基于3D打印產(chǎn)品的嶺南灰塑藝術(shù)研究*

文/楊輝（惠州學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院）

嶺南灰塑所呈現(xiàn)出獨(dú)有的非物質(zhì)文化藝術(shù)價(jià)值，是中華傳統(tǒng)建筑裝飾的重要組成部分。

在當(dāng)代建筑的沖擊下，灰塑裝飾面臨著如何生存、如何發(fā)展的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，如果還只是依賴(lài)于傳統(tǒng)建筑而生存，在其生存的廣度、深度、灰塑工匠的人員培養(yǎng)以及經(jīng)濟(jì)因素等方面，必然受到極大限制?；诖?，通過(guò)對(duì)嶺南灰塑現(xiàn)狀的深入考察分析，本文從3D打印角度研究灰塑藝術(shù)，拓展了灰塑的應(yīng)用領(lǐng)域，有助于灰塑的傳承和發(fā)展。

一、嶺南灰塑藝術(shù)現(xiàn)狀

對(duì)于嶺南灰塑，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從灰塑起源、裝飾題材、裝飾紋樣分析、工藝特征、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)及美學(xué)等角度展開(kāi)研究。也有部分人員從建筑材料、材料配方、灰塑材料的環(huán)保性能及材料制備方法等方面入手研究灰塑的黏結(jié)作用以解決石灰熟化、陳化方面出現(xiàn)的問(wèn)題。國(guó)外學(xué)界對(duì)于灰塑研究多從歷史文物建筑的原真性保護(hù)、應(yīng)用角度進(jìn)行。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的研究，形成了世界公認(rèn)的經(jīng)典文件如《雅典憲章》《威尼斯憲章》等文件，提出了歷史文物建筑的原真性保護(hù)，成為保護(hù)文物建筑及歷史地段的國(guó)際原則，實(shí)現(xiàn)了由原真性保護(hù)的理論層面到提出傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展管理實(shí)踐層面的轉(zhuǎn)變[1]。這些研究成果對(duì)本文研究都有很大的借鑒作用。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）既有研究集中于保護(hù)傳承領(lǐng)域，對(duì)灰塑創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化和創(chuàng)新性發(fā)展等問(wèn)題關(guān)注度不夠。（2）方法上多使用實(shí)地調(diào)查法、文獻(xiàn)法，少見(jiàn)實(shí)驗(yàn)法、定性與定量分析法、比較法。（3）運(yùn)用3D打印工藝應(yīng)用在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)膠凝材料類(lèi)的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究可借鑒的成功案例少。

二、適用于3D 打印機(jī)的灰塑配方

本文公開(kāi)了一種基于3D打印機(jī)的灰塑材料及其制備方法和應(yīng)用，材料包括以石灰膏為主要原料，配以竹纖維本色卷紙、紅糖、糯米粉、石膏灰、精選細(xì)沙等天然材料以及適量的石膏緩凝劑輔助材料，事先經(jīng)過(guò)將近三個(gè)月浸泡、發(fā)酵、糅合等工序制作而成。本灰塑配方天然無(wú)污染，可適應(yīng)目前室內(nèi)外的裝飾要求。不僅具有耐酸、耐堿、耐高溫、吸濕、防潮等特點(diǎn)，而且還有很好的環(huán)保功能、耐久性抗腐蝕性和可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，材料良好的流動(dòng)性和韌性能較好地滿(mǎn)足基于膠凝材料的3D打印機(jī)需要。

（一）配方比例

基于3D打印機(jī)的灰塑材料，按重量份計(jì)算，石灰90-110份、石膏20-35份、紅糖1-3份、竹纖維本色卷紙1-2份、精選細(xì)沙8-12份、水35-40份、糯米粉2-4份、石膏緩凝劑1-2份。

（二）制備方法

適用于3D打印機(jī)的灰塑材料的制備方法包括以下步驟：（1）把竹纖維本色卷紙浸透，攪爛成為紙筋；（2）用清水浸泡生石灰，再過(guò)濾除去沙石雜質(zhì)使其成為石灰膏；（3）按比例加入紅糖、糯米粉、精選細(xì)沙和石膏緩凝劑，充分?jǐn)嚢柚钡郊?xì)膩柔滑；（4）將步驟（2）攪拌好的石灰膏與步驟（1）所得紙漿混合并攪拌均勻，密封20天左右完成材料配方的制作；（5）需要使用時(shí)攪拌，然后取出進(jìn)行充分糅合直至變成勁性好流動(dòng)性強(qiáng)的灰塑材料。

