VR陶瓷燒造仿真技術(shù)創(chuàng)新探索

何東平

摘 要：鈞瓷窯變之美，主要指鈞瓷釉料在不同的還原氣氛燒制中所發(fā)生的色彩變化。但在傳統(tǒng)燒制過(guò)程中，燒窯工看不到陶瓷在燒制時(shí)的釉色變化，全憑幾塊小試片及經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷陶瓷的燒制狀況。而VR虛擬仿真技術(shù)的普及與應(yīng)用為傳統(tǒng)鈞瓷非遺燒制技藝提供了一種全新可行的思路。由此，筆者主要分析虛擬現(xiàn)實(shí)在傳統(tǒng)鈞瓷非遺燒制技藝中的作用，以供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);陶瓷燒制;鈞瓷窯變;釉色

中圖分類號(hào)：TQ174.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）22-0011-03

Innovative Exploration of VR Ceramic Firing Simulation Technology

—— On the Role of Virtual Reality in Traditional Non-relic Firing Techniques of Jun Porcelain

HE Dongping

Abstract： The beauty of Jun porcelain kiln mainly refers to the color change of Jun porcelain glaze during firing in different reducing atmosphere. But in the traditional firing process， the kiln workers can not see the change of glaze color of the ceramics during firing. They judge the firing status of the ceramics by a few small samples and experience. The popularization and application of VR virtual simulation technology provides a new and feasible idea for the traditional non-relic firing technology of Jun porcelain. Therefore， the author mainly analysed the role of virtual reality in the traditional non-relic firing technology of Jun porcelain for reference.

Keywords： Virtual Reality Technology;ceramic firing;kiln changes of Jun glaze;glaze color

1 VR陶瓷燒造仿真技術(shù)系統(tǒng)概述

VR陶瓷燒造仿真技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)模擬一個(gè)三維虛擬可視的傳統(tǒng)窯爐，給用戶提供一個(gè)視覺(jué)、觸覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)等環(huán)境，使用者可以沒(méi)有限制地全角度地觀察及控制窯爐內(nèi)所燒制的陶瓷產(chǎn)品。其逼真性和實(shí)時(shí)交互性為陶瓷燒制工藝流程提供了有力支撐[1]。

VR陶瓷燒造仿真技術(shù)的主要作用：真實(shí)地模擬傳統(tǒng)鈞瓷非遺燒制技藝流程中的陶瓷成型、釉料配置、燒造制度等全過(guò)程。為當(dāng)代鈞瓷釉料的研發(fā)與創(chuàng)新提供有一定價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

2 VR陶瓷燒造仿真技術(shù)在國(guó)家傳統(tǒng)鈞瓷非遺燒制技藝中的作用分析

2.1 傳統(tǒng)鈞瓷非遺燒制技藝分析

鈞瓷傳統(tǒng)燒制技藝可分為傳統(tǒng)柴燒技藝、傳統(tǒng)煤燒技藝等燒制工藝等。

2.1.1 傳統(tǒng)柴燒技藝。鈞瓷從唐代創(chuàng)燒初期到宋代一直延續(xù)柴燒工藝。當(dāng)時(shí)煤炭資源被官府壟斷，價(jià)格昂貴，鈞瓷藝人們所用燃料都是就地取材，利用周邊山區(qū)豐富的栗樹(shù)等雜木進(jìn)行燒制。由于木材發(fā)熱量低，所以鈞瓷燒成溫度不高，一般都在1 230～1 280℃。通過(guò)窯爐內(nèi)氣氛還原，鈞瓷表面釉色均勻度統(tǒng)一，油光感強(qiáng)，視覺(jué)上產(chǎn)生一種剛中帶柔的溫潤(rùn)效果[2]。

