數字化在傳統陶瓷模具行業中的運用

吳俊卿

摘 ?要 ?本文主要闡述了數字化設計、逆向工程技術以及3D打印技術在傳統陶瓷模具行業中的開發與運用。對比傳統模具制作，數字化的模具具有可重復性、可感知性等傳統模具不具備的條件，這些條件從一定程度上為陶瓷產品的創新和開發提供了極大的便利

關鍵詞 ?數字化設計;陶瓷模具;運用

0 ?引 ?言

眾所周知，傳統陶瓷模具的制作非常依賴手工。因此，隨著自由設計師以及其他非陶瓷專業人才跨界加入陶瓷領域，傳統陶瓷迫切需要一種更為智能的生產方式。隨著數字化技術的愈發成熟，尤其是被稱為第四次工業革命的3D打印的商業化普及運用，數字化的設計、生產在陶瓷模具領域越來越得到廣泛的運用。

1 ?數字化設計及逆向工程

1.1正向建模

自二十世紀六十年代起，計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）開始得到運用，并逐漸從二維開始向三維發展。目前，三維建模主要包括曲面建模（NURBS）和多邊形建模（ploygon）兩種方式，代表性的軟件包括Rhino、3D Studio Max、Auto-desk 123D等。三維建模最早主要應用于機械、建筑、工業設計等領域，利用三維建模技術可以更直觀地表現出形體造型、結構等特點，解決了部分從三維設計構思到二維設計圖紙再到三維設計實體環節中可能出現的問題。

1.2逆向設計（對數據進行優化和完善）

逆向工程（reverse engineering，RE）作為設計的一種輔助手段，最早被用于機械、工程等科技領域，近年來，隨著技術的普及化，逆向工程在工業設計領域被得到越來越廣泛的運用。逆向工程是指從實物樣件獲取產品數學模型，進而開發出同類的先進產品的技術。根據設備是否和實物接觸，可分為接觸式和非接觸式2類。目前最為普及的設備是非接觸式三維掃描儀，包括激光和拍照式兩種掃描方法。在得到產品的數學模型后，利用CAD技術得到相同、相似或優于原產品的數據模型，再結合計算機輔助制造CAM（computer Aided Manufacturing）技術，得到相關的實體模型。逆向工程技術在產品的再設計、深度開發中被得到了廣泛的運用。

2 ?傳統陶瓷模具

根據考古發現，陶瓷模具作為一種輔助成型手段，在新石器時代就已經出現，稱之為陶范，制作方法為敷泥法，即內模成型。至春秋戰國時期，模制法采用外模，并且有單模、合模之分，與從前采用內模的制法有明顯差別。

2.1傳統陶瓷模具的制作方法

陶瓷模具根據其在生產過程中的實際作用，一般分為母模和子模，即模種和模具。首先運用捏塑或車削等方法制作出所需要的造型實體，即母模;然后根據造型的復雜程度，對母模進行分片翻模制作出陰模，即子模。材料一般包括兩類，即泥坯模具和石膏模具。

陶瓷行業發展至今，生產分工都很明確，不論在工廠或是產區，模具的制作都有專門的部門進行制作，設計師一般只需要提供相應的圖紙，即可進行模種和模具的制作。

2.2傳統陶瓷模具的局限性

傳統陶瓷模具的制作方法一般都是由設計師提供圖紙，再由專門的部門將二維的圖紙制作成立體的泥稿或石膏模種，然后再對模種進行翻模，最后得到生產用的模具。由于設計師和制作者在通常情況下并非由同一人完成，便不可避免地可能會出現造型理解上的誤差，因此，為了達到最理想的狀態，在模種的制作環節需要設計師和制作者之間的反復溝通，從而導致產品的生產周期延長。并且，由于陶瓷的特性，在生產過程中存在收縮的問題，實際尺寸和模具尺寸存在一定的縮放比，因此對于一些不是長期在生產線上的設計師而言，一般很難把握好生產出的陶瓷產品的容量、尺寸等物理數據，特別是對于一些對容量要求特別高的日用陶瓷而言，哪怕一些經驗豐富的設計師也很難把握。

另外，傳統的陶瓷模種一般都是以泥或石膏為材質的，由于材質的原因，這樣的模種十分容易損壞，即使在沒有受到外界撞擊的情況下也會受溫度、濕度的影響產生風化、剝落等問題，并且隨著模種數量的不斷增多，對于保存這些模種也會消耗掉相當大的空間和人力資源。模種的損壞、保存等問題也會間接影響到該模種的二次利用，假如模種已經損壞或丟失，在圖紙依然存在的情況下也很難制作出一模一樣的模種，這就會導致前后產品造型上的差異，從而影響生產銷售。

3 ?數字化模具的種類及優勢開發

區別于傳統模具先由設計師繪制二維圖紙，再有專門部門手工打樣制作模種的制作方式，數字化的模具一般由設計師利用三維設計軟件直接繪制產品的立體效果圖，再通過機械加工的方式得到模種。

3.1數字化模具的加工方式

目前普遍的加工方式主要包括兩種：數控加工和3D打印。數控加工是模具零件加工的主要方法，如數控車削加工、數控銑削加工、數控線切割加工、數控電火花加工等。數控加工工藝具有精度高、加工表面質量好的優點。而且，數控加工的材料可選擇性強，多使用pvc、酚醛樹脂等強度較高的材料，因此在最后得到的模種質量往往比較高，并且不易損壞。數控加工的方式適用于大部分日用陶瓷模具的制作，但是對于一些造型復雜的雕塑，由于其本身機械結構上的原因，便無法進行加工。

