三維數(shù)字技術(shù)在瓷塑模具生產(chǎn)中的應(yīng)用

涂培佳

摘 要： 通過對(duì)德化傳統(tǒng)陶瓷模具設(shè)計(jì)方法與制造工藝進(jìn)行分析，采用項(xiàng)目法及三維數(shù)字技術(shù)采集或創(chuàng)建瓷塑模型數(shù)據(jù)，利用多款三維數(shù)字軟件模擬設(shè)計(jì)與制作瓷塑模具，并對(duì)3D打印制造生產(chǎn)瓷塑模具等進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)瓷塑模具數(shù)字化生產(chǎn)，優(yōu)化流程，推廣三維數(shù)字技術(shù)在瓷塑生產(chǎn)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品設(shè)計(jì)；三維數(shù)字技術(shù)；瓷塑模具；3D打??；數(shù)字化生產(chǎn)

1 前言

隨著時(shí)代的發(fā)展，在全球化、信息化的大背景下，大量年輕勞動(dòng)力缺失，企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)勢在必行。而德化陶瓷產(chǎn)業(yè)是出口型勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，資源、人力、技術(shù)等優(yōu)勢已不復(fù)存在。當(dāng)今計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，以及3D技術(shù)和CNC數(shù)控成型設(shè)備的出現(xiàn)和快速發(fā)展，促使德化傳統(tǒng)陶瓷的創(chuàng)作和制造方法做出新的技術(shù)變革。

三維數(shù)字技術(shù)作為先進(jìn)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式，具有操作便捷、高效、節(jié)省人力等優(yōu)勢。利用三維數(shù)字技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)陶瓷模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)方式的不足，可提高模具的設(shè)計(jì)水平，以及生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，從而省材、省力、省時(shí)、還原細(xì)節(jié)，可批量生產(chǎn)，可減少工藝流程，替代人工成本，提高生產(chǎn)效率。

2三維數(shù)字技術(shù)概述

3D打印、三維掃描技術(shù)逐漸被大眾接受。在國內(nèi)外很多藝術(shù)家已經(jīng)借用三維技術(shù)進(jìn)行了藝術(shù)創(chuàng)作的實(shí)踐，將三維技術(shù)與雕塑結(jié)合做研究和探索，創(chuàng)作出很多的雕塑語言和形式，值得我們借鑒、學(xué)習(xí)和思考。

在國外，三維技術(shù)、3D打印與影像技術(shù)的介入，特別是三維技術(shù)與雕塑相互結(jié)合與共同運(yùn)用，創(chuàng)作出了很多的雕塑形式語言和優(yōu)秀作品，光3D打印的材料已有100多種，值得我們借鑒、學(xué)習(xí)和思考。國外對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)字化運(yùn)用科技進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作越來越多，電子影像、行為、裝置和錄像等也逐漸被大眾認(rèn)可和接受。

在國內(nèi)，雕塑界對(duì)數(shù)字造型雕塑的研究也越來越深入，藝術(shù)作品的形式和表現(xiàn)手法也越來越豐富。經(jīng)過這幾年大量的推廣和運(yùn)用，一方面數(shù)字成品材料價(jià)格越來越平民化，同時(shí)也看到大量的藝術(shù)家、雕塑實(shí)踐者對(duì)數(shù)字造型技術(shù)的認(rèn)識(shí)也逐漸全面。在這個(gè)過程中，數(shù)字化的優(yōu)勢逐漸明顯，既提高了創(chuàng)作制作效率，又改變了創(chuàng)作與制作方式及工作環(huán)境。

很多產(chǎn)業(yè)、企業(yè)對(duì)數(shù)字化技術(shù)的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用也在不斷提高。石雕重鎮(zhèn)惠安和曲陽，已經(jīng)從人工雕刻，慢慢地進(jìn)入到數(shù)控化的時(shí)代，CNC雕刻機(jī)已經(jīng)全面普及，大大提高了石雕的產(chǎn)值。在鑄造行業(yè)，3D打印在小批量生產(chǎn)時(shí)具有明顯的速度優(yōu)勢；對(duì)于難以生產(chǎn)的產(chǎn)品，也只能通過3D打印生產(chǎn)；對(duì)于藝術(shù)件，也廣泛應(yīng)用3D打印各類適用批量生產(chǎn)的模具。

