基于增材制造的陶瓷器型創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究綜述

賈艷紅

1.清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院，北京 100084；2.清華大學(xué)未來實(shí)驗(yàn)室，北京100084

增材制造是指數(shù)控成型系統(tǒng)根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)將材料按照光固化(SLA)、激光燒結(jié)(SLS)、熔融(FDM)等逐層堆積的方式，最終制造實(shí)體的過程，通俗來講，這就是人們常提到的3D 打印技術(shù)。隨著該技術(shù)的迅猛發(fā)展，它的工藝藍(lán)圖中所能覆蓋的材料類別也越來越豐富，從PLA、ABS 這樣的聚合物材料拓展到金屬材料，甚至到有機(jī)高分子及陶瓷材料等。技術(shù)的迅猛發(fā)展對設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響，它突破了傳統(tǒng)工藝的限制，使受工藝約束的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谛阅艿脑O(shè)計(jì)，甚至衍生出專門面向增材制造的設(shè)計(jì)。本文聚焦于陶瓷增材制造技術(shù)，從設(shè)計(jì)的角度切入，探討該技術(shù)對陶瓷器型設(shè)計(jì)的影響。

一、陶瓷成型工藝與特點(diǎn)

（一）成型工藝

傳統(tǒng)陶瓷制作需要經(jīng)歷泥料煉制、坯體成型、裝飾、高溫?zé)频冗^程，其中陶瓷坯體的成型作為一道重要工序，主要采用注漿、拉胚、盤泥條以及手工捏塑等方法。這些方法適用于簡單規(guī)整的陶瓷坯體制備，而復(fù)雜造型的陶瓷，則需要?jiǎng)?chuàng)作者具備精湛的手藝。在坯體干燥之后，還會(huì)經(jīng)歷一個(gè)修坯的過程。

現(xiàn)代陶瓷，尤其是日用陶瓷領(lǐng)域，在成型技術(shù)上多采用工業(yè)化方式，例如可塑成型、注漿成型和壓制成型，除此之外近幾年靜壓成型、高壓注漿、微波注漿等都取得了一定的研究成果[1]。具體工藝選擇上，會(huì)根據(jù)造型的不同和坯料性能來綜合選擇，為了更好地配合工藝，也會(huì)對坯料進(jìn)行改良，使其達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)并能高效地進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

近十年隨著增材制造在陶瓷領(lǐng)域的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化陶瓷坯體成型方式，將陶瓷坯料按照增材工藝的要求進(jìn)行重新配比，改良成泥漿或粉末，然后將其逐層堆積，最終形成實(shí)體。在這一過程中，可以通過調(diào)整三維模型、打印參數(shù)及切片參數(shù)來得到不同陶瓷坯體的打印效果[2]。

（二）成型工藝的器型特點(diǎn)

傳統(tǒng)陶瓷器類覆蓋酒器、茶器、文房用品、玩具和餐具等各種生活日用品類別，主要的器型包括壺、罐、缽、盤、碟、碗、盒、尊、硯和洗等幾十種。傳統(tǒng)器型造型穩(wěn)重圓潤，表面光滑，覆蓋社會(huì)生活方方面面，兼具實(shí)用性與美觀性，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[3]。

1)主體大多中心對稱，重心穩(wěn)定，胎質(zhì)致密且均勻。關(guān)鍵部分呈軸對稱造型，例如把手、壺嘴、托等部件。

2)能夠抽象出典型的輪廓線，表面多為光滑曲面，經(jīng)輪廓線旋轉(zhuǎn)或掃描生成。

3)多為規(guī)則幾何造型，無銳利轉(zhuǎn)角、斷面、大懸空結(jié)構(gòu)。

（三）存在的限制和問題

受傳統(tǒng)坯體成型工藝的限制，一些非常規(guī)造型實(shí)現(xiàn)難度較大，例如非中心對稱的器型難以通過手工拉坯的方式制作，表面肌理復(fù)雜的器型對手工要求極高，過于尖銳的曲面轉(zhuǎn)折角在燒制過程中容易開裂等。這些問題限制了陶瓷器型的大膽創(chuàng)新，在近十年，一些陶瓷創(chuàng)作者嘗試通過增材制造的方法來解決這些問題。

