數(shù)字雕塑實(shí)體化造型初探

鄧威 隋榮婷

摘要：從雕塑工具發(fā)展的角度簡(jiǎn)述了數(shù)字雕塑實(shí)體化的發(fā)展過程，論述了在不同發(fā)展階段數(shù)字雕塑實(shí)體模型呈現(xiàn)的造型特點(diǎn)，介紹了用3D打印機(jī)和數(shù)控雕刻機(jī)制作雕塑的兩種方法和各自產(chǎn)生的藝術(shù)效果。數(shù)字雕塑的實(shí)體化技術(shù)正在發(fā)展中，科技的發(fā)展會(huì)使雕塑實(shí)體模型的寫實(shí)還原度越來越高，也會(huì)更加符合傳統(tǒng)藝術(shù)審美標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字雕塑;實(shí)體模型;造型藝術(shù)

中圖分類號(hào)：J3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：CN61-1487-（2019）07-0134-03

一、數(shù)字雕塑及其實(shí)體化

科技的進(jìn)步影響著各行各業(yè)的發(fā)展，藝術(shù)創(chuàng)作從來沒有像今天這樣同科技的進(jìn)步緊密結(jié)合。尤其是當(dāng)科技發(fā)展到信息化時(shí)代，科學(xué)與藝術(shù)變得越來越不可分割，二者相伴相生的關(guān)系決定了藝術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)化發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的雕塑藝術(shù)也不可避免地受到數(shù)字技術(shù)的沖擊，于是，數(shù)字雕塑應(yīng)運(yùn)而生。

數(shù)字雕塑作為新生事物，最開始并沒有被雕塑界所接受，可以說數(shù)字雕塑是在不斷的爭(zhēng)議和質(zhì)疑聲中發(fā)展起來的，其原因在于雕塑家崇尚眼見為實(shí)和觸手可及的切身感受，而早期的計(jì)算機(jī)技術(shù)在軟硬件方面都不能滿足雕塑家對(duì)作品的要求。雕塑家直接面對(duì)傳統(tǒng)材料所展現(xiàn)出來的質(zhì)感變化在數(shù)字模型中得不到應(yīng)有的體現(xiàn)，那時(shí)的軟件只能呈現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的基本幾何形體，而且在表現(xiàn)上也僅僅滿足于平面的展示。這種方式的雕塑只能通過渲染圖來表現(xiàn)，所以這個(gè)階段的數(shù)字雕塑基本就是以虛擬的方式示人。

在2010年前后，國(guó)內(nèi)一些科技公司將自己生產(chǎn)的微型3D打印機(jī)在網(wǎng)上銷售，試圖吸引一些具有前瞻思維的雕塑家嘗試使用3D打印機(jī)制作雕塑。但當(dāng)時(shí)的3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)的精度很低，只能達(dá)到0.3mm的打印厚度，而且打印質(zhì)量粗糙，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足雕塑家對(duì)形體質(zhì)量的要求。這個(gè)階段的打印機(jī)一般使用的都是不環(huán)保的ABS材料。由于精度低，模型表面有明顯的梯田效應(yīng)，材料相對(duì)堅(jiān)硬，需要人工花大量的精力打磨拋光，因而失去了數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)。此外，由于精度的限制，3D打印雕塑對(duì)細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)也不夠細(xì)致，肌理效果展示不出來，模型的效果只能體現(xiàn)雕塑的基本形態(tài)、大面轉(zhuǎn)折關(guān)系和基礎(chǔ)構(gòu)造，對(duì)于細(xì)節(jié)的刻畫基本實(shí)現(xiàn)不了，雕塑模型只能被稱為粗稿。這個(gè)階段的3D打印雕塑模型依然不被看好，雕塑家們覺得數(shù)字技術(shù)還是沒有傳統(tǒng)的方法和材料容易控制。但是一些獨(dú)特風(fēng)格的雕塑作品用計(jì)算機(jī)創(chuàng)作已經(jīng)可以被雕塑家所接受，比如極少主義的作品和抽象概念性的作品。這些作品都具有現(xiàn)代風(fēng)格，偏向幾何造型特點(diǎn)，這些特點(diǎn)恰好適合使用數(shù)字成型方法。相對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝來說，此類作品采用數(shù)字雕塑的實(shí)體化技術(shù)既省時(shí)省力，而且藝術(shù)還原度很高，達(dá)到了現(xiàn)代風(fēng)格的審美要求。