2.1.2 傳統(tǒng)煤燒技藝特征。鈞瓷煤燒是元代才有的燒制技術(shù)。與柴燒不同的是，煤在燒制過(guò)程中火焰短，依靠輻射升溫，火力猛，保溫時(shí)間長(zhǎng)，燒制周期比柴燒短。所以，煤燒的鈞瓷窯釉質(zhì)效果非常豐富凝重，剛勁深沉，有陽(yáng)剛之氣。煤炭發(fā)熱量高，鈞瓷燒成溫度一般超過(guò)1 300℃。

2.1.3 天然氣燒制工藝（當(dāng)代創(chuàng)新燒制技術(shù)）。鈞瓷天然氣燒制工藝始于1994年，是中國(guó)幾千年來(lái)傳統(tǒng)陶瓷燒制工藝的一大革命。該技術(shù)在全國(guó)陶瓷產(chǎn)區(qū)的普及有效減少了柴、煤燒制帶來(lái)的空氣污染，更加環(huán)保，大大減輕了陶瓷藝人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。

天然氣燒制的特征：窯爐溫度升溫快，并且可持續(xù)達(dá)到并保持在1 300℃左右，鈞瓷產(chǎn)品不用放在匣缽里，從而降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，鈞瓷產(chǎn)品成品率可以達(dá)到90%以上。天然氣燒制鈞瓷釉色艷麗，光彩奪目，窯變的多樣化適合當(dāng)代人的消費(fèi)觀念，更加適用于現(xiàn)代化大型日用瓷企業(yè)的批量生產(chǎn)。

2.1.4 電窯燒制技術(shù)及混合燒制工藝（當(dāng)代創(chuàng)新燒制技術(shù)）。電窯燒制工藝是當(dāng)代最流行最普及的陶瓷燒制技術(shù)，最大特點(diǎn)是溫度控制自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，升溫快，窯溫高，占地面積小，維護(hù)成本少等。

值得一提的是，近兩年陶瓷產(chǎn)區(qū)的技術(shù)人員通過(guò)不斷研發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)了將電窯設(shè)備改造成電氣及電柴混合燒制技術(shù)，盡管還存在燒制技術(shù)不成熟及陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等方面的問(wèn)題，但值得肯定的是，陶瓷燒制技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)邁出了一大步，同時(shí)也為以后陶瓷技術(shù)的發(fā)展拓展了思路。

2.2 VR陶瓷燒造仿真技術(shù)的功能及作用

VR陶瓷燒造仿真技術(shù)具有四大功能：模擬傳統(tǒng)柴燒技藝、模擬傳統(tǒng)煤燒技藝、模擬天然氣燒制工藝、模擬電窯燒制工藝及混合燒制工藝。

2.2.1 VR陶瓷燒造仿真技術(shù)在模擬鈞瓷柴燒技藝中作用

2.2.1.1 燃料模擬。通過(guò)對(duì)鈞瓷燒制木柴所含化學(xué)元素的數(shù)據(jù)分析，各類木柴燃燒值數(shù)據(jù)分析，木灰中含有金屬物質(zhì)數(shù)據(jù)分析，建立燃料數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.1.2 溫度模擬。①升溫曲線數(shù)據(jù)庫(kù)：根據(jù)傳統(tǒng)柴燒技藝特點(diǎn)，分析燒制過(guò)程中各階段升溫變化及燒成時(shí)間，建立相應(yīng)的柴燒溫度曲線數(shù)據(jù)（采用柴燒技術(shù)的傳統(tǒng)鈞瓷燒成溫度在1 230～1 280℃）;②溫度傳感器種類：木柴燃燒特點(diǎn)是火焰長(zhǎng)，而且火焰直接和器物接觸（裸燒），因此采用接觸式溫度傳感器;③溫度傳感器數(shù)量及分布：根據(jù)虛擬的柴窯爐內(nèi)的空間大小，計(jì)算出溫度傳感器的數(shù)量，并采用分布式結(jié)構(gòu)在窯爐內(nèi)進(jìn)行溫感部署[3]。

