三維數(shù)字化建模在陶瓷生產中的應用

孫小涵 白雪

摘 要：三維數(shù)字化建模又叫3D模型。本文著重闡述了在陶瓷工業(yè)中進行數(shù)字化3D建模的方法。通過對傳統(tǒng)陶瓷產品進行數(shù)字化三維模型與雕刻的對比分析，認為數(shù)碼3D模型在陶瓷制造領域具有明顯的優(yōu)越性，可以有效地提高產品的設計速度、縮短產品開發(fā)周期、節(jié)省資源、降低成本。針對制造工藝中的主要問題提出解決方案。最后，結合實際的陶瓷產品設計實例，探討了三維數(shù)字化建模在陶瓷制造領域的應用和發(fā)展前景。

關鍵詞：三維；數(shù)字化建模；陶瓷生產

1 前言

美國的 Chuck Hull在80年代發(fā)明了3D印刷技術，這與傳統(tǒng)的切削和均質材料生產（如澆鑄）等工藝不同。這種方法是以三維模型為基礎，利用計算機對材料進行分層堆疊。三維數(shù)字化建模的特點是制造速度快，不受零件形狀的約束。它具有很好的應用前景，也是順應了未來發(fā)展的潮流。陶瓷材料的脆性和硬度都很高，在制造中易出現(xiàn)裂紋。另外，復雜的陶瓷部件也需要用模具進行成形。但是，由于模具制造費用較高，研發(fā)周期較長，很難適應不斷更新的產品。除了高分子材料和金屬材料之外，三維數(shù)字化建模在陶瓷材料方面也有了一定的突破。文章主要對目前常用的陶瓷三維數(shù)字化建模進行了綜述，并對其今后的發(fā)展方向進行了預測。

2三維數(shù)字化建模在陶瓷生中的應用范疇

一是利用三維數(shù)值模擬軟件進行正演模型的研究。主要采用三維數(shù)字模型軟件進行前向模型化，獲得相應的三維數(shù)據(jù)，再采用3D打印技術進行數(shù)據(jù)輸出；二是利用三維掃描器對模型數(shù)據(jù)進行掃描，再利用反向建模軟件對數(shù)據(jù)進行分析、修改、優(yōu)化、完善，從而獲得數(shù)據(jù)[1]。

三維數(shù)字化建模在傳統(tǒng)陶瓷領域的應用中起著舉足輕重的作用。你可以收集來自名作或古董的資料，并利用逆向成形軟件進行加工。同時，它還能基于3D資料對陶瓷產品進行革新。

3陶瓷3D打印技術

3.1漿料分批成形工藝

漿料分批成形工藝是一種比較簡單的三維陶瓷印刷工藝，與3D印刷中常用的 FDM工藝相似。一種與常規(guī) FDM工藝相似的方法，即利用毛細管流變儀將陶瓷粉與膠料混合，再由電腦控制層層擠出。在適當?shù)臏囟认拢瑢⒊尚偷牟考M行脫脂，并將其燒結制成末端部件。另一種是將陶瓷淤渣與陶瓷粉、膠粘劑按照一定的比例混合，然后在電腦的控制下，采用高壓氣體等方式將淤渣噴入到空氣中，使淤渣在空氣中逐漸形成一層一層的固化。該方法具有成本低廉、制造簡便、能實現(xiàn)多種物料混合使用的優(yōu)點。但由于最大漿徑的限制，其最小直徑常常受到限制，因而精度不高。

3.2噴墨印刷技術

噴墨印刷技術是由3D印刷技術發(fā)展而來。其基本原理與3D印刷技術相似。不同之處是，陶瓷制品的噴墨是陶瓷粉末，粘合劑，以及不同的添加劑，即陶瓷墨水。根據(jù)電腦指令，印刷頭一層一層地噴出陶瓷油墨。油墨迅速烘干和固化，形成一種特殊的層狀，再將壓力一次一次地噴出。

4傳統(tǒng)制作陶瓷的方法與數(shù)字化建模技術對比

在傳統(tǒng)的陶瓷制造中，首先要畫出產品的大小圖和三個平面。石膏開模機按設計圖紙將石膏模切開，再按石膏模澆鑄、修整、烘干、燒制等工藝組合而成。傳統(tǒng)的陶瓷制品的設計圖紙主要是用手畫或者是模仿，其工作量大、生產成本高、生產周期長，對工程整體進度造成了很大的影響。

