基于新技術(shù)下陶瓷設(shè)計(jì)快速成型的新方法研究

李文娟　趙士樟

摘要：隨著科技的快速發(fā)展，僅憑經(jīng)驗(yàn)直覺來進(jìn)行的陶瓷設(shè)計(jì)越來越無法跟上當(dāng)今產(chǎn)品的更迭速度和滿足高度個性化的陶瓷需求。新技術(shù)帶來了新的陶瓷設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方式的變革，這種變革直接提高了陶瓷設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的效率。雖然陶瓷設(shè)計(jì)已經(jīng)加入了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，但今天如何融入Free Form觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)、逆向工程、3D打印等高新技術(shù)需要更深入的研究。

關(guān)鍵詞：陶瓷設(shè)計(jì) 逆向工程 3D打印 快速成型

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）06-0122-02

引言

設(shè)計(jì)是一種有目的、有意識的造物活動，起源可以追溯到人類首次使用工具。設(shè)計(jì)作為協(xié)調(diào)人與自然、人與人、人與物和諧相處的一種方式應(yīng)用在各類產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中。其中，陶瓷設(shè)計(jì)一直沿用傳統(tǒng)的制作流程，練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、模種制作、模具制作、模具干燥、倒?jié){等。這些工藝耗費(fèi)了大量的時間、人力、精力，一款全新的陶瓷產(chǎn)品需要經(jīng)過十幾天甚至一個月的時間來制作，越來越無法適應(yīng)當(dāng)今陶瓷更新?lián)Q代的速度。然而通過與科技結(jié)合，使用全新的設(shè)計(jì)方法，可以將這個過程縮短幾十倍，創(chuàng)造一款全新的陶瓷產(chǎn)品甚至十幾分鐘就可以完成，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)在當(dāng)今社會承受著科技的巨大沖擊。

設(shè)計(jì)一詞從日語轉(zhuǎn)譯而來，口語最初譯“設(shè)計(jì)”為“圖案”?！皥D”指意圖，“案”既方案。因此，陶瓷設(shè)計(jì)是根據(jù)人的需求來進(jìn)行的陶瓷創(chuàng)造的過程與方式。

傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)存在巨大缺陷。以達(dá)到批量生產(chǎn)制作模具的陶瓷設(shè)計(jì)為例，需要以下步驟：（一）在紙上構(gòu)思，設(shè)計(jì)草圖，繪制三視圖，標(biāo)注尺寸，在完全無誤的情況下進(jìn)入下個程序。（二）制作模種，通過對石膏的分割、打磨，大致達(dá)到設(shè)計(jì)草圖效果，無法精確復(fù)制。（三）制作模具，通過模種制作模具，并將模具放在陽光下進(jìn)行晾曬，模具完全晾干需要數(shù)天，如遇陰天下雨，時間會順延。（四）將泥漿倒入模具內(nèi)，倒出泥坯，通過晾曬等泥坯干燥，需要數(shù)天時間。（五）對泥坯進(jìn)行修坯，將邊角開模線打磨修整。（六）對修好的泥坯上釉燒制。通過對上述陶瓷設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方法的概述，設(shè)計(jì)制作一件新款的陶瓷產(chǎn)品在一切順利的條件下，需要至少15天左右的時間。如果遇到陰雨天氣，那么時間會更長。這種設(shè)計(jì)周期在當(dāng)今日新月異的市場潮流中，無法滿足快速設(shè)計(jì)制作產(chǎn)品的需求。一個月的設(shè)計(jì)周期往往錯失了很多市場機(jī)遇。改變陶瓷設(shè)計(jì)的周期，滿足市場快速更迭的產(chǎn)品與小批量個性化定制的陶瓷產(chǎn)品需要融入現(xiàn)代科技。

一、FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)在陶瓷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

隨著陶瓷設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，目前已有了很多計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)融入其中，但限制于傳統(tǒng)工藝，只有計(jì)算機(jī)CAD模型對陶瓷設(shè)計(jì)生產(chǎn)的周期沒有明顯改變。FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)成為最前沿的陶瓷設(shè)計(jì)系統(tǒng)，（如圖1）直接顛覆了傳統(tǒng)意義上的陶瓷設(shè)計(jì)與建模方式。