2.2.1.3 氣氛模擬。①二氧化碳數(shù)據(jù)庫(kù)：根據(jù)陶瓷燒成過(guò)程中的還原反應(yīng)式（Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2），分析鈞瓷還原階段CO2含量及分布位置，建立相應(yīng)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)庫(kù);②爐內(nèi)氣氛壓力及流速數(shù)據(jù)庫(kù)：測(cè)試分析傳統(tǒng)鈞瓷燒造技藝過(guò)程中不同位置的氣氛壓力及流速，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.2 VR陶瓷燒造仿真技術(shù)在模擬鈞瓷煤燒技藝中作用

2.2.2.1 燃料模擬。通過(guò)對(duì)鈞瓷燒制的煤燃料中所含化學(xué)元素的數(shù)據(jù)分析，煤的燃燒值數(shù)據(jù)分析，特別是鈞瓷產(chǎn)區(qū)的煤礦中含有金屬物質(zhì)數(shù)據(jù)分析，建立煤燃料數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.2.2 溫度模擬。①升溫曲線數(shù)據(jù)庫(kù)：根據(jù)傳統(tǒng)煤燒技藝特點(diǎn)，分析燒制過(guò)程中各階段升溫變化及燒成時(shí)間，建立相應(yīng)的煤燒溫度曲線數(shù)據(jù)（采用煤燒技術(shù)的傳統(tǒng)鈞瓷燒成溫度在1 300～1 350℃，而且保溫時(shí)間長(zhǎng)）;②溫度傳感器種類：鈞瓷煤燃燒特點(diǎn)是火焰短，屬于輻射升溫，多采用匣缽燒成，因此采用非接觸式溫度傳感器;③溫度傳感器數(shù)量及分布：根據(jù)虛擬的柴窯爐內(nèi)的空間大小，計(jì)算出溫度傳感器的數(shù)量，并采用分布式結(jié)構(gòu)在窯爐內(nèi)進(jìn)行溫感部署。

2.2.2.3 氣氛模擬。①二氧化碳數(shù)據(jù)庫(kù)：根據(jù)陶瓷燒成過(guò)程中的還原反應(yīng)式（Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2），分析鈞瓷煤燒還原階段CO2及SO2含量及分布位置，建立相應(yīng)二氧化碳及二氧化硫氣體濃度及其他化學(xué)元素的數(shù)據(jù)庫(kù);②爐內(nèi)氣氛壓力及流速數(shù)據(jù)庫(kù)：測(cè)試分析傳統(tǒng)鈞瓷煤燒技藝過(guò)程中不同位置的氣氛壓力及流速，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 VR仿真技術(shù)在鈞瓷生產(chǎn)工藝流程中的技術(shù)探索與實(shí)施

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬鈞瓷燒造技術(shù)及釉料研發(fā)，不僅可以縮短鈞瓷產(chǎn)品的研發(fā)周期，減少研發(fā)費(fèi)用，而且能減少長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)所帶來(lái)的環(huán)境污染。例如，利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)3D眼鏡等輔助設(shè)備，陶瓷工程師可以不用去窯爐車間，在實(shí)驗(yàn)室就能直接觀察鈞瓷制燒制過(guò)程中釉料成色的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并在模擬溫度、還原氣氛、釉料成色過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而在陶瓷制品批量生產(chǎn)之前，及時(shí)高效地調(diào)整陶瓷材料的各類成分，并準(zhǔn)確把握陶瓷在生產(chǎn)中的陶瓷原材料、溫度曲線、還原氣氛數(shù)據(jù)、產(chǎn)品收縮比等數(shù)據(jù)，進(jìn)而解決研發(fā)中發(fā)現(xiàn)的各類問(wèn)題。