二、陶瓷增材制造技術(shù)發(fā)展

陶瓷增材制造成型工藝與傳統(tǒng)的泥條盤筑有異曲同工之妙。作為一種最傳統(tǒng)及原始的“快速成型技術(shù)”，在盤泥條的過程中需要處理的是人和泥料之間的關(guān)系[4]。而在現(xiàn)代的陶瓷增材制造成型工藝中，人的角色被機(jī)器替代，通過對三維模型進(jìn)行切片，轉(zhuǎn)換成機(jī)器所能識別的G 代碼文件，然后噴頭按照預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)速度、位置及路徑等參數(shù)，逐層進(jìn)行打印，從而實(shí)現(xiàn)快速成型的過程。其中根據(jù)打印的原材料和打印方式的不同，目前陶瓷的增材制造技術(shù)分為漿料、粉末、陶瓷前驅(qū)體這三大類[5]。

（一）技術(shù)綜述

1.基于陶瓷漿料的增材制造技術(shù)

陶瓷漿料沉積直寫技術(shù)(DIW)[6]：在基板上精準(zhǔn)沉積陶瓷漿料，經(jīng)過逐層反復(fù)堆疊，最終將虛擬的三維文件轉(zhuǎn)換成實(shí)體。由于采取直接沉積成型的方式，所以漿料的制備和擠出裝置的設(shè)計(jì)尤為重要[7]，也是近幾年陶瓷增材制造領(lǐng)域科研人員研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

含有光敏樹脂的陶瓷漿料光固化技術(shù)(SLA)：通常采用光聚合的方式對漿料中的光敏樹脂進(jìn)行紫外光源照射固化。紫外光源根據(jù)特定的掃描路徑，選擇性地逐層掃描，最終形成光固化的實(shí)體原型。作為增材制造領(lǐng)域最先出現(xiàn)的光固化打印技術(shù)，將其應(yīng)用在陶瓷打印領(lǐng)域中，陶瓷漿料的制備是關(guān)鍵應(yīng)用難點(diǎn)，要求陶瓷顆粒在光敏樹脂中的分布均勻，顆粒大小適中，且固相含量適中，只有這樣才能在光固化成型且脫膠燒制時(shí)，避免變形和開裂的問題。因此在漿料制備中分散劑、光固化參數(shù)、陶瓷顆粒表面活性是研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

2.基于陶瓷粉末的增材制造技術(shù)

激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)：在陶瓷粉體中添加粘結(jié)劑，粘結(jié)劑在激光掃描的過程中發(fā)生熔融，將周圍的陶瓷粉體固化粘結(jié)，最終實(shí)現(xiàn)成型。

三維打印成型(3DP)：該技術(shù)和激光燒結(jié)不同的是，粘結(jié)劑并不是直接添加在陶瓷粉體中，而是由打印噴頭在特定區(qū)域逐層向粉床噴涂粘結(jié)劑。

由于粉末本身可以作為支撐材料，能極大地減少重力對打印效果的影響，所以造型上具有更高的自由度，但打印尺寸和打印效果易受到工藝限制。這是由于經(jīng)粉末固化的陶瓷素坯的成形效果極易受到工藝參數(shù)的影響，例如激光選區(qū)燒結(jié)成型技術(shù)中，成型的質(zhì)量直接與激光能量相關(guān)，而且還受掃描速度、掃描間距和激光照射距離等諸多因素的共同影響。通常為了篩選出最佳的工藝參數(shù)，會(huì)采用多因素正交實(shí)驗(yàn)法綜合考量[8]。

3.基于陶瓷粉末的增材制造技術(shù)

陶瓷先驅(qū)體：含聚碳硅烷(PCS)、聚硅氮烷(PSZ)、聚硼氮烷(PBN)和聚硅氧烷(PSO)等有機(jī)材料，應(yīng)用于高性能結(jié)構(gòu)與功能陶瓷。

所謂陶瓷先驅(qū)體是指通過化學(xué)方法制得有機(jī)聚合物，該聚合物相較于傳統(tǒng)陶瓷材料具有更好的可加工性，然后可經(jīng)過熱處理轉(zhuǎn)化為無機(jī)陶瓷材料[9]，這種陶瓷先驅(qū)體是陶瓷制備的革命性創(chuàng)新，甚至為陶瓷4D打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ)[10]。

（二）不同打印技術(shù)特點(diǎn)

1.基于漿料和粉末打印特點(diǎn)

基于漿料和粉末打印的特點(diǎn)在于結(jié)合三維建模技術(shù)，造型的自由度更高，設(shè)計(jì)表現(xiàn)更加豐富。不僅能夠快速打印復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)器型，并且能通過參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式在表面生成各種紋理，對于非中心對稱且表面復(fù)雜的造型，也能打印成功。

