3D陶瓷打印技術(shù)在日用陶瓷行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的研究

金亮

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，景德鎮(zhèn) 333403）

Summary&Review綜述與評(píng)述

3D陶瓷打印技術(shù)在日用陶瓷行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的研究

金亮

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，景德鎮(zhèn) 333403）

當(dāng)今社會(huì)，伴隨著智能化工業(yè)時(shí)代的到來，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化、信息化、智能化的生產(chǎn)制造技術(shù)已在日用陶瓷行業(yè)勃然興起。目前，日用陶瓷的發(fā)展前沿之一為3D立體成型打印技術(shù)（3DP），其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)與藝術(shù)特色，能夠快速地塑造精準(zhǔn)的造型、突破傳統(tǒng)工藝局限以及多品種少批量化的發(fā)展模式等特點(diǎn)，為當(dāng)代日用陶瓷生產(chǎn)與科技信息產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展融為一體提供新的契機(jī)。同時(shí)，3D成型打印技術(shù)的發(fā)展又使得傳統(tǒng)日用陶瓷從業(yè)者及企業(yè)工廠發(fā)展面臨著巨大挑戰(zhàn)。基于此，探索3D成型打印技術(shù)在日用陶瓷行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，并提出實(shí)用性的應(yīng)用策略，以期為3D打印技術(shù)在日用陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用和后續(xù)發(fā)展提供可行性參考。

3D打印技術(shù)；日用陶瓷；發(fā)展趨勢(shì)

1 3D陶瓷打印的工藝特點(diǎn)

3D陶瓷打印成型工藝來源于傳統(tǒng)的泥條盤筑成型技法和陶輪拉坯成型技法。陶輪成型法是純手工的捏塑成型工藝的“快速成型”技術(shù)，其原理是通過轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)泥坯產(chǎn)生圓周旋轉(zhuǎn)，兩手近似靜止或上下規(guī)則移動(dòng)將坯體塑造成型的一種工藝技法。3D陶瓷打印是打印機(jī)放置坯體的底盤與機(jī)架不動(dòng)，通過打印機(jī)三軸連桿進(jìn)行上下、左右、前后的移動(dòng)，即“機(jī)械手臂”的反向“拉坯”，打印噴頭吐出線性泥條，按計(jì)算機(jī)設(shè)置完成的文件路徑逐層堆積，基于泥條盤筑法的方式完成陶瓷坯體造型。3D陶瓷打印工藝呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

1.1 人與泥的關(guān)系轉(zhuǎn)化為人與數(shù)據(jù)、人與機(jī)的關(guān)系

傳統(tǒng)陶瓷成型工藝為純手工制作，首先由專業(yè)的師傅將黏土與水按照一定比例調(diào)制混合，后將其進(jìn)行分割分塊制作，再進(jìn)行反復(fù)的揉、敲、搓等，排除黏土中的氣泡，最后進(jìn)行手工塑形，如泥條盤筑、拉坯成型、模具成型、泥板成型等，以上整個(gè)過程是人與泥關(guān)系的體現(xiàn)。而3D陶瓷打印工藝（圖1），從泥料的添加到打印成型均為機(jī)器自動(dòng)化。泥料的輸送是利用空氣壓縮機(jī)與儲(chǔ)泥桶連接，將真空練泥機(jī)制作好的泥料，通過PU管送至打印噴頭內(nèi)部，利用攪輪進(jìn)行攪拌擠出。成型過程前，不但可以通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)產(chǎn)品的直徑、高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，打印過程中還可通過調(diào)節(jié)氣壓的大小來控制運(yùn)料的快慢；同時(shí)能精準(zhǔn)地根據(jù)控制軸對(duì)噴頭的控制進(jìn)行定點(diǎn)送料，最終在控制軸與噴頭協(xié)同工作下完成坯體成型。造型設(shè)計(jì)的過程也是借助機(jī)器（計(jì)算機(jī)）等建構(gòu)數(shù)字模型完成，整個(gè)過程體現(xiàn)的是人與數(shù)據(jù)、人與機(jī)的關(guān)系。

圖1 3D陶瓷打印工藝

1.2 計(jì)算機(jī)造型設(shè)計(jì)手法的介入

首先，計(jì)算機(jī)成型軟件的使用對(duì)陶瓷成型工藝的掌握提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。3D陶瓷打印涉及利用軟件建模編程來完成塑形及過程，要求3D陶瓷打印從業(yè)人員能熟練運(yùn)用相關(guān)軟件與技術(shù)進(jìn)行操作，同時(shí)還要具備陶藝和創(chuàng)意設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，最后才能綜合運(yùn)用到陶瓷產(chǎn)業(yè)中。其次，修改草圖方便快捷。傳統(tǒng)磨具塑形是首先制作出1：1比例的實(shí)物模型，再利用實(shí)物模型制作模具，最后才能用于實(shí)物的翻模制作，需要經(jīng)過二次成型，如果需要修改形體，必須重復(fù)整道工序。3D陶瓷打印的造型采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，后期如需修改，只要對(duì)軟件模型進(jìn)行編輯即可，從修改造型到打印成型周期縮短，效率提高。

