數字成型技術在陶瓷文創產品快速開發中的應用研究

馬小非，邢俊杰

（1.開封大學,開封475000，2.河南弘汝文化藝術有限公司,汝州467500）

1 數字成型技術發展現狀

在計算機技術快速更迭和高速發展的信息時代，數字成型技術作為新興制造技術也已在經歷數十年的技術沉淀后達到了一個較為成熟的階段。目前在陶瓷產業中，從數字模型獲得形式來看分為正向與逆向兩種主要形式：正向獲得的形式以開發者使用三維模型繪制軟件根據設計需求建模為主，常用軟件有Rhino、3ds max、Alias、Cinema 4d 等。逆向獲得的形式以使用三維掃描設備進行高精度模型三維數據采集與處理為主，常用的點云處理軟件有Geomagic、Studio、CATIA Imageware、Proe 等。

數字成型主流的形式有減材與增材兩種：減材成型方式是一種通過減少制造材料的工藝從而達到成型設計要求的技術，通常以CNC 數控雕刻、激光燒蝕為手段的加工形式。增材成型（3D 打?。﹦t是通過耗材的逐層堆積而達到成型的目的，目前流行的技術有FDM、SLA 等，運用于陶瓷產業中的3D 打印技術主要有光固化成型（簡稱SLA）、熔融沉積成型（簡稱FDM）和選擇性激光燒結（簡稱SLS）。[1]光固化、熔融沉積成型方式可利用光敏樹脂、PLA、ABS 等多種材料進行模種的制作屬于間接成型，其特點是技術成熟、設備及耗材成本較低、維護簡便。選擇性激光燒結、激光誘導注漿成型（簡稱LIS）可使用陶瓷粉末、水基陶瓷漿料對陶瓷造型直接打印，但由于設備及使用、維護成本較高、生產效率低等因素影響，在普通陶瓷生產中并無廣泛應用。

2 陶瓷文創產品的傳統開發形式

傳統陶瓷文創產品的開發流程中在設計效果圖表現、模型打樣制作、模種制作階段，往往需要設計師與模型技師的相互協作通過手工的形式完成，在溝通過程中設計師要繪制產品效果圖、三視圖、結構圖等大量圖紙以達到精確向模型技師表達產品造型特點。由于傳統的手繪效果圖費時費工,繪制速度慢,學習掌握的難度大,已很難適應當今設計市場的要求。[2]同時模型技師也需要完全領會設計意圖，再以手工的形式完成展示模型及生產模種的制作，這大大的延長了新產品的開發周期，增加了開發成本。

創意性是陶瓷文創產品的核心要素。隨著現代信息傳播途徑的顛覆性改變，這就要求文創產品更新速度要適應現代消費市場對創新和審美需求，同時降低產品開發成本以適應文創產品市場壽命周期的縮短。當前，一系列依托計算機與三維成型技術的數字化輔助手段能有效的化解現代陶瓷文創產品傳統開發形式中出現的矛盾。

3 陶瓷文創產品數字成型與快速開發

數字技術不但可以克服傳統的視覺設計缺陷，還可以通過對產品的數據進行分析，為下一階段的生產制造工作奠定基礎。[3]快速成型（Rapid Prototyping,簡稱RP）技術不同于傳統成型加工方法，RP 技術采用材料“累加法”制造零件原型。RP 技術用于陶瓷新產品的開發，不僅可縮短開發周期，而且可大大降低產品開發中失誤的可能性。[4]陶瓷文創產品快速開發是一個多層面的系統化過程，在產品的設計及成型階段引入數字成型技術后，可在產品設計表現、外觀及功能評價、展示模型及模種制作等環節縮短產品開發周期。

3.1 三維圖形技術

三維圖形技術是利用計算機硬件及軟件設備，通過二維平面空間圖形模擬三維虛擬空間的一種圖形技術，三維掃描、三維建模是三維圖形技術的主要體現形式。三維掃描技術在博物館陶瓷文創產品開發等此類型逆向開發中被廣泛應用，具有精度高、使用靈活、對掃描數據采集對象無損害等優點，這一技術的應用極大的降低了設計師獲取設計元素圖形（數字模型）的工作強度。三維建模是產品設計中常用的一種表現手段，有助于設計師快速得到具有三維空間的視覺效果圖，能夠對產品形態分析、結構參數設定、材質效果等方面進行全面的評價，為設計分析與完善設計提供了較為可靠的依據。

3.2 三維打印技術

三維打印技術是二十世紀八十年代發展起來的集計算機技術、激光技術、數控技術、新材料技術等技術群主導下的增材制造成型技術，主要運用粉末狀、液態狀等狀態下的塑料、金屬、砂石等可粘合材料，通過逐層疊加打印來制造三維產品的技術。[5]三維打印技術是現代產品快速開發的重要手段，其成型速度快、成型材料多元化、成本低、精度和自動化程度高的優點為降低企業產品開發周期與成本提供了可能。