由于打印會(huì)存在機(jī)器痕跡殘留，很多藝術(shù)家會(huì)在創(chuàng)作時(shí)巧妙利用這些機(jī)器痕跡的殘留，創(chuàng)作出獨(dú)一無二的作品，這在下一部分實(shí)例分析中會(huì)詳細(xì)介紹。

相較于傳統(tǒng)陶瓷成型，底部及壁厚可以選擇非實(shí)心填充的方式，又可以根據(jù)不同填充率和填充路徑產(chǎn)生多種填充效果。這會(huì)減少原材料的消耗，同時(shí)可以結(jié)合后期的燒制，設(shè)計(jì)梯度型打印結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的打印效果。

2.基于陶瓷前驅(qū)體的打印特點(diǎn)

由于其專業(yè)性較強(qiáng)，基于陶瓷前驅(qū)體的打印技術(shù)在陶瓷創(chuàng)作及器型方面的應(yīng)用較少，多用于先進(jìn)陶瓷制備領(lǐng)域，但未來技術(shù)更加成熟的情況下，勢必會(huì)對陶瓷的造型有重大推進(jìn)作用。

三、基于增材制造的陶瓷設(shè)計(jì)實(shí)例分析

（一）設(shè)計(jì)案例時(shí)間軸

將增材制造技術(shù)應(yīng)用在傳統(tǒng)陶瓷領(lǐng)域的最直接影響，就是解放了傳統(tǒng)陶瓷器型的限制，獲得了形態(tài)上更高的自由度，這種增材制造的方式，使傳統(tǒng)陶藝突破了工藝和材料上的一些特定限制，為創(chuàng)作者提供了更大的創(chuàng)作空間。

比利時(shí)Unfold 設(shè)計(jì)工作室2009 年涉獵陶土增材制造領(lǐng)域，并且在開源的桌面級FDM打印機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)出了第一代陶泥擠出機(jī)，并且對于一些非常規(guī)的陶土器具及陶瓷雕塑形態(tài)進(jìn)行了探索[11]。英國的藝術(shù)家喬納森·基普(Jonathan Keep)[12]也與Unfold工作室一起展開創(chuàng)作，他們一起致力于運(yùn)營和維護(hù)開源陶瓷3D打印機(jī)社區(qū)，幫助藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師改造原有的3D 打印機(jī)，加入陶泥供料系統(tǒng)及改造原有擠出頭，制作屬于自己的陶瓷3D打印機(jī)，并鼓勵(lì)他們在社區(qū)分享有關(guān)陶瓷增材制造的作品和想法。在他們的影響下，先后涌現(xiàn)出了很多優(yōu)秀的陶瓷打印藝術(shù)家和工作室，例如荷蘭藝術(shù)家Oliver Van Herpt[13]和建筑與陶瓷3D打印跨界融合的Emerging Objects工作室[14]。

由于各個(gè)工作室每年都有自己的代表作品出現(xiàn)，為了進(jìn)一步梳理陶瓷增材制造技術(shù)對陶瓷器型設(shè)計(jì)的影響，筆者將近十年來國內(nèi)外有關(guān)的陶瓷增材制造設(shè)計(jì)作品通過時(shí)間軸的方式進(jìn)行了匯總，并在下一小節(jié)對其中的典型案例進(jìn)行詳細(xì)解析。時(shí)間軸見圖1。

（二）重點(diǎn)案例分析

1.Unfold工作室新時(shí)代文物系列

在探究通過陶泥3D打印機(jī)進(jìn)行作品創(chuàng)作時(shí)，赫伯特·里德提出：真正的問題不是使機(jī)器生產(chǎn)的作品適應(yīng)手工藝美學(xué)，而是為新的生產(chǎn)方法制定新的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。為此Unfold 工作室提出了“新時(shí)代文物”這個(gè)項(xiàng)目——由9 個(gè)造型復(fù)雜的陶瓷3D 打印作品組成的收藏品。借鑒于哥特式建筑的支撐結(jié)構(gòu)，在打印過程中利用物體的自身重量線性堆積疊加，從而創(chuàng)造出更輕更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最終形成的陶瓷器型顛覆了傳統(tǒng)的陶瓷工藝。新時(shí)代文物系列作品及其器型結(jié)構(gòu)線提取見圖2。

圖2 新時(shí)代文物

2.英國藝術(shù)家冰川系列

喬納森·基普從自然界中的冰川、漂流木、植被生長等現(xiàn)象中汲取靈感，利用數(shù)字化工具與算法模擬出自然界中天然存在的形態(tài)，從而得到復(fù)雜的無法通過傳統(tǒng)3D建模方法得到的三維模型，并且通過增材制造技術(shù)將這些抽象形態(tài)生產(chǎn)成陶泥坯體。冰川系列作品及程序模擬生成的模型見圖3。相比于傳統(tǒng)造型，這種獨(dú)一無二且不規(guī)則的自然形態(tài)，是對自然的仿生和模擬，進(jìn)一步拓展了傳統(tǒng)陶瓷的語義造型庫。