絕大多數(shù)的傳統(tǒng)雕塑呈現(xiàn)有機(jī)生動(dòng)自由的造型和細(xì)膩的表面質(zhì)感，而這階段的實(shí)體化技術(shù)呈現(xiàn)的雕塑缺乏人性化和傳統(tǒng)藝術(shù)的味道，距離雕塑家的要求相去甚遠(yuǎn)。傳統(tǒng)雕塑家追求的是一種傳統(tǒng)材料（比如粘土和石材）靜態(tài)的美感，對(duì)材料產(chǎn)生的塑痕感有很高的要求。塑痕感是藝術(shù)家所追求的能夠表達(dá)情感的重要語言，靠材料和雕塑家的雕塑技巧組合產(chǎn)生，并形成雕塑家自己的個(gè)性特征?？梢哉f，雕塑家的審美、技藝和材料的組合形成自己獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格。當(dāng)人們要欣賞這種風(fēng)格的時(shí)候，必須共同面對(duì)一個(gè)雕塑實(shí)體，這是一種直接的溝通方式。如果在實(shí)體上看不到雕塑效果，藝術(shù)家們就無法評(píng)價(jià)，創(chuàng)作出來的東西就不會(huì)被承認(rèn)。當(dāng)時(shí)的打印機(jī)技術(shù)確實(shí)達(dá)不到這種要求，因此數(shù)字雕塑沒有得到藝術(shù)家的普遍認(rèn)可。

近5年間，隨著3D打印技術(shù)的不斷提高，F(xiàn)DM打印機(jī)的精度可以達(dá)到低于0.1mm的層厚，其價(jià)格也非常親民。與此同時(shí)，類似ZBrush等雕塑軟件推出了強(qiáng)大的雕刻功能，支持在2D數(shù)位板上實(shí)施3D雕刻，方法上產(chǎn)生了飛躍式的進(jìn)步，使雕刻技巧更加貼近于手塑的效果。這個(gè)時(shí)期的3D打印機(jī)的材料也更加豐富，可以很好地表現(xiàn)出細(xì)膩的雕塑肌理，滿足了雕塑家對(duì)實(shí)體造型的基本要求。3D打印機(jī)在打印的尺寸上，雕塑模型高度也可以達(dá)到1米以上，打印大型雕塑整體效果更好。精度更高的像SLA打印機(jī)技術(shù)開始普及，很多大中專院校都配備了工業(yè)級(jí)的光敏樹脂打印機(jī)。這類打印機(jī)不僅精度高，打印速度快，而且是一體成型、無縫對(duì)接。3D技術(shù)的打印質(zhì)量發(fā)生了翻天覆地的變化，打印出來的雕塑符合了藝術(shù)家的審美要求。此時(shí)，數(shù)字雕塑實(shí)體化的條件基本具備了。

目前，3D打印機(jī)可供選擇的技術(shù)參數(shù)級(jí)別有很多，不同參數(shù)的打印機(jī)能實(shí)現(xiàn)的藝術(shù)效果也不同。使用者可以通過選擇和組合來定制屬于自己的打印機(jī)，滿足藝術(shù)家個(gè)人的審美需求。越來越多的雕塑家不再滿足于傳統(tǒng)手工方式，開始關(guān)注數(shù)字雕塑的發(fā)展和進(jìn)步，并選擇向數(shù)字化雕塑領(lǐng)域進(jìn)軍。一些傳統(tǒng)雕塑家對(duì)數(shù)字雕塑非常向往，普遍使用3D掃描儀進(jìn)行數(shù)字化處理。他們先用傳統(tǒng)泥塑的方式創(chuàng)作雕塑稿，利用由3D掃描儀數(shù)字化處理后形成的虛擬模型，再進(jìn)行實(shí)體放大等操作，從而節(jié)省了用泥塑放大的過程。實(shí)體化技術(shù)溝通了傳統(tǒng)雕塑和數(shù)字雕塑，一些真正意義的數(shù)字雕塑家開始完全使用計(jì)算機(jī)軟件來創(chuàng)作雕塑作品，他們對(duì)實(shí)體化輸出越來越關(guān)注。所以，3D輸出設(shè)備的技術(shù)參數(shù)也成為藝術(shù)家關(guān)注的指標(biāo)。