3D打印（3D-printing）也稱為增材制造（additive manufacturing，AM），增材制造技術是通過CAD設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除（切削加工）技術，它是一種“自下而上”材料累加的制造方法。這種制造方式不受造型的約束，英國《經濟學人》認為它“與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業革命”。相對數控加工，3D打印目前的劣勢主要在于精度相對較低，因此3D打印目前大多還是被應用于設計的手板和驗證環節。近年來，隨著技術的發展，3D打印的速度和精度不斷提高，成本逐漸降低，因此在制作一些體積不大的復雜造型時，可以運用3D打印的方式。

3.2數字化模具的優勢

對比兩種模具的制作方式可以看出，相對傳統模具“設計師-圖紙-手工打樣-模種”的制作方式，數字化模具是“設計師-圖紙-機械加工-模種”的制作方式，因此在最后得到的模種造型上，數字化模具的造型相對會更接近于設計師的預想，并且由機械代替手工制模，可以節約設計師和制作者之間的溝通時間，從而提高效率。

采用3D打印技術制作的數字化模具，可以將陶瓷產品的各個部件，例如：壺身、壺把、壺嘴連接在一起進行一體打印，從而對成品的使用舒適程度、整體造型進行整體把握，并且通過結構分析，可以對后續生產過程中可能遇到的問題及時修改設計方案;利用3D打印技術，還可以將模具做成1：1的空心模型，從而來測算生產后的實際容積，對于一些高檔咖啡具、茶具的生產可以節約大量的打樣、驗證所帶來的時間和成本。

對于一些根據實物來進行打樣的產品，例如對紋樣、造型的移植與再設計，一般的制作方式都是由經驗豐富的師傅參考實物，根據自己的經驗和審美進行打樣，然后翻制模具，最后進入生產制作環節，因此，在造型的仿真度上會存在一些誤差。借助逆向工程技術，通過三維掃描，將需要仿制的產品進行數字模型重建，所得到的數據可以直接進行陶泥3D打印或進行cnc雕刻來開發母模。這種工藝目前已被普遍運用到文物修復、文創產品開發等領域，在陶瓷行業中的運用也正在越來越普遍化。

在高強度的生產當中，石膏模具具有一定的使用壽命，因此，一般的陶瓷生產企業都會配備專門的模具制作部門，專門負責制作生產中所需要的模具。模具的翻制自然離不開模種，傳統的模種一般也都是由石膏制作而成，因此也都具有一定的使用壽命，長時間存放導致的老化或者一旦損壞就需要重新制作，手工制作必然會產生前后模種的差異化，而利用數字化來制作模種恰好能解決這一點，只要對數據保存得當就可以重復制作，并且數字化模種在材料方面選擇更為廣泛，不但可以制作傳統的石膏模種，并且可以制作耐用度更強的硬質塑料、金屬等材料的模種，對于這類模種的保存相對于石膏模種也更為相對容易，不易出現風化、磨損等問題。

3.3數字化模具的劣勢

通過數字化來制作模具的這種方式，近幾年在德化、景德鎮、宜興等陶瓷產區已經相當普遍，這種制作方式對于一些大中企業具有很強的適用性，但是相對于一些中小企業以及個人作坊而言，采用數字化來制作模具的方式有時候反會帶來成本上升、延長制作周期等問題。具體原因有以下幾個方面：

（1）數字化模具的制作對設備的依賴性高。大中企業通常會有專門的設計、開發部門，因此從設計、繪圖、建模到制作一般都在本廠由專業性較高的技術人員完成，設計到制作一系列過程協調性好、效率高。而中小企業和個人作坊往往沒有資金投入到其中，因此一般都是采取代加工的方式來進行制作，在陶瓷行業內，這類代加工目前還沒有專門的工廠，一般都是模具作坊的一個服務項目，因此在模種制作的品質、時效上不能得到保證。

（2）數字化模具的制作對專業性要求高。傳統石膏模具的制作是通過車削來完成的，制作工藝較為簡單，并且制作過程中可以對模種的造型進行實時的觀察，進行即時性的修改。而數字化的模具是根據圖紙，通過建模-制作兩個步驟來完成的，制作者根據圖紙或者實物進行建模，得到加工所需要的數據。需求者通過觀察虛擬數據來判斷是否符合要求，這種觀察顯然不如傳統制作方式來得直觀，因此需要具有較強的造型把控能力和三維想象能力。

4 ?未來數字化模具在陶瓷行業中的發展趨勢

4.1造型上的創新

三維造型設計運用的領域非常廣泛，包括動畫、建筑、工業設計等。陶瓷作為一種成型方式多樣、可塑性強的加工材料，可以結合其它行業的設計特點，例如動畫行業的cg人物設計、建筑行業的參數化設計，結合3D打印、數字化加工等方式，通過跨學科的交叉結合，創作數字化與傳統相結合的陶瓷作品。

4.2共享平臺，助力設計

隨著科技的進步，數字化的制造方式得到越來越廣泛的運用。但是由于其專業性較強，并且對設備的依賴程度高，在中小企業以及個人作坊中還未得到廣泛運用。因此，可以通過搭建共享平臺，提供專業的繪圖與加工服務，共享設計師和加工制造，為生產者提供便利。

參 考 文 獻

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[4]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術發展[J].機械制造與自動化，2013（4）：1-4.

Application of digitization in traditional ceramic mold industry

Wu Junqing

（Wuxi Institute of Arts and Technology，JiangsuYixing 214206）

Abstract ?This paper mainly describes the development and application of digital design， reverse engineering technology and 3D printing technology in traditional ceramic mold industry. Compared with traditional mold making， digital mold has the conditions that traditional mold does not have， such as repeatability and perceptibility. To some extent， these conditions provide great convenience for the innovation and development of ceramic products.

Key words ?Digital; design Ceramic; mold