所述制備的灰塑材料在3D打印機(jī)處理上應(yīng)用的步驟包括：（1）將3D打印機(jī)的材料桶壁表面處理干凈后，用制備的灰塑材料裝進(jìn)材料桶并設(shè)法把材料均勻放置在打印軸周?chē)看魏穸炔怀^(guò)30厘米；（2）在步驟（1）完成后在打印機(jī)控制臺(tái)執(zhí)行打印，打印機(jī)噴頭的大小可以根據(jù)模型對(duì)象選擇0.8厘米或1.0厘米或1.5厘米。（3）沙盤(pán)模型打印完成后必須對(duì)打印機(jī)進(jìn)行清洗。

三、SketchUp建模

SketchUp是一款用于建筑設(shè)計(jì)的軟件,具有界面簡(jiǎn)潔、功能強(qiáng)大、任意拉伸、創(chuàng)建等高線(xiàn)、貝塞爾曲面等優(yōu)點(diǎn)。在SketchUp中建立三維模型能自動(dòng)識(shí)別設(shè)定的線(xiàn)條，加以自動(dòng)捕捉，可以輕松做到畫(huà)線(xiàn)成面，而后擠壓成型。其中SketchUpG3增強(qiáng)版的專(zhuān)用渲染器 Podium，不僅提高了Sketchup對(duì)cad圖紙的處理效率，也使設(shè)計(jì)師在使用Sketchup時(shí)面臨的快速建立復(fù)雜曲面模型、快速利用等高線(xiàn)建立地形等問(wèn)題時(shí)有了更為快捷簡(jiǎn)便的工具。本文將從灰塑模型的構(gòu)思、建模及出圖三個(gè)階段來(lái)探討SketchUp在造型設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用。

（一）繪制二維圖形

根據(jù)設(shè)計(jì)模型的底面尺寸，利用點(diǎn)擊線(xiàn)條工具或矩形工具勾勒出底面輪廓，并保證輪廓首位在同一平面內(nèi)相接，這樣會(huì)形成建筑模型的二維平面圖（圖1） 1所示；點(diǎn)擊卷尺工具繪制任意輔助虛線(xiàn)作為基準(zhǔn)線(xiàn)；也可以由 AutoCAD 或者Illustrator軟件構(gòu)建模型平面圖， 然后可將其直接導(dǎo)入SketchUp 軟件， 同時(shí)將導(dǎo)入的文件細(xì)節(jié)修改，把 DWG文件中不需要的線(xiàn)條、圖層刪去，避免線(xiàn)條多、雜亂而產(chǎn)生差錯(cuò)。

圖1 模型二維平面圖

（二）繪制三維圖形

利用SketchUp 中拉伸工具對(duì)已形成的平面進(jìn)行拉伸，迅速形成三維立體效果（圖2）。以此類(lèi)推，方框內(nèi)方格的繪制可以通過(guò)在指定面上繪制一個(gè)矩形，使用拉伸工具拉伸出方格整體的高度和寬度[2]。若要對(duì)群組再做編輯，需要雙擊進(jìn)入群組，編輯完成后單擊左鍵退出群組。

圖2 拉伸出三維圖形

（三）填充材質(zhì)

為了讓灰塑模型更加逼真，可以為模型填充材質(zhì)。單擊油漆桶工具，可以從材質(zhì)對(duì)話(huà)框選擇合適的材質(zhì) ( 如石灰)，點(diǎn)擊材質(zhì)所在的面即可；也可以用外部材質(zhì)圖片填充到模型的面上。因?yàn)榛宜芡ǔ３拾咨?，這里我們可以不用選擇材質(zhì)。

（四）模型美化

對(duì)模型進(jìn)行美化，可利用“窗口”菜單中來(lái)改變模型風(fēng)格、增加陰影霧化效果等達(dá)成，還可以設(shè)計(jì)制作模型的外圍環(huán)境，主要包括邊框、裝飾線(xiàn)條等。