數(shù)字雕塑實(shí)體化的目標(biāo)是要高度還原數(shù)字雕塑虛擬模型的造型結(jié)構(gòu)，充分表現(xiàn)數(shù)字雕塑創(chuàng)作的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。這種實(shí)物模型檢驗(yàn)了雕塑設(shè)計(jì)者對(duì)造型結(jié)構(gòu)的把握，表達(dá)了雕塑設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作思想和情感，符合藝術(shù)的審美標(biāo)準(zhǔn)和雕塑的構(gòu)成特點(diǎn)，從而避免因?yàn)檩斎朐O(shè)備的局限性導(dǎo)致的3D模型的視覺偏差。

二、實(shí)體化數(shù)字雕塑的幾種方法和造型特點(diǎn)

目前，實(shí)體化數(shù)字雕塑方法分為增材和減材兩種，對(duì)應(yīng)的設(shè)備是3D打印機(jī)和數(shù)控雕刻機(jī)床。下面對(duì)比這兩種成型的方式和各自產(chǎn)生的造型特點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序并將其譯碼，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)床產(chǎn)生動(dòng)作加工零件。它能精確地反應(yīng)數(shù)字模型所表達(dá)的信息。數(shù)控雕刻機(jī)的精度與軸數(shù)、刀具的大小長(zhǎng)短、設(shè)置的步距有關(guān)。雕刻機(jī)的軸數(shù)越多，雕刻刀具的姿態(tài)就越豐富，能達(dá)到的效果就越好。雕刻機(jī)的刀具越長(zhǎng)，刀具直徑越小，雕刻的效果就越細(xì)致。而步距設(shè)置得越小，雕刻得就越精細(xì)，但雕刻速度卻相對(duì)降低了。對(duì)于雕塑模型來說，對(duì)藝術(shù)作品雕刻得越細(xì)，精度越高，還原度越好。這種雕刻機(jī)的優(yōu)勢(shì)是，在路徑上可以根據(jù)雕塑造型的形體方向規(guī)劃刀具的運(yùn)動(dòng)路徑和間距，并利用不同規(guī)格的刀路產(chǎn)生類似手工雕刻的肌理，同時(shí)具備手工難以達(dá)到的規(guī)范效果。同時(shí)，雕刻一個(gè)作品可以在不同時(shí)段使用不同規(guī)格的刀具，從粗雕刻到細(xì)雕刻過程可以單獨(dú)控制，這些特質(zhì)無疑使雕刻的作品更具豐富感。

數(shù)控雕刻機(jī)床是用刀具對(duì)硬質(zhì)材料雕刻，是一種減材性質(zhì)的冷加工方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是成型尺寸大、精度高、表面質(zhì)量高、強(qiáng)度和韌度高、還原度好，對(duì)于雕刻效果的實(shí)現(xiàn)最為理想。數(shù)控機(jī)床可以加工傳統(tǒng)的雕刻材料，比如石材、木材、金屬等等。當(dāng)然，使用數(shù)控機(jī)床的方法也存在明顯的缺點(diǎn)。一是材料利用率低，因?yàn)槭菧p材性質(zhì)的操作，必然會(huì)造成材料的浪費(fèi)。二是復(fù)雜造型結(jié)構(gòu)需要多次加工，太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)控機(jī)床是對(duì)一個(gè)實(shí)體材料進(jìn)行由外向內(nèi)的雕刻，如果外部造型產(chǎn)生限制，刀具就無法進(jìn)入內(nèi)部進(jìn)行雕刻。因此就需要對(duì)虛擬模型進(jìn)行切割，分別加工。而且，雕塑模型加工必須有固定的部分，才能起到固定和支撐作用，而這部分是不能被雕刻到的。這些不能被雕刻的固定部分也需要單獨(dú)雕刻，所以就產(chǎn)生了最后的整體拼接步驟。雕塑的整體拼接過程中必然要手工干預(yù)，從而造成雕刻精度下降和后期修補(bǔ)的現(xiàn)象。這個(gè)缺點(diǎn)決定了數(shù)控機(jī)床是個(gè)半自動(dòng)的方法。三是對(duì)操作人員有較高的技術(shù)要求。操作者要了解機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)：構(gòu)造組成部件、數(shù)控軸的分布和方向、零件的作用、輔助單元的功能;要掌握各按鈕功能和操作方法：功能的執(zhí)行、暫停、恢復(fù)、停止等;要懂得數(shù)控系統(tǒng)的控制原理、報(bào)警語句、指令輸入等，熟練使用機(jī)床的操作系統(tǒng)和加工軟件。機(jī)床操作人員的技術(shù)水平直接影響了雕塑模型是否能順利完成，因此十分重要。