3.3 數字成型技術的優勢與前景

數字成型技術極大的降低了陶瓷文創產品開發成本，縮短了新產品的開發周期，同時增強了文化元素的傳播速度與途徑。特別是擴展了參與開發人群的適應性，降低了參與設計門檻，更多的優秀文化元素和創意思想可以通過該技術進行有機的轉化。數字成型技術的優勢對應了陶瓷文創產品開發中的核心要素，目前隨著科學技術不斷進步正經歷快速發展和實踐應用推廣階段，這項技術逐漸被更多的產品設計師、陶藝家、陶瓷企業等人群與行業所廣泛應用。

4 “包公杯”陶瓷文創產品開發案例

該文創產品以宋文化為設計背景，抽象概括了包公形象特征，將其與咖啡杯的使用功能相結合，并通過陶瓷材質的本質屬性賦予了受眾對傳統陶瓷文化認同感。針對陶瓷文創產品開發的需要，該產品的設計和生產以數字建模（Rhino）和FDM打印技術為依托進行了快速開發。

4.1 Rhino 三維建模

“包公杯”整體形態主要由杯身與杯蓋兩個獨立的部分組成，在繪圖時要分別繪制，同時要注意蓋子與杯身結合處卡扣尺寸的余量設置。根據草圖分析，杯身、杯蓋均屬于同心圓造型可在操作視圖中繪制出截面線后通過旋轉成型得到實體模型，帽翅、月牙、V 字隔熱圈裝飾部圖形均可通過畫線擠出后修建得到相應的造型（圖1）。

得到基礎模型后，根據陶瓷成與燒制工藝特點、創意審美需要等方面的考慮對模型進一步的修改后進行渲染，或結合Keyshot 渲染軟件得到效果更好的產品效果圖，并可通過多視角的效果圖對產品的整體設計狀況進行分析與評價（圖2）。

圖2 渲染效果圖

4.2 FDM（PLA 材質）3D 打印

FDM（熔融沉積成型），采用熱熔噴頭，使半流動狀態的材料按CAD 分層數據控制的路徑擠壓并沉積在指定的位置凝固成型, 逐層沉積、凝固后形成整個原型或零件，這一技術發展較為成熟，設備及耗材使用成本低。打印耗材PLA（聚乳酸），是一種新型的生物基及可再生生物降解材料，可實現在自然界中的循環，無論是材料生產和使用過程中均無污染，是理想的綠色高分子材料。

將繪制完成的模型在Rhino 中另存為STL 格式，通過3D 打印機自帶的打印切片軟件打開STL 模型文件，（圖3）根據打印要求設置模型的位置關系與基礎打印參數，可以通過移動打印層數滑塊預覽打印過程，較大程度上避免打印過程中出現的錯誤（圖4）。切片完成后導出為Gcode 文件，可直接打印或將文件保存至存儲介質中，在打印機上連接存儲介質后讀取文件進行打印。

圖3STL 模型文件

圖4 出現的錯誤

打印前清理打基板耗材殘留、油漬等，使耗材能牢固的與打印基板穩定結合，固定好基板后可手動或自動對基板進行調平。完成打印準備工作后，用3D 打印機打開Gcode 切片文件，機器根據打印文件及參數設置自動進行打?。▓D5）。打印過程中不必全程監控，但在打印初始階段需要觀察基板調平、打印模型翹邊等問題是否出現，出現問題應及時終止打印，以免造成耗材與時間的浪費，解決問題后重新進行打印以保障打印效果符合設計要求（圖6）。

圖5 打印過程

圖6 重新打印

4.3 石膏模具翻制

根據石膏模具翻制工藝要求進行模種的打印，打印完成后對模型表面不平整的毛刺使用修剪鉗進行修剪，也可配合使用600 目左右的砂紙對其打磨（圖7）。若對石膏模具精細度要較高，翻制前在模種表面均勻噴上2-4 層清漆使模種表面更加光滑，能進一步降低打印時留下的層痕，也便于脫模（圖8）。

圖7 打磨

圖8 模具

圖9 大帶輪的結構尺寸

5 結語

數字成型技術為陶瓷文創產品開發提供了高效、便捷、低成本的形式，同時也為更多設計師（藝術家）廣泛的參與到陶瓷藝術的創作中提供了平臺，能將設計創意思維更直觀有效的轉化為具有三維空間及可視化的模型（實物）提供了多種解決方案，滿足了現代陶瓷文創產品消費市場對于產品日新月異的需求。目前數字成型技術經過數十年發展已達到較為成熟的階段，未來如何將AI（人工智能）技術與其結合，作為陶瓷設計發展的新動力，是陶瓷設計可持續發展研究的新方向。