蓋下還依然可見，有些木紋通過著色更加清晰。著色不僅是為了彌補某些木質(zhì)的不足或缺陷，而且還能起到豐富材料質(zhì)感美和作品形式美的作用，因此在作品上色時要酌情而定，要求盡量體現(xiàn)出作品內(nèi)容形式的需求，并符合天然木質(zhì)的種種美感。

作品采用兩種形式的照明方式，一種是點光源照明，按照表盤指示位置，設(shè)置十二個點光源，可以清晰的表示出時間位置，如圖5所示；第二種是LED光帶照明，將軟線的LED燈帶鑲嵌在表盤邊緣，起到墻壁燈的作用，散發(fā)的燈光柔和，即使在漆黑的夜晚也給人以溫暖，如圖6所示。兩種方式可以通過遙控器進行切換操作，使得人們可以在夜晚也清晰的看清時鐘，時間與燈光交相呼應(yīng)。

圖5 點光源照明

圖6 LED光帶照明

5 結(jié)束語

以“時與光”為主題對產(chǎn)品進行設(shè)計制造，充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)意想象能力，把自己對于光陰、對于生活的愛，轉(zhuǎn)化成為各種鮮活的元素，同時也融入了自己的文化情感，時與光的交相呼應(yīng)，蘊含了豐富的創(chuàng)意，體現(xiàn)了都市時尚的生活理念，增強了美觀趣味的視覺體驗，為家居生活增添了幾許藝術(shù)氣息的點綴，同時也提供了愜意、放松的休閑生活環(huán)境。模型制作過程以數(shù)控雕刻技術(shù)為基礎(chǔ)，選用天然木材為材料，充分保留了木材特有的紋理特色，采用浮雕形式制作模型主體，使得原本需要更多時間和人工的制造過程得以簡單化，并結(jié)合其他制作工序完成模型制作，不僅縮短了學(xué)生制作模型的時間，而且極大地提高了模型的美觀度。

[1]吳慧蘭,曾卓騏,張韻儀.基于CNC雕刻技術(shù)的工藝品設(shè)計與制作實驗[J].實驗室研究與探索,2014(12):229-232.

[2]周景斌,胡波,姚鵬.CNC雕刻機及其在木門生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2010,38(8):40-43.

[3]龍書寧.論數(shù)控雕刻技術(shù)在工藝品雕刻中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化,2015,(18).

[4]謝大康.產(chǎn)品模型制作[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5]殷麗清.CNC廣告雕刻機在家具模型制作中的應(yīng)用[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備,2016,(3):43-45.

[6]尹永恒,康淼,王立端.還原自然——創(chuàng)意藤木系列鐘表設(shè)計[J].生態(tài)經(jīng)濟,2016,(10):224-227.

[7]張武剛,楊武成.現(xiàn)代藝術(shù)浮雕模型設(shè)計及其數(shù)控加工[J].現(xiàn)代制造工程,2008,(8):38-40.

[8]袁園.數(shù)控雕刻軟件及加工技術(shù)概述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2009,(31):172.

[9]張文俊,李猛.基于CAXA軟件的平面圖像浮雕數(shù)控加工[J].機械工程師,2016,(3):65-66.

[10]陳勝,章海,李靜敏.雕刻機在CAM實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2009,(4):65-67．

[11]郭勇,陳玉霞,等.電腦雕刻機在模型制作實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備,2012,(6):66-68.