（五）模型輸出

所有制作工序完成后，可以利用SketchUp 軟件的導(dǎo)出功能，生成.stl格式的三維圖，以供3D打印機(jī)的切片軟件識(shí)別。

四、3D打印機(jī)打印灰塑模型

要進(jìn)行快速成型的光固化3D打印，就必須要對(duì)灰塑模型（圖1、圖2）進(jìn)行切片。首先將所建模型輸出為3D打印機(jī)切片軟件可識(shí)別的.stl格式，然后通過(guò)切片軟件對(duì)模型切片后，另存為3D打印機(jī)控制臺(tái)可識(shí)別的.gCode代碼格式，最后通過(guò)使用光固化3D打印機(jī)完成打印。如果所建模型出現(xiàn)穿模、重合、虛體等情況（圖3、圖4），3D打印機(jī)的切片軟件則默認(rèn)這些缺點(diǎn)是有效的，這樣切片出來(lái)的模型，如果直接打印則有可能出現(xiàn)缺角、缺邊、缺面等情況，因此模型制作過(guò)程中如何有效地對(duì)灰塑形體的整體設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)處理尤其重要。

（一）灰塑材料選擇

在此次灰塑打印實(shí)驗(yàn)中，所生成的對(duì)象即為嶺南傳統(tǒng)建筑裝飾構(gòu)件，材料選擇本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的適用于3D打印機(jī)的以石灰為主材的灰塑材料（圖5），主要從材料流動(dòng)性、膠凝時(shí)間、壓力加工和工藝性等多種性能來(lái)綜合考慮。其中，加工工藝的性能優(yōu)劣尤其關(guān)鍵，它直接影響著灰塑作品建造后所呈現(xiàn)的效果。結(jié)合此次灰塑實(shí)驗(yàn)的主題，本團(tuán)隊(duì)利用灰塑膠凝材料和3D 打印技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)建筑裝飾構(gòu)件進(jìn)行建造，在選取 3D 打印可選用的材料中，就打印灰塑工藝、模型選擇等多方面因素進(jìn)行綜合考慮，確定符合打印灰塑的材料自身必須具有比較好的流動(dòng)性、韌性、耐高溫、耐酸堿性及較好的抗壓強(qiáng)度?；趯?duì)這幾點(diǎn)的綜合考慮，在多次試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研發(fā)了具有很好的環(huán)保功能、耐久性抗腐蝕性和可操作性強(qiáng)的灰塑材料。

圖5 材料

（二）打印機(jī)選擇

對(duì)于打印灰塑材料，主要使用本團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室中的FY3D-SN213D打印機(jī)進(jìn)行打印，這臺(tái)可以輸出尺寸為1500×2000mm的3D打印機(jī)設(shè)備由寧波高新區(qū)方元三維科技有限公司工程師吳小兵主持研發(fā)。目前，該公司研發(fā)了多種膠凝材料的3D打印機(jī)，產(chǎn)品為多所高校及設(shè)計(jì)院工作所青睞。基于此，針對(duì)本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的灰塑試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂赡艹霈F(xiàn)的打印問(wèn)題，最終選擇使用該公司研發(fā)的FY3D-SN213D打印機(jī)對(duì)灰塑模型進(jìn)行打印實(shí)驗(yàn)。

（三）灰塑3D打印實(shí)驗(yàn)

1.三維模型的處理

將繪制完成的灰塑模型整體縮放為高 8 厘米的尺寸，再導(dǎo)出為.stl格式，然后導(dǎo)入3D打印機(jī)切片軟件對(duì)模型進(jìn)行切片處理。同樣的模型，切片參數(shù)不一樣，所切出的圖形精度也不同（圖3、圖4）。這個(gè)過(guò)程中同時(shí)還要設(shè)定打印速度、打印口徑及分層級(jí)數(shù)等。在以上步驟完成后，再將打印模型導(dǎo)出為3D打印機(jī)默認(rèn).gcode格式，才能形成打印模型。最后把.gcode格式的打印模型存入U(xiǎn)盤(pán)。