如今，很多雕塑家利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作也越來越廣泛。魯迅美術(shù)學(xué)院教授霍波洋大量使用3D建模和CNC直接加工金屬成型來主辦展覽。畢業(yè)于廈工藝雕塑系的王威，以科幻為元素的創(chuàng)作涵蓋雕塑、數(shù)字藝術(shù)與裝置藝術(shù)以樹脂3D打印結(jié)合電鍍的方式呈現(xiàn)。在德化，很多瓷塑新秀逐漸開始認(rèn)識(shí)并利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作與制作，也引進(jìn)3D陶泥打印生產(chǎn)研究瓷塑造型；還有很多年輕雕塑家也開始采用數(shù)字化軟件進(jìn)行瓷塑創(chuàng)作，3D打印成品后再創(chuàng)作等。

3三維數(shù)字技術(shù)介入瓷塑模具生產(chǎn)的優(yōu)勢

三維數(shù)字化技術(shù)主要用來獲得瓷塑造型數(shù)據(jù)。其主要來源有兩個(gè)方面：

一是利用三維數(shù)字化軟件進(jìn)行造型建模，得到虛擬的三維數(shù)據(jù)，它不會(huì)像現(xiàn)實(shí)造型那樣會(huì)坍塌、開裂，甚至報(bào)廢。

二是利用三維掃描技術(shù)對(duì)瓷塑模型進(jìn)行掃描采集，可以永久保存；再通過軟件進(jìn)行分析、優(yōu)化、修改、再創(chuàng)作等操作。當(dāng)然，也可直接掃描原有的石膏模具，經(jīng)過軟件處理后即可直接打印或CNC加工模具。

3.1利用三維掃描技術(shù)對(duì)瓷塑模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

三維掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的平面掃描和攝像技術(shù)不同，包含物體表面各采樣點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)和色彩信息的三維數(shù)字彩色模型。通過非接觸式三維掃描儀掃描后得到的云點(diǎn)數(shù)據(jù)由幾百點(diǎn)到幾百萬點(diǎn)不等，越密集的點(diǎn)云創(chuàng)建的模型更精確。通過掃描，可將對(duì)象更好地概念化設(shè)計(jì)，建立建?；A(chǔ)原型，導(dǎo)入三維軟件即可進(jìn)行再創(chuàng)作等處理。

根據(jù)掃描對(duì)象的不同，掃描技術(shù)應(yīng)用也不大相同。石膏模具幾乎都使用過且表面較粗糙，整體重量較大不易搬動(dòng)，可用手持掃描儀器快速掃描成型。有些經(jīng)過修補(bǔ)用來保存造型數(shù)據(jù)，可去庫存，亦可直接3D打印或精雕出新的石膏模具。泥稿和素?zé)废鄬?duì)精致、完整，需要使用精細(xì)化掃描。其中，素?zé)废鄬?duì)平整、潔白，重量相比泥稿較輕，挪動(dòng)比較不會(huì)損壞或開裂，較好掃描成型。陶制品上色或鍍金，瓷制品上釉或彩繪，掃描時(shí)會(huì)吸光或反射光線強(qiáng)烈，掃描儀捕捉不到輪廓光線，就無法獲取造型數(shù)據(jù)。因此，在掃描黑色且具有漫反射表面的物體前，需要使用專門的掃描模式（深/黑色模式）并使用顯影劑處理；掃描黑色且高反光物體時(shí)，也要先噴顯影劑，再進(jìn)行掃描。

另外，針對(duì)幾何特征比較單一（例如球形或柱形）的物體，需要使用標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行掃描。掃描后的數(shù)據(jù)仍需再加工處理。特別是德化傳統(tǒng)瓷塑造型，人物的刻畫有簡有繁，頭部特征和衣著特征均塑造繁復(fù)，衣著多體現(xiàn)在衣裳的褶皺，細(xì)部的褶皺都刻畫很精細(xì)，需要精細(xì)化掃描。這樣，衣服的褶皺和造型的凹處無法獲取數(shù)據(jù)。掃描后還得靠后期處理，有時(shí)處理數(shù)據(jù)投入的時(shí)間精力并不比掃描的少。一般使用逆向工程軟件杰魔（Geomagic? Studio）或ZBrush等軟件，對(duì)模型數(shù)據(jù)采取修補(bǔ)、拼合、改稿、再創(chuàng)作等。