另外還有一種適合于加工大型工件的CNC機(jī)械手臂，具有7個(gè)軸，有著很高的靈活度。機(jī)械手臂能雕刻出更多的面，能以特殊的角度深入到材料進(jìn)行雕刻，跟數(shù)控機(jī)床相比，更容易在狹小的空間里進(jìn)行多角度操作，從而實(shí)現(xiàn)更多變的造型效果。但是它在剛度和精度上不如數(shù)控機(jī)床，加工越硬的材料精度也越差，尤其像鋼材之類的材料是完全雕刻不了的，所以一般加工材料多以質(zhì)地較軟的泡沫苯板為主。

3D打印技術(shù)是一種增材性質(zhì)的熱加工方式，通過打印路徑編程軟件與數(shù)控系統(tǒng)，將專用的材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品。其打印原理就是，在三維模型垂直方向上單位高度內(nèi)對(duì)2D的投影切片進(jìn)行對(duì)齊羅列。這種造型原理突破了傳統(tǒng)制造方式的束縛，能夠?qū)崿F(xiàn)任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維造型，優(yōu)點(diǎn)不言而喻。目前比較普及的3D打印機(jī)類型就是FDM打印機(jī)與SLA打印機(jī)。FDM打印機(jī)主要使用ABS和PLA材料，特點(diǎn)是價(jià)格低廉，普及率高，速度較慢，打印精度一般，但是可以被大眾接受。SLA打印機(jī)主要材料是光敏樹脂，具有價(jià)格適中、速度更快、打印精度高等優(yōu)點(diǎn)，其效果更加細(xì)膩，但是打印出來的模型體積小，是小型數(shù)字雕塑的首選。要進(jìn)行大模型的制作，只能分割打印、手工拼接。其他像3DP打印機(jī)、SLS打印機(jī)、LOM打印機(jī)等，不同打印機(jī)的材料、精度、速度不同，打印模型的效果和帶來的藝術(shù)體驗(yàn)也不同。

數(shù)字雕塑要轉(zhuǎn)化為實(shí)體雕塑，需要根據(jù)模型的尺寸和設(shè)備的精度來選擇合適的實(shí)體化方法。一般來說，比較大型的雕塑應(yīng)該用數(shù)控雕刻機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)，材料選用泡沫苯板。開初階段用直徑16mm的大刀來雕刻基本的大形關(guān)系;然后用直徑10mm的圓刀精雕刻，其效果基本可以滿足正常距離下的造型要求;再精細(xì)化可以用6mm的刀具來實(shí)現(xiàn)肌理效果。但是，雕塑家對(duì)于一些細(xì)節(jié)表達(dá)有特殊要求時(shí)，比如寫實(shí)人物的面部和手部，可以將這些部位單獨(dú)完成，選擇0.3mm的層厚的FDM打印機(jī)完成局部的雕刻，然后把幾個(gè)部分拼接，完成整體作品。最后再用傳統(tǒng)的方法對(duì)雕塑進(jìn)行噴色，使其色調(diào)統(tǒng)一，就可以檢查雕塑的完整性了。雖然在數(shù)字實(shí)體化方法結(jié)束以后，還是用到傳統(tǒng)的手工修復(fù)方法，但是相比整個(gè)制作雕塑的過程都用傳統(tǒng)方法來看，數(shù)字化的方法使工作量大幅度減少，提高了效率。