圖3 冰川系列

3.機(jī)器的確定性與隨機(jī)性

荷蘭藝術(shù)家Olivier Van Herpt 受Unfold 工作室的啟發(fā)，也開始投身于陶泥3D 增材制造的研究中，但是他對于Unfold 工作室所設(shè)計(jì)的陶泥3D 打印機(jī)并不十分滿意，Olivier Van Herpt 想打印更大尺寸的作品，并且對作品的精度有更高的要求。為此他耗時(shí)兩年左右的時(shí)間研究如何改造目前的陶泥打印設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)過對設(shè)備的調(diào)研和實(shí)踐摸索，他發(fā)現(xiàn)對于大尺寸的陶泥打印來說，相對于Unfold工作室xyz型的打印機(jī)，Delta結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，它采用并聯(lián)臂結(jié)構(gòu)，移動(dòng)迅速且精度高。除了對設(shè)備的探索，在泥料和擠出系統(tǒng)上，他也做了創(chuàng)新嘗試，對泥料的配比進(jìn)行了重新調(diào)配，并且采用了穩(wěn)定的推進(jìn)擠出系統(tǒng)，相比于之前的空氣壓縮機(jī)擠出陶泥，出泥速度更加穩(wěn)定可控。這些硬件上的嘗試，讓他的作品突破了尺寸和精度的限制。

除了對機(jī)器的改造，他更多地融入了對于打印流程本身的思考，即如果人們能夠使機(jī)器生產(chǎn)不需要排除環(huán)境干擾，反而將溫度、濕度、噪音、地理位置等環(huán)境因素作為干擾變量，直接影響生產(chǎn)過程，會(huì)對最終產(chǎn)物有什么樣的影響呢？為了摸索機(jī)器的確定性與隨機(jī)性，他為打印機(jī)增加了額外的傳感器，能檢測環(huán)境中的溫度、濕度和聲音等，這些外部環(huán)境的變化，會(huì)影響3D打印的形狀和表面紋理，研發(fā)的機(jī)器及打印作品見圖4。

圖4 研發(fā)的機(jī)器及打印作品

4.跨學(xué)科的嘗試

美國加州的Emerging Objects 工作室將陶瓷打印與文化、建筑、自然結(jié)合。這家工作室在陶瓷增材制造領(lǐng)域最先被了解是通過Gcode.Clay這個(gè)項(xiàng)目。由于陶瓷增材制造經(jīng)常會(huì)留下一層一層的堆疊痕紋路，這一直被認(rèn)為是機(jī)器打印的缺陷，但是這家工作室將其作為一種設(shè)計(jì)元素應(yīng)用到了造型領(lǐng)域，通過巧妙設(shè)計(jì)打印路徑，在陶器表面形成多種編織、螺紋、卷曲等類似紡織品的表面效果，并把這些表面紋理應(yīng)用在建筑的外立面上，形成天然環(huán)保的建筑外表皮，這其中所展現(xiàn)的細(xì)節(jié)是無法用手工實(shí)現(xiàn)的，系列作品見圖5。

圖5 Gcode.clay項(xiàng)目系列作品

四、增材制造對于陶瓷器型的創(chuàng)新

（一）新的設(shè)計(jì)語言

通過對陶瓷增材制造設(shè)計(jì)案例的梳理和分析可以發(fā)現(xiàn)，通過增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的作品有著和傳統(tǒng)陶瓷器型完全不一樣的風(fēng)格，甚至可以說由于生產(chǎn)方式的改變，衍生出了獨(dú)特的設(shè)計(jì)語言和表現(xiàn)方式。

首先是肌理表現(xiàn)上，增材制造這種逐層制造工藝，難免殘留機(jī)器的分層痕跡，但是設(shè)計(jì)師也可以巧妙利用這獨(dú)特的分層線條，設(shè)計(jì)出更多可控的表面細(xì)節(jié)，尤其是結(jié)合數(shù)字化建模技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)手工難以實(shí)現(xiàn)的形態(tài)循環(huán)，產(chǎn)生極強(qiáng)的節(jié)奏韻律感。