1.3 使用材料的節(jié)約化

傳統(tǒng)的泥條盤筑工藝與拉坯成型工藝在制作過程中為了增加黏土的粘性、緊致性和坯體的圓潤性，會(huì)結(jié)合補(bǔ)水工藝，致使黏土材料流失，且不可回收利用，同時(shí)由傳統(tǒng)工藝制作的坯體在修坯的過程也會(huì)損耗較多材料。3D陶瓷打印工藝是增材制造工藝，工藝基礎(chǔ)是打印機(jī)機(jī)架內(nèi)設(shè)置的三套與黏土噴頭連接的控制軸，每套控制軸都有一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)黏土噴頭在三維空間中的運(yùn)動(dòng)，從底層逐層疊置，定點(diǎn)送料，只對(duì)產(chǎn)品本身的形體進(jìn)行塑造與勾勒；且由此工藝成型的坯體基于紋理特征，在修坯工程中采用極簡修整的方法，不破壞紋理，只在關(guān)鍵處比如器物出口與底座等部位進(jìn)行打磨。

2 3D陶瓷打印工藝的藝術(shù)特征

3D陶瓷打印工藝雖然應(yīng)用的是3D打印技術(shù)，其塑形與制作過程看似理性冰冷，但其同樣為一種藝術(shù)活動(dòng)，即也是運(yùn)用審美的方式，對(duì)于客體世界予以認(rèn)知、反應(yīng)和創(chuàng)造的過程，具有審美價(jià)值，其所具有的藝術(shù)特征很好地反應(yīng)了這一點(diǎn)。

2.1 泥條規(guī)則堆疊的機(jī)理

3D陶瓷打印工藝為堆疊制造工藝，可再現(xiàn)出獨(dú)特的層次紋理線條，不僅有別致的肌理美，同時(shí)可表現(xiàn)出陶瓷成型器物的品質(zhì)優(yōu)劣。打印中所出現(xiàn)的“缺陷”紋理，便是打印過程中送料氣壓的不穩(wěn)定或泥料中含有氣泡或是水土配比不均致使出料速度不一。反之，展現(xiàn)的紋理線條井然有序，循環(huán)排列節(jié)奏韻律感強(qiáng)，為優(yōu)質(zhì)紋理（圖2）。

圖2 泥條堆疊機(jī)理

2.2 幾何機(jī)械的構(gòu)成

3D陶瓷打印的陶瓷制品最大的特征是形體幾何機(jī)械感強(qiáng)，此種形體的塑造區(qū)別于傳統(tǒng)純手工制造，而是依靠三維造型藝術(shù)-NURBS建模成型的科學(xué)建模方法所物化的，拓寬了設(shè)計(jì)者的思維，提升了形體的自由度，以及對(duì)于曲線折線的交叉、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)落與更迭的應(yīng)用。幾何機(jī)械感形體的出現(xiàn)不僅給了傳統(tǒng)陶藝者新的視野，也給予大眾消費(fèi)者以新的視覺體驗(yàn)，是傳統(tǒng)陶瓷形體新面貌的展現(xiàn)，符合現(xiàn)代社會(huì)審美需求。

2.3 內(nèi)部充盈的結(jié)構(gòu)

3D陶瓷打印可以打印充填器物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即在內(nèi)部空間中架構(gòu)結(jié)構(gòu)，隨著機(jī)械臂（控制軸）帶動(dòng)噴頭在三維空間中對(duì)陶瓷坯體內(nèi)外行進(jìn)逐層塑造，噴頭擠出的泥條在每一個(gè)平面層次的任何方位定點(diǎn)描摹送料，最終可以塑造出內(nèi)部充盈的陶瓷產(chǎn)品。打印內(nèi)部結(jié)構(gòu)工藝主要應(yīng)用于藝術(shù)類作品或造型復(fù)雜且有燒成局限的陶瓷產(chǎn)品，實(shí)施內(nèi)部填充式打印，便于復(fù)雜的形體表現(xiàn)，拓寬了陶瓷成型工藝的應(yīng)用范圍（圖3）。

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)打印

3 3D陶瓷打印技術(shù)在日用陶瓷設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

3.1 生產(chǎn)效率的提高

3D陶瓷打印技術(shù)的出現(xiàn)，無論是復(fù)雜造型或精細(xì)的日用陶瓷產(chǎn)品，從軟件設(shè)計(jì)到制成都可以節(jié)省大量的人力及時(shí)間。以景德鎮(zhèn)陶溪川3D陶瓷工作室為例，其3D打印設(shè)備速度在30 mm/s（圓形對(duì)象）或15 mm/s（三角形對(duì)象），最大打印速度為100 mm/s（3 mm擠出寬度和1.5 mm擠出的高度）。圖4中20 cm陶瓷瓶器，造型小巧但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也只需15 min便能完成，相比傳統(tǒng)手工制作模種-翻制模具-注漿-成型或手工泥條盤筑效率提高數(shù)倍甚至幾十倍。

