數(shù)字化在傳統(tǒng)陶瓷模具行業(yè)中的運(yùn)用

吳俊卿

摘 ?要 ?本文主要闡述了數(shù)字化設(shè)計(jì)、逆向工程技術(shù)以及3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)陶瓷模具行業(yè)中的開發(fā)與運(yùn)用。對(duì)比傳統(tǒng)模具制作，數(shù)字化的模具具有可重復(fù)性、可感知性等傳統(tǒng)模具不具備的條件，這些條件從一定程度上為陶瓷產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)提供了極大的便利

關(guān)鍵詞 ?數(shù)字化設(shè)計(jì);陶瓷模具;運(yùn)用

0 ?引 ?言

眾所周知，傳統(tǒng)陶瓷模具的制作非常依賴手工。因此，隨著自由設(shè)計(jì)師以及其他非陶瓷專業(yè)人才跨界加入陶瓷領(lǐng)域，傳統(tǒng)陶瓷迫切需要一種更為智能的生產(chǎn)方式。隨著數(shù)字化技術(shù)的愈發(fā)成熟，尤其是被稱為第四次工業(yè)革命的3D打印的商業(yè)化普及運(yùn)用，數(shù)字化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)在陶瓷模具領(lǐng)域越來越得到廣泛的運(yùn)用。

1 ?數(shù)字化設(shè)計(jì)及逆向工程

1.1正向建模

自二十世紀(jì)六十年代起，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design）開始得到運(yùn)用，并逐漸從二維開始向三維發(fā)展。目前，三維建模主要包括曲面建模（NURBS）和多邊形建模（ploygon）兩種方式，代表性的軟件包括Rhino、3D Studio Max、Auto-desk 123D等。三維建模最早主要應(yīng)用于機(jī)械、建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，利用三維建模技術(shù)可以更直觀地表現(xiàn)出形體造型、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，解決了部分從三維設(shè)計(jì)構(gòu)思到二維設(shè)計(jì)圖紙?jiān)俚饺S設(shè)計(jì)實(shí)體環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題。

1.2逆向設(shè)計(jì)（對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和完善）

逆向工程（reverse engineering，RE）作為設(shè)計(jì)的一種輔助手段，最早被用于機(jī)械、工程等科技領(lǐng)域，近年來，隨著技術(shù)的普及化，逆向工程在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域被得到越來越廣泛的運(yùn)用。逆向工程是指從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而開發(fā)出同類的先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)。根據(jù)設(shè)備是否和實(shí)物接觸，可分為接觸式和非接觸式2類。目前最為普及的設(shè)備是非接觸式三維掃描儀，包括激光和拍照式兩種掃描方法。在得到產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型后，利用CAD技術(shù)得到相同、相似或優(yōu)于原產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，再結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助制造CAM（computer Aided Manufacturing）技術(shù)，得到相關(guān)的實(shí)體模型。逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)、深度開發(fā)中被得到了廣泛的運(yùn)用。

2 ?傳統(tǒng)陶瓷模具

根據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，陶瓷模具作為一種輔助成型手段，在新石器時(shí)代就已經(jīng)出現(xiàn)，稱之為陶范，制作方法為敷泥法，即內(nèi)模成型。至春秋戰(zhàn)國時(shí)期，模制法采用外模，并且有單模、合模之分，與從前采用內(nèi)模的制法有明顯差別。

2.1傳統(tǒng)陶瓷模具的制作方法

陶瓷模具根據(jù)其在生產(chǎn)過程中的實(shí)際作用，一般分為母模和子模，即模種和模具。首先運(yùn)用捏塑或車削等方法制作出所需要的造型實(shí)體，即母模;然后根據(jù)造型的復(fù)雜程度，對(duì)母模進(jìn)行分片翻模制作出陰模，即子模。材料一般包括兩類，即泥坯模具和石膏模具。