現(xiàn)代三維數(shù)字化建模在陶瓷制品的造型中應用。設計人員與顧客進行了充分的交流，利用3D數(shù)碼造型軟件對陶瓷制品進行建模，并利用模型繪制軟件對陶瓷制品進行繪制。這樣可以更直觀、更清楚地了解陶瓷制品的材質、紋理等。

設計者可以利用3D數(shù)碼造型軟件進行建模，再利用繪制軟件來進行繪制，也可以利用3D打印輸出的數(shù)據(jù)模型來與顧客進行溝通。在顧客確定了產品的外形和作用后，可以進行下一步的制作。這樣可以縮短試樣的研制周期，降低試樣的制造費用，最后還可以提高制程的效率。

5三維數(shù)字化建模技術在陶瓷生產中的應用

5.1三維數(shù)字化建模的工作流程

首先，項目確定。設計人員按照顧客的需求，進行交流和制作工程素描。

其次，項目建模。設計人員在初步繪制完成后，選擇適合的三維模型軟件來進行模型化。比如， Rhino軟件就被廣泛地應用在陶瓷制品的制造中。比如，軟件經(jīng)常被用來制作人物模型，而雕塑軟件則經(jīng)常被用來雕刻某些產品的表面。設計人員可以依據(jù)用戶對陶瓷制品的造型特點，以及自身的造型習慣，選用合適的造型軟件。

其三，項目完善。針對用戶提出的修改建議，對三維數(shù)據(jù)模型進行了優(yōu)化，并結合產品的建模特征和用戶的要求，利用 KeyShot、V-Ray等渲染工具進行快速的繪制，為后期的產品開發(fā)提供了便利。

其四，項目優(yōu)化。這個階段的工作重點是制造精美的陶瓷制品。在此基礎上，對設計師們的選擇進行了優(yōu)化，比如陶瓷制品的裝飾性紙張設計，從而增加了陶瓷制品的附加價值。在此基礎上，對成品陶瓷與模型的收縮系數(shù)進行了研究。在建立數(shù)學模型時，必須將其放大。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)3D打印，并將其應用于實際生產中[2]。

5.2三維數(shù)字化建模的優(yōu)勢

三維數(shù)字化建模在陶瓷制品的制造中占有舉足輕重的地位。尤其是在陶瓷制品的仿造與創(chuàng)意設計方面，利用3D數(shù)碼模型與繪圖等相關的 CAD軟件，能讓顧客對虛擬產品進行完全的模擬與渲染，讓顧客能夠更好地進行產品的模擬與渲染，同時也能為以后的陶瓷模具的開模工作提供參考。

在設計時，設計師可以創(chuàng)造出具有創(chuàng)意的色彩，或者利用三維設計軟件，迅速、直觀地看到經(jīng)過反復思考的設計。利用3D數(shù)碼技術，可以使設計更多的方案得以實施，從而大大縮短了設計周期和提高了交易的效率。

5.3現(xiàn)代三維建模技術在陶瓷生產中的應用

在陶瓷工業(yè)中，現(xiàn)代三維數(shù)字化建模是以3D打印技術為基礎的。3D打印技術在陶瓷工業(yè)中的應用有兩個方面。一是利用3D印刷材料來印刷產品的模型，把它做成石膏，再把它注射到模具中，再用其它的傳統(tǒng)的陶瓷制造工藝來制造。二是直接制作。直接成形技術就是利用陶泥打印機，利用3D數(shù)碼模型的數(shù)據(jù)，將陶泥直接打印出來。這種方法可以印刷具有復雜形狀和復雜形狀的陶器。在烘干后，再采用傳統(tǒng)的陶藝工藝進行燒制，從而達到了提高生產效率、節(jié)約成本的目的。

6結語

利用三維數(shù)字化建模，實現(xiàn)了陶瓷產品的多種制造工藝。運用渲染技術，可以先展示由電腦3D數(shù)碼技術制造的陶瓷制品，這樣顧客就可以在陶瓷制造開始前就決定了。該技術解決了以往僅能提供樣品以供顧客鑒定的問題，節(jié)約了許多資源。隨著三維數(shù)字化建模技術的不斷發(fā)展，陶瓷產品的“智能化”已成為必然趨勢。這為陶瓷產品的開發(fā)開辟了更大的空間，促進了產品的多元化。

參考文獻：

[1] 林國枝. 三維數(shù)字化建模在陶瓷生產中的應用[J]. 科技傳播，2018，10（19）：128-129.

[2] 劉倩. 基于三維數(shù)字化技術的傳統(tǒng)工藝美術設計研究——以陶瓷琉璃設計實踐為例[D]. 北京：北京服裝學院，2015.