3.2利用三維數(shù)字化軟件進(jìn)行造型建模

瓷塑造型軟件主要包括雕塑軟件“ZBrush”、“Freeform”和“Mudbox”，多邊形建模軟件“3ds Max”和“Maya”，曲線建模軟件“Rhinoceros”（犀牛），參數(shù)化建模軟件“Creo”和“Solidworks”，等。每個(gè)軟件都有各自的優(yōu)勢與缺陷，充分利用各種軟件自身的優(yōu)勢，選擇性地學(xué)會(huì)幾種軟件進(jìn)行配合，比如Creo+犀牛+ZB+杰魔等。

數(shù)字化設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)輔助建立數(shù)字模型，整個(gè)雕塑設(shè)計(jì)過程無紙化、無泥土、無實(shí)物工具，與傳統(tǒng)瓷塑相比，工作環(huán)境、創(chuàng)作時(shí)間不受限；更有利于作品（或辦成品）的保存、修改、部件裝配。這與時(shí)代的發(fā)展同步，很多的年輕人選擇干凈整潔的辦公環(huán)境，逐漸摒棄傳統(tǒng)的雕塑環(huán)境，相對(duì)粉塵飛揚(yáng)、泥水臟亂。對(duì)于瓷塑工藝傳承與發(fā)展也是利好，更多的學(xué)生愿意選擇瓷塑專業(yè)學(xué)習(xí)。

4三維數(shù)字技術(shù)在瓷塑模具生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

4.1 3D打印助力瓷塑模具生產(chǎn)

目前，3D打印存在著許多不同的技術(shù)，全球已經(jīng)發(fā)展至金屬3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技術(shù)。3D打印常用材料有石膏材料、鈦合金、橡膠類材料、尼龍玻纖、耐用性尼龍材料等。德化瓷塑制模所使用的一半是二水石膏，它經(jīng)過180攝氏度左右的低溫煅燒失去部分結(jié)晶水成為干粉狀后，可吸水而硬化，制模即利用了吸水性這一點(diǎn)。使用石膏生產(chǎn)模具，不利于批量化生產(chǎn)，無法機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化。

現(xiàn)今部分瓷塑工作室已開始使用精雕石膏模具，或使用光敏樹脂打印模型，再翻制石膏模具進(jìn)行生產(chǎn)。還有部分企業(yè)改用透氣橡膠等材料制模，根據(jù)產(chǎn)品造型趨勢設(shè)置排氣通道，結(jié)合高壓注漿讓成品排除多余水分，泥漿在自動(dòng)生產(chǎn)線上就能凝固硬化成型，減少石膏模具繁雜的制模工序，可大大節(jié)約成本。

隨著科技的發(fā)展，也可研制新型材料及相應(yīng)的3D打印機(jī)，直接將虛擬的模具打印出成品。在結(jié)構(gòu)、力學(xué)、工藝、脫水性等方面滿足傳統(tǒng)瓷塑產(chǎn)品智能化生產(chǎn)要求，促進(jìn)傳統(tǒng)瓷塑生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化，可減少模具的磨損與脫模的誤差，從而保證成品質(zhì)量，縮短出品時(shí)間。

4.2數(shù)字化模擬設(shè)計(jì)模具原則分析

通過三維數(shù)字方式獲得瓷塑造型數(shù)據(jù)后，可以無限復(fù)制，按比例放大縮小，或者進(jìn)行模塊化創(chuàng)作等。但造型翻模能否順適順型分離，還要根據(jù)制模設(shè)計(jì)因素和順適脫模等原則。

不管是現(xiàn)實(shí)還是虛擬，都要考慮脫模因素，再利用軟件進(jìn)行原型“挖底”，虛擬分模線。虛擬的原型無需清理表面和保持濕度；如掃描的原型存在裂隙或表浮凹凸不平，這就需要表面修復(fù)和完善。最后得到瓷塑模具翻制的原型，可省掉傳統(tǒng)模具翻制的修整原型和劃定分模線兩個(gè)步驟，也可節(jié)省實(shí)物存儲(chǔ)空間。

確定原型和分模線后，須考慮模具的圍長和高度，要使模塊上下、前后、左右厚薄大體均勻，以利注漿時(shí)的均衡吸漿和成坯，保證瓷坯質(zhì)量。確定尺寸后即可使用軟件虛擬創(chuàng)建模塊造型，利用軟件的“差集”功能——用原型減掉與模塊的交叉部分，得到的是分塊模具的數(shù)據(jù)；也可利用軟件自帶的模具制造功能，比如“Creo”軟件的鑄造型腔和模具型腔模塊，可創(chuàng)建模具造型。這樣可省掉傳統(tǒng)模具翻制的鋪墊筑圍步驟，也可減少材料和工具的準(zhǔn)備、維護(hù)、存儲(chǔ)等。