（一）FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用到陶瓷設(shè)計(jì)的軟件和硬件條件。

FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)是目前世界第一套能夠讓設(shè)計(jì)師在電腦上利用觸覺就能完成3D模型設(shè)計(jì)與建構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由美國麻省理工學(xué)院研發(fā)，具有一套虛擬力反饋交互技術(shù)，通過電子雕刻筆PHANTOM對電腦模型進(jìn)行修改制作，得到虛擬的力反饋，模擬現(xiàn)實(shí)中的雕刻行為與動作，獲得真實(shí)的體驗(yàn)。FreeForm觸覺雕刻，可實(shí)現(xiàn)任意形態(tài)的模型制作，使設(shè)計(jì)師更加直觀、清晰的對作品進(jìn)行修改，尤其是對紋樣圖案雕刻復(fù)雜多階曲面的制作效率有顯著提高。FreeForm有別于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，將人機(jī)交互方式由計(jì)算機(jī)視覺交互轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X、觸覺交互，更加符合現(xiàn)實(shí)世界的交互方式，使設(shè)計(jì)師制作時更加直觀地感受模型形態(tài)與曲面變化。

（二）FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)在陶瓷設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢與應(yīng)用。

以陶瓷設(shè)計(jì)中的浮雕為例：傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工藝只能在現(xiàn)實(shí)生活中的泥坯上進(jìn)行繪畫，通過刻刀對勾畫出的圖案進(jìn)行雕刻、打磨。傳統(tǒng)方式有致命缺陷，在制作過程中產(chǎn)生的錯誤很難進(jìn)行修改，力度的變化容易將坯體破壞，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)作品功虧一簣。FreeForm可以完美地規(guī)避這一問題，相對于傳統(tǒng)的雕刻模式，引入了FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以修復(fù)錯誤和提高效率。首先，在計(jì)算機(jī)中生成坯體模型，通過計(jì)算機(jī)處理，將要雕刻的平面圖案環(huán)繞在坯體表面，通過明暗變化，將現(xiàn)實(shí)中的雕刻復(fù)制在計(jì)算機(jī)當(dāng)中。其次，在制作過程中，出現(xiàn)錯誤和力度失衡，只需簡單地返回操作，即可修復(fù)錯誤步驟。最后，通過需要雕刻的平面圖案，將其轉(zhuǎn)化為灰度圖，覆蓋模型表面，可直接在計(jì)算機(jī)生成雕刻效果，通過FreeForm的細(xì)微修整，可以大大減少設(shè)計(jì)時間，提高設(shè)計(jì)效率。計(jì)算機(jī)雕刻的模型與快速成型技術(shù)結(jié)合，可將計(jì)算機(jī)中的模型在現(xiàn)實(shí)中快速生成。FreeForm在陶瓷設(shè)計(jì)中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

二、逆向工程在陶瓷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

逆向工程（Reverse Engineering）也稱為反向工程，是80年代初才開始發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，最簡單的一種定義為：從實(shí)物到計(jì)算機(jī)CAD模型。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式為通過計(jì)算機(jī)CAD模型，生成實(shí)物產(chǎn)品，這種開發(fā)模式被稱為“正向工程”。而陶瓷設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，很多復(fù)雜的產(chǎn)品無法通過正向工程完成設(shè)計(jì)，因此，逆向工程成為陶瓷設(shè)計(jì)產(chǎn)品研發(fā)的重要方式。

（一）逆向工程掃描模型原理。

逆向工程通過對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描，在計(jì)算機(jī)中生成CAD數(shù)據(jù)模型，通過計(jì)算機(jī)建模軟件或FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)對CAD模型進(jìn)行修改完善，二次設(shè)計(jì)創(chuàng)新，改變現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，結(jié)合快速成型技術(shù)，將二次設(shè)計(jì)的模型快速生成實(shí)物模型，制作打樣后滿足市場需求。以非接觸式掃描儀為例，由線發(fā)射器和發(fā)光二級管產(chǎn)生線激光投射到需要采集的模型表面，激光產(chǎn)生紅色射線，并在物體表面進(jìn)行反射，通過一次反射，CCD圖像傳感器接收光數(shù)據(jù)信號，隨著物體表面形態(tài)的變化，反射角度隨之發(fā)生變化。在收集完整的光信號的數(shù)據(jù)集合后，從而形成一個完整的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算機(jī)CAD模型。