圖3 切片之一

圖4 切片之二

2.打印過(guò)程

當(dāng)U盤(pán)插入打印機(jī)控制器顯示判斷可以打印后，就可以打印了，在執(zhí)行打印前，必須先得人工往打印桶里添加灰塑材料，同時(shí)注意得把打印材料沿著打印中軸周?chē)伨鶆虿⒈M量設(shè)法把材料填充到打印桶底，以保證材料能夠飽滿(mǎn)地接觸打印軸，這一步工序完成后再檢測(cè)打印機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常（圖6），確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后才能夠正式打印模型。執(zhí)行打印按鈕后，3D打印機(jī)就會(huì)根據(jù)灰塑模型數(shù)據(jù)自行運(yùn)算，計(jì)算出打印的路徑和動(dòng)作。然后3D打印機(jī)就會(huì)采用逐層打印、堆疊成型的模式進(jìn)行實(shí)體打印，打印頭沿水平或者垂直方向移動(dòng)逐層打印直至模型打印完成（圖7）。這個(gè)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員需要仔細(xì)觀(guān)察打印過(guò)程，對(duì)打印過(guò)程中的各種情況如材料的流動(dòng)性、干濕、打印噴頭擠出材料的粗細(xì)和速度等進(jìn)行詳細(xì)記錄，以供后期分析。

圖6 打印前檢測(cè)

圖7 模型打印

3.后期細(xì)節(jié)處理

灰塑材料屬于膠凝材料范疇，在3D 打印過(guò)程中，灰塑模型偶爾會(huì)出現(xiàn)瑕疵的現(xiàn)象，特別是在打印弧面處時(shí)，表面會(huì)存在材料變細(xì)、變粗或者粗糙的情況。因此，在完成所有實(shí)體打印之后，還需要對(duì)打印出來(lái)的實(shí)體模型進(jìn)行后期處理（圖8），也可以等成品干到一定程度利用打磨工具對(duì)模型邊緣進(jìn)行打磨等深化處理。

圖8 后期初步處理

4.實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析

報(bào)告分析內(nèi)容包括：

（1）分析灰塑打印工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，包括材料收縮與膨脹、材料干濕、材料在打印過(guò)程中流動(dòng)性及打印噴頭口徑粗細(xì)對(duì)材料擠出的影響等。

（2）噴頭溫度對(duì)材料的影響。噴頭溫度決定了灰塑材料的黏結(jié)性能、堆積性能、凝固時(shí)間以及噴頭擠出材料的寬度，溫度設(shè)定太高會(huì)加速材料的凝固，致使材料有可能在噴頭擠出前就會(huì)硬化的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明，本實(shí)驗(yàn)將噴頭溫度設(shè)定為45℃是合適的打印溫度。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，總結(jié)打印過(guò)程中對(duì)模型成型精度的影響，包括切片的分層數(shù)、分層厚度的設(shè)定對(duì)打印的影響。因?yàn)榇蛴『穸葧?huì)在成形后的實(shí)體表面產(chǎn)生臺(tái)階的現(xiàn)象，將直接影響成形后實(shí)體表面粗糙度，比較理想的做法就是通過(guò)設(shè)定較小的分層厚度來(lái)減少臺(tái)階效應(yīng)。

五、結(jié)論

3D打印在建筑領(lǐng)域、工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用已初顯規(guī)模，但高校對(duì)建筑形態(tài)的研究及3D打印建筑裝飾，基本上均處于實(shí)驗(yàn)階段。而從灰塑裝飾角度探索3D打印在傳統(tǒng)建筑基本構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用特別少，且無(wú)基本的系統(tǒng)理論模式可借鑒。本文根據(jù)本團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室中3D打印機(jī)能打印膠凝材料的特點(diǎn)，從灰塑材料配方的研發(fā)出發(fā)，探索適合3D打印的嶺南灰塑新形態(tài)，試圖為嶺南灰塑的傳承和發(fā)展尋找一條新的出路。這一探索對(duì)于傳統(tǒng)灰塑裝飾的設(shè)計(jì)創(chuàng)作不僅在方法論上提供現(xiàn)實(shí)意義，而且為灰塑裝飾的創(chuàng)新應(yīng)用提供了新思路，有利于灰塑藝術(shù)的傳承和發(fā)展。