3D打印技術在陶瓷產品設計中的應用

摘 要：從陶瓷產品設計的流程的視角分析了3D打印技術的應用，通過傳統方法與3D打印技術的比較，得出了3D打印技術在陶瓷產品設計中的優勢，即提高設計效率，減少設計周期與制作成本。在此基礎上，詳細分析了3D打印在陶瓷設計中的工作流程，提出了各流程中的關鍵問題和解決辦法。最后在分析陶瓷產品設計實際案例的基礎上，得出3D打印在陶瓷產品設計中的應用價值和發展趨勢。

關鍵詞：3D打印；陶瓷；產品設計；建模

1 傳統設計方法與3D打印技術的比較

在傳統陶瓷產品設計過程中，繪制效果圖、制作模型、繪制加工圖紙等設計任務主要靠手繪和手工制作完成，這些工作受設計者的經驗，材料、成本等因素的限制。傳統陶瓷設計基本以手工制作為主，由手工繪制的圖紙向立體模型轉換的過程中，匹配精度不高，反復修改方案不僅加大了工作量，而且會嚴重影響設計項目的整體進度，制作周期長是普遍現象。在陶瓷設計方案的推進過程中，設計師需要就產品本身與各方人員進行交流，設計表達顯得尤為重要。僅依靠手繪效果圖的表達方式不能很好地傳達立體效果，這種二維的展示形式與最終的產品有一定的差距。傳統方式制作實物模型需要石膏模具翻制，石膏模具受天氣、設備、技術水平的制約，制作不便捷，耗時耗力。

3D打印技術的應用使得產品研發階段的設計表達更加直觀清晰，利用3D打印技術、3維掃描技術等數字化方式，能夠全方位、立體化的展示產品的整體面貌。由于3D打印技術的靈活性，數字模型高度的可編輯性，設計人員能夠在設計過程中的任何階段根據新的問題進行調整、修改，制作數字模型所耗費的時間遠遠少于手工繪制靜態圖和制作實物模型。由于采用計算機繪制，減少了大量的人力和材料的耗費，制作周期和制作成本都得到了有效控制，大大降低了能耗[1]。

2 3D打印在陶瓷設計中的工作流程

2.1 三維模型的制作

利用3D技術進行陶瓷設計，數字模型的構建對于整個設計階段起到了至關重要的作用。設計師根據數字模型和3D打印的實物能夠更加直觀地審視作品的造型特征，快捷地優化設計方案，為生產制造提供生產數據以及技術保障。如圖1所示，利用三維建模軟件Rhino設計一個多面體，前期設計師根據概念草圖，繪制陶瓷產品的三視圖，為模型建造提供參照。然后，設計師根據不同的設計要求，選用相應的三維軟件進行制作，結合陶瓷產品造型特點，選用相應的建模方式和工具。陶瓷3D打印機推薦使用的三維建模軟件包括了Rhino、3DS MAX、Inventor、Sketchup等，這些軟件具有強大的曲面建模工具，并且設計的模型可以快速的轉化為STL文件格式，可以被3D打印切片軟件識別的常見格式。得益于三維建模軟件強大的曲面造型能力，為陶瓷產品的設計開發提供了技術支持，使設計師能夠完成形體造型更為復雜的陶瓷產品。

對于造型復雜的陶瓷產品擁有很多變化的曲面，這就對曲線的曲率規格要求很嚴格，為了保障陶瓷產品擁有光順的視覺效果和完美的手持舒適感，這就需要借助三維建模軟件強大的曲面造型工具進行仔細認真的設計，并通過3D打印機實現驗證，如圖2所示，通過3D打印機完成首版的制作，設計師針對設計方案進行設計評價，優化方案模型，可以快速進行造型比較和分析，從而減少了工作環節，提高了生產效率[2]。傳統設計方式在處理陶瓷造型上的雙曲面和自由曲面方面存在很多技術難點，然而設計師借助數字化技術，在處理一些復雜曲面時就變得靈活簡便。

2.2 3D打印泥胚的制作

陶瓷3D打印機與傳統的塑料打印機在原理上是相同的，都是基于降低維度的設計理念，從原有的三維物體通過軟件的處理為二維的圖形，同時生成不同的直角坐標點，而不同的直角坐標點又有不同的G代碼，從而驅動電機的運轉，生成一層層堆積的三維形態，如圖3所示。陶瓷3D打印機往往都是使用濕黏土作為打印材料，濕黏土不夠結實，無法制作出更多有趣的形狀，而硬質黏土可以完美的解決這個問題，因此通常的陶瓷打印機都在使用硬質黏土。