對(duì)于體量比較小（1m高左右）的數(shù)字雕塑，可以全部采用FDM的3D打印方式，打印精度可以鎖定在0.2mm，其表面可以很細(xì)膩，能夠表達(dá)出豐富的塑痕效果。雖然不能避免出現(xiàn)梯田紋理，但效果絕對(duì)可以被雕塑家接受。此外，可以通過打磨有效去除梯田效應(yīng)。FDM還有一個(gè)現(xiàn)象就是隨著打印高度的增加，會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，從而影響高位的形體精度，加大梯田效應(yīng)的雜亂度，破壞表面造型效果，而寫實(shí)雕塑重要的面部往往位于雕塑形體的高位。解決的方法是將高位部分單獨(dú)分割，放在低位打印，然后用傳統(tǒng)方法連接。用SLA技術(shù)打印小型的數(shù)字雕塑是最好的選擇。盡管精度達(dá)到0.025mm還是避免不了梯田效應(yīng)，但是已經(jīng)非常不明顯了，在細(xì)節(jié)的表達(dá)上還是非常到位的。一些具備可以同時(shí)打印多種材料功能的SLA打印機(jī)，還能實(shí)現(xiàn)多彩的效果，藝術(shù)色彩表現(xiàn)更豐富。

三、實(shí)體化數(shù)字雕塑的發(fā)展方向

實(shí)體化數(shù)字雕塑現(xiàn)正處于起步階段，很多技術(shù)還處于試驗(yàn)階段，所以未來的技術(shù)一定會(huì)在已有的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)重大的飛躍。比如用沙子等廉價(jià)材料一次性打印大型雕塑;突破垂直方向的層打印模式，采用更加靈活的曲面打印實(shí)現(xiàn)曲面對(duì)打印軌跡的控制，以便達(dá)到通過表面肌理加強(qiáng)形體的效果;可以實(shí)現(xiàn)多打印頭同時(shí)打印;不同精度的打印模式并存;在一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)增材、減材技術(shù)，從而更好地實(shí)現(xiàn)用金屬材料復(fù)雜造型的一體化成型，從而徹底實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成數(shù)字雕塑最終材料的實(shí)體化進(jìn)程。

實(shí)體化技術(shù)是數(shù)字雕塑由虛擬到現(xiàn)實(shí)的重要手段，它不同于嚴(yán)格的工業(yè)零件標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字雕塑有自身對(duì)實(shí)體化設(shè)備的要求：首先，滿足藝術(shù)家要求的打印精度即可，視覺距離、尺度和時(shí)間決定了對(duì)設(shè)備精度的要求。尤其在大型雕塑的實(shí)體化過程中更應(yīng)該把握精度和尺度的協(xié)調(diào)關(guān)系。其次，充分利用實(shí)體化設(shè)備產(chǎn)生的痕跡效應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化成雕塑語言的一部分，把工業(yè)不能接受的缺陷問題轉(zhuǎn)化為數(shù)字雕塑藝術(shù)語言的獨(dú)特特征，可以理解為刻意追求設(shè)備產(chǎn)生的肌理效果。所以，實(shí)際上用于數(shù)字雕塑實(shí)體化的成型技術(shù)，并不一定非得出自高精尖的高檔設(shè)備，而根據(jù)實(shí)際情況選擇，就可以滿足數(shù)字雕塑家的實(shí)體化要求。

技術(shù)的發(fā)展會(huì)使雕塑實(shí)體模型的還原度越來越高，數(shù)字雕塑以其巨大的創(chuàng)作優(yōu)勢(shì)和矚目的實(shí)用功能，已經(jīng)成為雕塑領(lǐng)域重要的一部分。實(shí)體化過程成為數(shù)字雕塑與傳統(tǒng)雕塑溝通的橋梁，將起到越來越重要的作用。

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作者簡(jiǎn)介：鄧威（1969—），男，漢族，遼寧大連人，碩士，大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院教授、碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字雕塑與虛擬藝術(shù)。

隋榮婷（1984—），女，漢族，遼寧大連人，大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向?yàn)閿?shù)字雕塑與虛擬藝術(shù)。

（責(zé)任編輯：朱希良）