（二）逆向工程數(shù)據(jù)模型在陶瓷設(shè)計(jì)中的地位與應(yīng)用。

逆向工程在陶瓷設(shè)計(jì)中同樣重要。陶瓷設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在投入市場后，會存在方方面面的問題和產(chǎn)品缺陷，在二次設(shè)計(jì)中，通過逆向工程，對現(xiàn)有缺陷產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描，得到光信號數(shù)據(jù)模型，并生成計(jì)算機(jī)CAD數(shù)據(jù)模型，通過軟件格式的轉(zhuǎn)換，使用FreeForm等模型軟件對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行編輯、修改、完善，得到新的二次設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)CAD數(shù)據(jù)模型。通過快速成型技術(shù)，將虛擬模型進(jìn)行實(shí)物快速生成，得到實(shí)體模型與現(xiàn)有缺陷產(chǎn)品進(jìn)行比較，改良產(chǎn)品再次投入市場。

逆向工程在陶瓷設(shè)計(jì)中應(yīng)用范圍廣泛。在對古代陶瓷修復(fù)有著重要地位，通過對古代破損陶瓷器物的三維掃描，生成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型，在計(jì)算機(jī)中將破損部位進(jìn)行修復(fù)，與實(shí)體部分進(jìn)行契合，通過3D打印技術(shù)將修復(fù)部分打印，得到原始1：1的實(shí)體模型。通過對原始模型的修整，制作與E色，粘貼在破損部位，達(dá)到以假亂真，修復(fù)陶瓷器皿的目的。在傳承古代器物器型、紋樣、雕刻方面，進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，通過對古代器物的掃描，將其最精彩的部分，最突出的特征，保存下來，提煉升華，在計(jì)算機(jī)中二次設(shè)計(jì)避開雕刻復(fù)雜的紋樣，直接掃描進(jìn)計(jì)算機(jī)，完整復(fù)制雕刻紋樣圖案，節(jié)約大量的精力與時間，設(shè)計(jì)出既有古代味道，又符合現(xiàn)代審美實(shí)用的新陶瓷產(chǎn)品。逆向工程對陶瓷設(shè)計(jì)有不可替代的作用。

三、3D打印在陶瓷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)、逆向工程都是在計(jì)算機(jī)CAD數(shù)據(jù)模型范圍內(nèi)對陶瓷設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方式，他們都依托3D打印快速成型技術(shù)進(jìn)行實(shí)物制作，3D打印對陶瓷設(shè)計(jì)有決定作用。

（一）3D打印快速成型技術(shù)原理與材質(zhì)。

3D打?。?DP）即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

打印產(chǎn)品的類型決定了，打印材料的不同，通常3D打印的材料有尼龍玻纖、聚乳酸、ABS樹脂、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料等。打印機(jī)將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層打印，通過粘合劑將物體實(shí)體部分分層粘合，最終得到打印的實(shí)體產(chǎn)品。

（二）陶瓷3D打印技術(shù)的優(yōu)勢。

陶瓷設(shè)計(jì)3D打印以陶瓷粉末為材料，將計(jì)算機(jī)模型分層，通過3D打印機(jī)分層打印，粘合成型。陶瓷3D打印有傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)制作無法達(dá)到的高度，（如圖2）制作一個六面體包裹另一個六面體，傳統(tǒng)的制作流程根本無法制作，有很大的局限性，而3D打印可以輕松的制作出來。3D陶瓷打印技術(shù)還可以解決復(fù)雜器型中的燒成問題，在計(jì)算機(jī)模型制作時，可直接對易變性的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，在3D打印時將支撐結(jié)構(gòu)一并打印出來，打印出的產(chǎn)品完全不需要擔(dān)心塌陷的問題，在對復(fù)雜器型設(shè)計(jì)當(dāng)中便可解決因燒成而變形等諸多問題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者可在計(jì)算機(jī)軟件中，對復(fù)雜器型內(nèi)部關(guān)鍵部位編制支撐結(jié)構(gòu)，3D打印機(jī)在粉末逐層積累的同時也將器型內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)打印出來，打印完畢后的陶瓷產(chǎn)品可以保持打印形態(tài)而不必?fù)?dān)心塌陷，所以3D陶瓷打印技術(shù)可提高陶瓷設(shè)計(jì)的成功率，將傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)不可能制作出來的產(chǎn)品通過3D打印實(shí)現(xiàn)。