圖4 3D陶瓷打印瓶器

3.2 創(chuàng)作手段的豐富

傳統(tǒng)日用陶瓷工藝中，對(duì)復(fù)雜造型經(jīng)常采用“支釘”“吊燒”等燒成方法，以避免器物因造型的復(fù)雜而造成燒成的缺陷。雖然這種方法在很大程度上保全了產(chǎn)品的完整與完美，但燒成過程極為繁瑣，同時(shí)也會(huì)因產(chǎn)品成功率的降低導(dǎo)致成本大幅度提高。3D陶瓷打印技術(shù)在對(duì)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(duì)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)在泥條逐層積累的同時(shí)也將器型內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)打印出來，打印完畢后的日用陶瓷產(chǎn)品可以保持打印形態(tài)而不必?fù)?dān)心塌陷，所以3D打印機(jī)非常適合打印以傳統(tǒng)工藝成型方法容易塌陷的鏤空、中空，或燒成過程中易變形類等陶瓷產(chǎn)品。

3.3 異性的小批量制作

3D陶瓷打印技術(shù)與以往大工業(yè)批量化生產(chǎn)制造不同，工業(yè)化批量產(chǎn)品只能進(jìn)行單一坯體造型的復(fù)制，都是通過后期對(duì)坯體的不同裝飾改變最終作品形貌；而3D打印技術(shù)的層級(jí)式或選擇性燒結(jié)的成型方式，決定它可以在工作區(qū)域一次性完成多個(gè)不同形態(tài)作品的制作，只需要預(yù)設(shè)好模型數(shù)據(jù)。雖然在批量化產(chǎn)量化制作方面，3D打印技術(shù)無法與工業(yè)化制造業(yè)相比，但是在藝術(shù)的領(lǐng)域，卻成為了一個(gè)優(yōu)勢(shì)：當(dāng)設(shè)計(jì)者們創(chuàng)作形態(tài)近似而又各有不同的批量化作品時(shí)，3D打印技術(shù)的效率會(huì)高很多。

4 3D陶瓷打印技術(shù)發(fā)展前景

4.1 傳統(tǒng)且日用陶瓷行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展使得傳統(tǒng)日用陶瓷行業(yè)面臨更大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，3D陶瓷打印技術(shù)不僅可以快速制作各種異型陶瓷造型，還可以通過遠(yuǎn)程文件輸出，異地打印制作產(chǎn)品。3D陶瓷打印技術(shù)高速便捷的成型方式，使得陶瓷企業(yè)和消費(fèi)者對(duì)先進(jìn)技術(shù)更加認(rèn)可，也促使陶瓷行業(yè)技術(shù)不斷完善。為此，消費(fèi)者對(duì)日用陶瓷也有了更高的追求，在此背景下3D打印技術(shù)被眾多日用陶瓷企業(yè)大肆追捧，成為未來陶瓷行業(yè)發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此，對(duì)3D打印技術(shù)從商業(yè)化角度來看，其更應(yīng)該定位于日用陶瓷個(gè)性化定制、高端藝術(shù)品復(fù)制等小批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)模式。

4.2 專屬定制的日用陶瓷作品

目前，日用陶瓷市場(chǎng)已從傳統(tǒng)“開放式”、“模式化”進(jìn)入到“差異化”、“個(gè)性化”的消費(fèi)模式，消費(fèi)大眾對(duì)個(gè)性化、獨(dú)一無二或?qū)俣ㄖ粕唐返男枨笾饾u變得熱衷起來。3D陶瓷打印技術(shù)正是當(dāng)前數(shù)據(jù)時(shí)代生產(chǎn)技術(shù)的體現(xiàn)。數(shù)據(jù)時(shí)代的生產(chǎn)技術(shù)可以根據(jù)消費(fèi)者需求進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)日用陶瓷低成本私人個(gè)性定制的可能，這種消費(fèi)者個(gè)人為產(chǎn)品本身賦予附加值的模式的開發(fā)與拓展，將成為數(shù)據(jù)時(shí)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的流行趨勢(shì)。

5結(jié)語

日用陶瓷對(duì)人們生活品質(zhì)的影響力始終存在，3D陶瓷打印技術(shù)在日用陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)了制瓷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。目前已經(jīng)有很多陶瓷企業(yè)與教育機(jī)構(gòu)大規(guī)模使用3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)和教學(xué)。近年來，很多日用陶瓷行業(yè)及相關(guān)設(shè)計(jì)人員都在3D打印技術(shù)領(lǐng)域取得了良好的發(fā)展。雖然當(dāng)前我國在3D打印領(lǐng)域也進(jìn)行了一系列的闡釋，但總體上，還存在很多有待改進(jìn)之處。在未來的發(fā)展過程中，只有充分發(fā)揮3D打印的各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更符合消費(fèi)者需求的日用陶瓷產(chǎn)品體驗(yàn)與個(gè)性化追求，認(rèn)清傳統(tǒng)日用陶瓷制作與數(shù)據(jù)時(shí)代生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)系，才能更好地彰顯新時(shí)代日用陶瓷的魅力。

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