其次是整體造型上，相較于傳統(tǒng)圓潤且重心穩(wěn)定的造型，整個(gè)形體的幾何機(jī)械感強(qiáng)，可以明顯看到曲線及折線的轉(zhuǎn)折、交叉、旋轉(zhuǎn)，形成了錯(cuò)落有致的動(dòng)態(tài)效果。尤其是結(jié)合內(nèi)部的填充式打印，便于復(fù)雜形態(tài)的表現(xiàn)。

而且由于陶瓷增材制造技術(shù)仍在動(dòng)態(tài)發(fā)展中，就算是同一個(gè)設(shè)計(jì)模型，由不同打印設(shè)備，甚至是同一設(shè)備采取不同打印參數(shù)都會(huì)帶來截然不同的效果，這種表現(xiàn)的多樣性與不確定性，是傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)作品中所沒有的。

（二）新的創(chuàng)作方式

正是由于機(jī)器的確定性，創(chuàng)作者也試圖融入新的變量來制造隨機(jī)性，使作品獨(dú)一無二，這是一種全新的創(chuàng)作方式。例如在作品中加入“突變”紋理，通過氣壓的不穩(wěn)定或水土配比不均勻使出料速度不一，以及通過使用非常規(guī)參數(shù)設(shè)置來摸索打印效果，這些非常規(guī)參數(shù)包括但不限于層高變化、流量變化、擠出高度和擠出頭粗細(xì)等，甚至是通過全新的打印路徑規(guī)劃方式，來摸索無支撐路徑下，泥料自然下垂的變化。

對比傳統(tǒng)的陶瓷創(chuàng)作，陶瓷增材制造的加入，不僅使制造過程能夠快速精準(zhǔn)，更是將數(shù)字化設(shè)計(jì)融入其中。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段，就可以更好地利用軟件建模及數(shù)字化編程來完成造型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)迭代更為方便。這種結(jié)合數(shù)字化制造和數(shù)字化設(shè)計(jì)的方式，改變了傳統(tǒng)的陶瓷設(shè)計(jì)迭代過程，縮短了設(shè)計(jì)制造的周期，使陶藝創(chuàng)作的效率顯著提高。

五、未來發(fā)展趨勢

（一）跨學(xué)科交叉

增材制造作為一種數(shù)字化制造的手段，具有多學(xué)科交叉的優(yōu)勢。而在陶瓷增材制造領(lǐng)域，不僅僅是增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)陶瓷的碰撞，還會(huì)融入編程、算法、數(shù)字化設(shè)計(jì)和復(fù)合材料等多學(xué)科內(nèi)容，產(chǎn)生的成果也會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間。不僅有像上面案例中所提到的陶瓷增材制造與建筑的融合，而且在未來有關(guān)于陶瓷的增材制造，也會(huì)有多學(xué)科交叉的趨勢。

（二）智能化材料

在增材制造領(lǐng)域，各種智能響應(yīng)性的材料研究，拓展了傳統(tǒng)3D 打印的維度。例如Xprint 模塊化液體材料3D打印平臺，能夠打印對溫濕度敏感的納豆細(xì)菌可變形材料、高彈性的海藻酸鈉材料和生物兼容性良好的水凝膠材料[15]。MultiFab計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室CSAIL，能夠打印十多種不同材料的3D 打印機(jī)，采用復(fù)合材料通過光固化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)混合打印[16]。MM3D多材料多噴嘴柔性材料增材制造系統(tǒng)，單個(gè)噴頭就能夠?qū)崿F(xiàn)打印材料的快速切換，極大地拓展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造能力[17]。在陶瓷領(lǐng)域也有研究者在進(jìn)行智能化材料打印的嘗試，通過融入響應(yīng)性智能材料，多種成型方式結(jié)合，制備具有明顯梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合陶瓷材料[18]，結(jié)合先進(jìn)陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行高性能陶瓷功能零件的制備，以及醫(yī)療生物陶瓷的制備等研究[19]。這些都是目前陶瓷增材制造領(lǐng)域的前沿研究，也代表著一定的未來發(fā)展趨勢。

六、結(jié)語

本文通過對陶瓷增材制造技術(shù)的綜述，以及對近十年陶瓷增材制造典型設(shè)計(jì)案例的分析，探討增材制造對陶瓷器型的設(shè)計(jì)影響，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望[20]。陶瓷增材制造技術(shù)的發(fā)展，不是為了取代傳統(tǒng)手工藝而出現(xiàn)，更多的是對陶瓷成型技術(shù)的一種補(bǔ)充和探索，未來也許會(huì)被視為陶瓷技法的一部分，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，技術(shù)與設(shè)計(jì)相互影響，動(dòng)態(tài)向前。