陶瓷3D打印機由于也是使用分層堆積成型方式，因此其表面也會出現層狀紋理。通常陶瓷3D打印機的打印層厚是10毫米，這樣的設置可以兼顧到打印速度與表面質量，如果要想得到更好的表面質量就需要將打印層厚調整為0.3毫米，但是大型打印作品通常不需要這樣的精度。最后將打印好的陶胚進行表面光滑處理，然后放置于陰涼處進行風干。

2.3 陶胚表面處理

由于3D打印的逐層打印的工作原理，打印出來的陶胚模型表面不是非常光滑，打印的精確度也沒有達到和原始設計模型完全一致，同時在打印過程中會有殘缺或多余的拉絲現象，打印出來的模型還要通過相應的打磨技術進行表面處理，最終成為光滑可用的模型樣板。對于打印精度在0.3毫米的高精度的模型，可用細砂紙進行表面輕微打磨，對于打印層厚在0.3毫米以上的模型，可用中粗砂紙進行模型打印[1]。對于打印好的模型需要將表面浮灰吹掃干凈，然后在表面施加彩繪，待晾干后進行表面上釉處理，最后放入窯中燒制。

3 3D打印技術在陶瓷設計中的應用案例

3D打印技術作為一種增材制造技術被廣泛的應用于產品樣板的設計中，在3D陶瓷打印出現之前，人們通過手工將陶胚不斷的修正，已達到自己所想要的造型設計。但是傳統的方法完全依賴于手工創作者的經驗，而且產品樣板的制作通常需要耗費很長的時間完成。陶瓷3D打印機則是通過的三維軟件對設計稿進行三維數據的成型，人們可以直接在電腦軟件中對模型進行修改，方便創作者不斷修改完善，在完成三維模型的制作后，通過連接陶瓷3D打印機對三維數據進行打印，可以把三維數據的模型很快的轉換為實體樣板。如圖6所示，這是一些瓶子的樣板模型，從打印的效果中可以看出來層層堆積的紋理，而設計者正是利用了這種一層一層的效果，并沒有對表面進行拋光和打磨，反而使產品看起來很特別，最后通過窯爐的燒制，形成最終的產品。不僅節省了大量的成本和時間，還為陶瓷模型的制作提供了便利的可修改性、實驗性和創造性，對于產業未來的發展具有極大的推動力。

3D打印技術在陶瓷產品開發設計階段起著關鍵作用，并且是一個重要的環節，對于傳統手工無法實現的樣板模型，在陶瓷3D打印機中也可以實現。如圖7所示，對于一個杯子造型的器物，在其表面鏤空的雕刻出很多的網洞造型。這樣的造型通常需要高超造型手藝才能制作出來，并且如果其中的一個網洞雕刻壞了，整體造型也就失敗。但是借助陶瓷3D打印機就可以很輕松的實現這一造型，只要將陶瓷3D打印機的打印精度調整到0.3毫米左右的高精度打印，在軟件的設計制作中也是非常容易完成。

4 結束語

通過對陶瓷3D打印技術與傳統陶瓷設計方法比較，可以看到陶瓷3D打印機的優勢，它縮短了陶瓷產品開發的環節，大幅度提高了效率和質量。當然任何事物都有兩面性，在其應用流程中，也看到了陶瓷3D打印機也存在者先天的不足，就是表面質量不高，會出現層狀紋理，需要后續加工打磨，同時打印材料也收到一些限制。隨著3D打印技術的成熟和陶瓷材料研發的突破，會使陶瓷產品開發中運用 3D打印技術變得更加普及和趨于民用化，為陶瓷產品開發領域帶來了新的發展機遇，它有著巨大的市場潛力，能帶來高額的經濟效益。

參考文獻

[1]周興海.基于3D打印技術的陶瓷造型制作的研究[J].文化創意，2015（11）：108-109.

[2]楊連科.基于3D打印技術的容器設計與制造[J].科技創新與應用，2015（6）：26.

[3]王超.3D 打印技術在傳統陶瓷領域的應用進展[J].中國陶瓷，2015（12）：6-11.

[4]蘇珂，王熙.3D打印技術的工業產品應用研究[J].河北企業，2015（3）：97-98.

[5]劉欣靈.3D打印機及其工作原理[J].網絡與信息，2012（2）：30.

作者簡介：楊濤（1982-），男，漢族，寧夏銀川市人，蚌埠學院藝術設計系，助教，碩士。