陶瓷行業(yè)發(fā)展至今，生產(chǎn)分工都很明確，不論在工廠或是產(chǎn)區(qū)，模具的制作都有專門的部門進(jìn)行制作，設(shè)計(jì)師一般只需要提供相應(yīng)的圖紙，即可進(jìn)行模種和模具的制作。

2.2傳統(tǒng)陶瓷模具的局限性

傳統(tǒng)陶瓷模具的制作方法一般都是由設(shè)計(jì)師提供圖紙，再由專門的部門將二維的圖紙制作成立體的泥稿或石膏模種，然后再對(duì)模種進(jìn)行翻模，最后得到生產(chǎn)用的模具。由于設(shè)計(jì)師和制作者在通常情況下并非由同一人完成，便不可避免地可能會(huì)出現(xiàn)造型理解上的誤差，因此，為了達(dá)到最理想的狀態(tài)，在模種的制作環(huán)節(jié)需要設(shè)計(jì)師和制作者之間的反復(fù)溝通，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的生產(chǎn)周期延長。并且，由于陶瓷的特性，在生產(chǎn)過程中存在收縮的問題，實(shí)際尺寸和模具尺寸存在一定的縮放比，因此對(duì)于一些不是長期在生產(chǎn)線上的設(shè)計(jì)師而言，一般很難把握好生產(chǎn)出的陶瓷產(chǎn)品的容量、尺寸等物理數(shù)據(jù)，特別是對(duì)于一些對(duì)容量要求特別高的日用陶瓷而言，哪怕一些經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師也很難把握。

另外，傳統(tǒng)的陶瓷模種一般都是以泥或石膏為材質(zhì)的，由于材質(zhì)的原因，這樣的模種十分容易損壞，即使在沒有受到外界撞擊的情況下也會(huì)受溫度、濕度的影響產(chǎn)生風(fēng)化、剝落等問題，并且隨著模種數(shù)量的不斷增多，對(duì)于保存這些模種也會(huì)消耗掉相當(dāng)大的空間和人力資源。模種的損壞、保存等問題也會(huì)間接影響到該模種的二次利用，假如模種已經(jīng)損壞或丟失，在圖紙依然存在的情況下也很難制作出一模一樣的模種，這就會(huì)導(dǎo)致前后產(chǎn)品造型上的差異，從而影響生產(chǎn)銷售。

3 ?數(shù)字化模具的種類及優(yōu)勢開發(fā)

區(qū)別于傳統(tǒng)模具先由設(shè)計(jì)師繪制二維圖紙，再有專門部門手工打樣制作模種的制作方式，數(shù)字化的模具一般由設(shè)計(jì)師利用三維設(shè)計(jì)軟件直接繪制產(chǎn)品的立體效果圖，再通過機(jī)械加工的方式得到模種。

3.1數(shù)字化模具的加工方式

目前普遍的加工方式主要包括兩種：數(shù)控加工和3D打印。數(shù)控加工是模具零件加工的主要方法，如數(shù)控車削加工、數(shù)控銑削加工、數(shù)控線切割加工、數(shù)控電火花加工等。數(shù)控加工工藝具有精度高、加工表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。而且，數(shù)控加工的材料可選擇性強(qiáng)，多使用pvc、酚醛樹脂等強(qiáng)度較高的材料，因此在最后得到的模種質(zhì)量往往比較高，并且不易損壞。數(shù)控加工的方式適用于大部分日用陶瓷模具的制作，但是對(duì)于一些造型復(fù)雜的雕塑，由于其本身機(jī)械結(jié)構(gòu)上的原因，便無法進(jìn)行加工。