4.3數(shù)字化制作模具

近幾年來，3D打印技術(shù)（增材）和CNC數(shù)控精雕技術(shù)（減材）發(fā)展迅速，都是將造型數(shù)據(jù)從“虛擬”轉(zhuǎn)換成實(shí)物的關(guān)鍵技術(shù)。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。隨著科技的發(fā)展，3D打印的造型精準(zhǔn)，細(xì)節(jié)越好，尺寸更大，能打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)和可活動(dòng)的零件，材料及機(jī)器也不斷發(fā)展、變革；而CNC數(shù)控精雕已經(jīng)日益成熟，功能增強(qiáng)，精度提高，工時(shí)減少，能滿足規(guī)?；a(chǎn)的需要。

現(xiàn)在市場上只是簡單地利用兩種技術(shù)制作加工瓷塑原型，再使用傳統(tǒng)翻模工藝制模。而使用CNC數(shù)控精雕機(jī)直接加工模具造型數(shù)據(jù)（含三維掃描處理得到的模具），石膏模具也要調(diào)制石膏漿并灌制預(yù)測大小的模具加工件。石膏模塊加工完成，干至一定程度時(shí)再合模為整繼續(xù)干燥，仍需這個(gè)步驟。但“挖榫、筑圍，開?！钡葌鹘y(tǒng)工序都將省去，大大地減少了人力、物力和原材料的消耗，縮短制模時(shí)間、提高效率、降低成本。

5三維數(shù)字技術(shù)介入瓷塑模具生產(chǎn)的實(shí)踐案例

5.1閩南地區(qū)的龜粿印模具

龜粿印模具是閩南一帶及臺(tái)灣、東南亞地區(qū)用來制作傳統(tǒng)特色名點(diǎn)，其形主要是用陶瓷燒制的、鐫上龜甲圖案或“壽”字的模具，印在糯米龜表面?，F(xiàn)今，龜粿印模具越來越少，可利用三維掃描和3D打印技術(shù)，將傳統(tǒng)的食品印模具數(shù)據(jù)保存下來，同時(shí)根據(jù)需求直接打印各種大小不一的模具，用于機(jī)械化、自動(dòng)化批量生產(chǎn)。

5.2德化傳統(tǒng)瓷塑模具再創(chuàng)作

現(xiàn)今，很多大師的瓷塑作品只保存石膏模具，既容易損壞又占用空間；有的年老甚至過世無法重新雕塑，也未必一致。利用三維掃描技術(shù)獲取石膏模具的數(shù)據(jù)，處理后可直接打印生產(chǎn)模具；也可利用三維軟件拼合數(shù)據(jù)，利用3D打印即可還原瓷塑造型；也可利用三維軟件進(jìn)行造型再創(chuàng)作，也可3D打印出成品或泥稿再創(chuàng)作。例如，黃永星工作室創(chuàng)作的佛像作品。

5.3手摸生產(chǎn)模具設(shè)計(jì)

利用三維軟件創(chuàng)建手摸主體，經(jīng)過再三修改完善，確定主模；再根據(jù)生產(chǎn)需求，包括但不限于機(jī)臺(tái)尺寸、螺絲孔位、排氣配件等設(shè)計(jì)考慮，直接利用多款三維軟件創(chuàng)建模具直接用于生產(chǎn)。

6結(jié)論

快速發(fā)展的數(shù)字科技將為德化傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來新希望?，F(xiàn)階段利用三維數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)建模具數(shù)據(jù)，逐步替代傳統(tǒng)繁雜的制模工藝，優(yōu)化模具生產(chǎn)流程和技術(shù)要求，能大量減少人力、財(cái)力和原材料的消耗，縮短開發(fā)時(shí)間、提高效率、降低成本。三維數(shù)字技術(shù)助力陶瓷生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化水平，成為德化陶瓷產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要助推器，加快傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)工業(yè)化的步伐，這是一個(gè)龐大的體系，需要三維數(shù)字技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化、材料科技等多維度的研發(fā)與實(shí)踐，需要組建更加專業(yè)的團(tuán)隊(duì)深入再研究。

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