3.1 VR陶瓷燒造仿真技術(shù)在鈞瓷生產(chǎn)工藝流程中的主要內(nèi)容

3.1.1 鈞瓷成型技術(shù)工藝。鈞瓷成型工藝過(guò)程包括有原材料的分析、鈞瓷泥料可塑性及流動(dòng)性測(cè)試、原材料溫度測(cè)試等主要內(nèi)容。

3.1.1.1 原材料分析。陶瓷胚體是由黏土、石英及長(zhǎng)石等按不同配方配制加工而成，有灰黑胎、灰白胎之分，可根據(jù)各類胎體原材料化學(xué)元素含量組成數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的原材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1.1.2 陶瓷泥料可塑性及流動(dòng)性測(cè)試。鈞瓷成型工藝方式有輪制成型工藝（拉胚成型）、注漿成型工藝及輥壓成型工藝等，根據(jù)鈞瓷胚體成型工藝的方式及特點(diǎn)建立相應(yīng)的泥料數(shù)據(jù)。

3.1.1.3 原材料溫度測(cè)試。鈞瓷的燒制工藝對(duì)溫度有嚴(yán)格要求，原材料的耐火度要達(dá)到1 350℃。因此，鈞瓷的原材料配方中要相應(yīng)地加入一定比例的耐高溫原材料。經(jīng)實(shí)驗(yàn)后建立相關(guān)的原材料溫度數(shù)據(jù)。

3.1.2 鈞瓷釉料配置工藝。鈞瓷釉色之美，關(guān)鍵在于釉料的配方工藝。鈞瓷釉料工藝包括釉的分類、釉的原材料、釉料配方計(jì)算等。根據(jù)采集分析傳統(tǒng)鈞瓷釉色中的原材料化學(xué)元素含量組成數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的釉料原材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1.2.1 釉的分類。傳統(tǒng)鈞瓷窯變釉料主要分為單色釉、彩斑釉、花釉等。

3.1.2.2 釉料原材料組成。形成鈞釉的基本化學(xué)元素成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、ZnO、K2O、Na2O、P2O5、SnO2等。

鈞瓷窯變釉采用的原材料主要是當(dāng)?shù)亻_(kāi)采的天然礦石、人工原材料及化工化學(xué)原材料。天然礦石原料主要有長(zhǎng)石類、方解石、瑪瑙石、滑石、銅礦石、鐵礦石等。人工原材料有草木灰、牛骨粉等?；瘜W(xué)化工原材料主要有氧化銅、氧化鋅等。

3.1.2.3 建立釉料計(jì)算配方的數(shù)據(jù)。鈞瓷銅紅釉配方：黃長(zhǎng)石37～43份、石英13～19份、方解石10～16份、青堿4.5～5.5份、熔塊12～18份、牛骨粉0.5～1.5份、氧化錫2.5～3.5份、氧化鋅3.5～4.5份、滑石2～3份、氧化銅0.25～0.75份。

具體計(jì)算公式如下：

釉式氧化物的系數(shù)×氧化物的分子量=氧化物的重量（1）

氧化物的重量總和÷氧化物的重量×100=氧化物化學(xué)組成的百分?jǐn)?shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

3.1.2.4 建立鈞釉原材料細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。研磨細(xì)度：250目萬(wàn)孔篩篩余1%～2%。

3.1.3 鈞瓷燒造制度階段數(shù)據(jù)分析。鈞瓷傳統(tǒng)窯變燒制技藝包括以下幾個(gè)步驟。

①氧化焰階段。制成的鈞瓷胚體經(jīng)過(guò)素?zé)嫌院蠓胖迷诟G爐容器中，在氧化氣氛下燒制，使溫度在4h從室溫緩慢升溫至900℃過(guò)程中，排除上釉時(shí)胎體中的水分與釉層中所含的水分。