3D打?。?D-printing）也稱為增材制造（additive manufacturing，AM），增材制造技術(shù)是通過CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，它是一種“自下而上”材料累加的制造方法。這種制造方式不受造型的約束，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》認(rèn)為它“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”。相對(duì)數(shù)控加工，3D打印目前的劣勢主要在于精度相對(duì)較低，因此3D打印目前大多還是被應(yīng)用于設(shè)計(jì)的手板和驗(yàn)證環(huán)節(jié)。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印的速度和精度不斷提高，成本逐漸降低，因此在制作一些體積不大的復(fù)雜造型時(shí)，可以運(yùn)用3D打印的方式。

3.2數(shù)字化模具的優(yōu)勢

對(duì)比兩種模具的制作方式可以看出，相對(duì)傳統(tǒng)模具“設(shè)計(jì)師-圖紙-手工打樣-模種”的制作方式，數(shù)字化模具是“設(shè)計(jì)師-圖紙-機(jī)械加工-模種”的制作方式，因此在最后得到的模種造型上，數(shù)字化模具的造型相對(duì)會(huì)更接近于設(shè)計(jì)師的預(yù)想，并且由機(jī)械代替手工制模，可以節(jié)約設(shè)計(jì)師和制作者之間的溝通時(shí)間，從而提高效率。

采用3D打印技術(shù)制作的數(shù)字化模具，可以將陶瓷產(chǎn)品的各個(gè)部件，例如：壺身、壺把、壺嘴連接在一起進(jìn)行一體打印，從而對(duì)成品的使用舒適程度、整體造型進(jìn)行整體把握，并且通過結(jié)構(gòu)分析，可以對(duì)后續(xù)生產(chǎn)過程中可能遇到的問題及時(shí)修改設(shè)計(jì)方案;利用3D打印技術(shù)，還可以將模具做成1：1的空心模型，從而來測算生產(chǎn)后的實(shí)際容積，對(duì)于一些高檔咖啡具、茶具的生產(chǎn)可以節(jié)約大量的打樣、驗(yàn)證所帶來的時(shí)間和成本。

對(duì)于一些根據(jù)實(shí)物來進(jìn)行打樣的產(chǎn)品，例如對(duì)紋樣、造型的移植與再設(shè)計(jì)，一般的制作方式都是由經(jīng)驗(yàn)豐富的師傅參考實(shí)物，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和審美進(jìn)行打樣，然后翻制模具，最后進(jìn)入生產(chǎn)制作環(huán)節(jié)，因此，在造型的仿真度上會(huì)存在一些誤差。借助逆向工程技術(shù)，通過三維掃描，將需要仿制的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字模型重建，所得到的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行陶泥3D打印或進(jìn)行cnc雕刻來開發(fā)母模。這種工藝目前已被普遍運(yùn)用到文物修復(fù)、文創(chuàng)產(chǎn)品開發(fā)等領(lǐng)域，在陶瓷行業(yè)中的運(yùn)用也正在越來越普遍化。

在高強(qiáng)度的生產(chǎn)當(dāng)中，石膏模具具有一定的使用壽命，因此，一般的陶瓷生產(chǎn)企業(yè)都會(huì)配備專門的模具制作部門，專門負(fù)責(zé)制作生產(chǎn)中所需要的模具。模具的翻制自然離不開模種，傳統(tǒng)的模種一般也都是由石膏制作而成，因此也都具有一定的使用壽命，長時(shí)間存放導(dǎo)致的老化或者一旦損壞就需要重新制作，手工制作必然會(huì)產(chǎn)生前后模種的差異化，而利用數(shù)字化來制作模種恰好能解決這一點(diǎn)，只要對(duì)數(shù)據(jù)保存得當(dāng)就可以重復(fù)制作，并且數(shù)字化模種在材料方面選擇更為廣泛，不但可以制作傳統(tǒng)的石膏模種，并且可以制作耐用度更強(qiáng)的硬質(zhì)塑料、金屬等材料的模種，對(duì)于這類模種的保存相對(duì)于石膏模種也更為相對(duì)容易，不易出現(xiàn)風(fēng)化、磨損等問題。