工業(yè)化陶瓷產(chǎn)品是對單一形態(tài)的復(fù)制，只停留在對產(chǎn)品顏色、紋樣變化的創(chuàng)新，而3D打印只需要在計(jì)算機(jī)中生成多個模型，就可以在打印時同時制作多個不同形態(tài)的陶瓷產(chǎn)品。雖然與批量化產(chǎn)品制作的數(shù)量無法相比，但陶瓷打樣的速度卻是驚人，只需要原來時間的幾百分之一就可以創(chuàng)新出一款全新的陶瓷產(chǎn)品，效率極高，并且保持藝術(shù)性和個性化。

（三）3D打印在陶瓷設(shè)計(jì)中發(fā)展趨勢。

3D陶瓷打印技術(shù)更加能滿足小批量陶瓷設(shè)計(jì)與個性化定制產(chǎn)品的需求。3D陶瓷打印技術(shù)不僅可以制作出形態(tài)各異的陶瓷產(chǎn)品，還可以異地打印，只需要計(jì)算機(jī)模型文件，就可以高速便捷的制作產(chǎn)品。消費(fèi)者的需求在改變，從開始的追求產(chǎn)品功能到追求個性化定制，3D打印越來越受到消費(fèi)者的認(rèn)可，成為未來陶瓷行業(yè)的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從商業(yè)的角度看，雖然陶瓷3D打印不能取代批量化，產(chǎn)業(yè)化的傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)制造行業(yè)，但陶瓷3D打印更加符合如今個性化定制的小批量市場需求。目前，陶瓷市場已從傳統(tǒng)大規(guī)模、批量化進(jìn)入到差異化、個性化的消費(fèi)模式，消費(fèi)者熱衷于個性化、獨(dú)一無二的產(chǎn)品，追求與他人的差異化。隨著打印成本的降低，3D打印技術(shù)為這種針對不同消費(fèi)者、不同的需求的陶瓷產(chǎn)業(yè)成為可能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并逐步實(shí)現(xiàn)，3D陶瓷打印將逐漸成為陶瓷個性化、小批量定制產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。

結(jié)語

隨著科技的快速發(fā)展，陶瓷設(shè)計(jì)引入高新技術(shù)已成為必然，在傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的周期長、成本高、耗精力、低成功率等問題，高新技術(shù)中FreeForm觸覺式設(shè)計(jì)系統(tǒng)、逆向工程、3D打印快速成型技術(shù)都可以基本解決。市場對個性化、差異化產(chǎn)品的需求日益增強(qiáng)，高新技術(shù)融入陶瓷設(shè)計(jì)使新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期極大縮短，開發(fā)成本進(jìn)一步壓縮，使設(shè)計(jì)師對復(fù)雜工藝的重復(fù)性勞動減少，工作強(qiáng)度降低，使其可以將精力更多的投入到新產(chǎn)品的創(chuàng)意當(dāng)中，從而提升行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量與效率。本文從傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)的局限性、高新技術(shù)應(yīng)用到陶瓷設(shè)計(jì)中硬件軟件的可能性、陶瓷市場發(fā)展的必然性等方面分析，將全新的利陶瓷設(shè)計(jì)方法與高新技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造出一種設(shè)計(jì)周期短、個性化程度高、研發(fā)成本低，快速高效的陶瓷設(shè)計(jì)系統(tǒng)化新方法。在不久的將來，這種新方式一定會逐步普及，隨著科技的發(fā)展，通過信息技術(shù)的創(chuàng)新與行業(yè)結(jié)合，將會有更多的新方式來提高陶瓷設(shè)計(jì)效率，改變固有生產(chǎn)方式與產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)，為陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。