②強(qiáng)還原焰階段。在強(qiáng)還原氣氛下，使溫度在5h左右從900℃均勻升至1 180℃。該階段為氧化氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原氣氛，應(yīng)減少進(jìn)氧量，讓燃料（煤、柴、天然氣等）燃燒不充分，使窯爐內(nèi)有充足的一氧化碳?xì)怏w含量。通過(guò)燃料（煤、柴、天然氣等）燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w與鈞瓷釉料中所含的銅和鐵得以還原，窯變成豐富多彩的釉色。

③弱還原焰階段。在弱還原氣氛下，使溫度在5h左右從1 180℃升至1 300℃。該階段緩慢升溫并減少一氧化碳?xì)怏w的濃度，一直到鈞瓷釉料燒成溫度，弱還原氣氛可以使釉面光亮。

④冷卻階段。自然冷卻至室溫。該階段鈞瓷釉所產(chǎn)生出液相分離及析出晶體現(xiàn)象，并逐步形成釉面固化、顯色等狀況。這段燒制工藝也稱為二次窯變階段。階段時(shí)間一般為10h左右。

3.2 鈞瓷窯爐燒制工藝中的可視化及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互探索

3.2.1 仿真可視化界面。VR鈞瓷燒造仿真技術(shù)的作用是利用虛擬技術(shù)還原一座真實(shí)的窯爐燒造場(chǎng)景，操作者通過(guò)佩戴相應(yīng)的可視設(shè)備，真實(shí)地看到鈞瓷在不同溫度下所呈現(xiàn)的物理及化學(xué)釉色窯變反應(yīng)。傳統(tǒng)窯爐燒制過(guò)程是全封閉的，燒窯工看不到陶瓷在燒制時(shí)的釉色變化，全憑幾塊小試片及經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷陶瓷的燒制狀況。

3.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)互動(dòng)仿真可視化管理界面。鈞瓷燒造過(guò)程中窯爐內(nèi)的溫度、一氧化碳?xì)怏w等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化，對(duì)技術(shù)人員了解并掌握陶瓷燒制技術(shù)十分重要。通過(guò)系統(tǒng)真實(shí)地模擬燒制過(guò)程及各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化，技術(shù)人員可以準(zhǔn)確地觀察每個(gè)燒制階段的升溫曲線、氧化氣氛、還原氣氛等對(duì)陶瓷釉色所產(chǎn)生的影響。

3.2.3 VR鈞瓷燒造仿真技術(shù)的兼容性和可擴(kuò)展性。為了滿足未來(lái)新技術(shù)設(shè)備在VR陶瓷燒造仿真技術(shù)中的應(yīng)用，本系統(tǒng)應(yīng)具備二次開(kāi)發(fā)能力;其中包括軟件兼容性，外圍設(shè)備的接口控制能力及海量數(shù)據(jù)的處理能力，以滿足本系統(tǒng)的升級(jí)。

3.2.4 VR鈞瓷燒造仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告分析。虛擬仿真窯爐燒制過(guò)程結(jié)束，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示本次鈞瓷燒造實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析報(bào)告。技術(shù)人員可以通過(guò)詳實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)階段的問(wèn)題，并進(jìn)一步完善鈞瓷產(chǎn)品在燒造過(guò)程中的各項(xiàng)工藝指數(shù)，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量并降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

鈞瓷的釉色窯變之美，曾經(jīng)是我國(guó)古代陶瓷藝人們?cè)跓旒妓嚿系囊淮髣?chuàng)舉，并在中國(guó)陶瓷歷史發(fā)展中占有重要地位。從鈞瓷天然氣燒制技術(shù)工藝的創(chuàng)新應(yīng)用，到電氣混合燒制技術(shù)的研發(fā)。鈞瓷技術(shù)工藝的創(chuàng)新一直沒(méi)有停止，筆者堅(jiān)信，VR陶瓷燒造仿真技術(shù)在傳統(tǒng)鈞瓷非遺燒制技術(shù)中的應(yīng)用，更為鈞瓷產(chǎn)業(yè)的振興插上了一雙騰飛的翅膀。

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