3.3數(shù)字化模具的劣勢

通過數(shù)字化來制作模具的這種方式，近幾年在德化、景德鎮(zhèn)、宜興等陶瓷產(chǎn)區(qū)已經(jīng)相當(dāng)普遍，這種制作方式對(duì)于一些大中企業(yè)具有很強(qiáng)的適用性，但是相對(duì)于一些中小企業(yè)以及個(gè)人作坊而言，采用數(shù)字化來制作模具的方式有時(shí)候反會(huì)帶來成本上升、延長制作周期等問題。具體原因有以下幾個(gè)方面：

（1）數(shù)字化模具的制作對(duì)設(shè)備的依賴性高。大中企業(yè)通常會(huì)有專門的設(shè)計(jì)、開發(fā)部門，因此從設(shè)計(jì)、繪圖、建模到制作一般都在本廠由專業(yè)性較高的技術(shù)人員完成，設(shè)計(jì)到制作一系列過程協(xié)調(diào)性好、效率高。而中小企業(yè)和個(gè)人作坊往往沒有資金投入到其中，因此一般都是采取代加工的方式來進(jìn)行制作，在陶瓷行業(yè)內(nèi)，這類代加工目前還沒有專門的工廠，一般都是模具作坊的一個(gè)服務(wù)項(xiàng)目，因此在模種制作的品質(zhì)、時(shí)效上不能得到保證。

（2）數(shù)字化模具的制作對(duì)專業(yè)性要求高。傳統(tǒng)石膏模具的制作是通過車削來完成的，制作工藝較為簡單，并且制作過程中可以對(duì)模種的造型進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察，進(jìn)行即時(shí)性的修改。而數(shù)字化的模具是根據(jù)圖紙，通過建模-制作兩個(gè)步驟來完成的，制作者根據(jù)圖紙或者實(shí)物進(jìn)行建模，得到加工所需要的數(shù)據(jù)。需求者通過觀察虛擬數(shù)據(jù)來判斷是否符合要求，這種觀察顯然不如傳統(tǒng)制作方式來得直觀，因此需要具有較強(qiáng)的造型把控能力和三維想象能力。

4 ?未來數(shù)字化模具在陶瓷行業(yè)中的發(fā)展趨勢

4.1造型上的創(chuàng)新

三維造型設(shè)計(jì)運(yùn)用的領(lǐng)域非常廣泛，包括動(dòng)畫、建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)等。陶瓷作為一種成型方式多樣、可塑性強(qiáng)的加工材料，可以結(jié)合其它行業(yè)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，例如動(dòng)畫行業(yè)的cg人物設(shè)計(jì)、建筑行業(yè)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，結(jié)合3D打印、數(shù)字化加工等方式，通過跨學(xué)科的交叉結(jié)合，創(chuàng)作數(shù)字化與傳統(tǒng)相結(jié)合的陶瓷作品。

4.2共享平臺(tái)，助力設(shè)計(jì)

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字化的制造方式得到越來越廣泛的運(yùn)用。但是由于其專業(yè)性較強(qiáng)，并且對(duì)設(shè)備的依賴程度高，在中小企業(yè)以及個(gè)人作坊中還未得到廣泛運(yùn)用。因此，可以通過搭建共享平臺(tái)，提供專業(yè)的繪圖與加工服務(wù)，共享設(shè)計(jì)師和加工制造，為生產(chǎn)者提供便利。

參 考 文 獻(xiàn)

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Application of digitization in traditional ceramic mold industry

Wu Junqing

（Wuxi Institute of Arts and Technology，JiangsuYixing 214206）

Abstract ?This paper mainly describes the development and application of digital design， reverse engineering technology and 3D printing technology in traditional ceramic mold industry. Compared with traditional mold making， digital mold has the conditions that traditional mold does not have， such as repeatability and perceptibility. To some extent， these conditions provide great convenience for the innovation and development of ceramic products.

Key words ?Digital; design Ceramic; mold