基于3D打印產品的嶺南灰塑藝術研究*

文/楊輝（惠州學院 建筑與土木工程學院）

嶺南灰塑所呈現出獨有的非物質文化藝術價值，是中華傳統建筑裝飾的重要組成部分。

在當代建筑的沖擊下，灰塑裝飾面臨著如何生存、如何發展的現實問題，如果還只是依賴于傳統建筑而生存，在其生存的廣度、深度、灰塑工匠的人員培養以及經濟因素等方面，必然受到極大限制?；诖?，通過對嶺南灰塑現狀的深入考察分析，本文從3D打印角度研究灰塑藝術，拓展了灰塑的應用領域，有助于灰塑的傳承和發展。

一、嶺南灰塑藝術現狀

對于嶺南灰塑，國內學者主要從灰塑起源、裝飾題材、裝飾紋樣分析、工藝特征、非物質文化遺產保護及美學等角度展開研究。也有部分人員從建筑材料、材料配方、灰塑材料的環保性能及材料制備方法等方面入手研究灰塑的黏結作用以解決石灰熟化、陳化方面出現的問題。國外學界對于灰塑研究多從歷史文物建筑的原真性保護、應用角度進行。經過長時期的研究，形成了世界公認的經典文件如《雅典憲章》《威尼斯憲章》等文件，提出了歷史文物建筑的原真性保護，成為保護文物建筑及歷史地段的國際原則，實現了由原真性保護的理論層面到提出傳統文化遺產可持續發展管理實踐層面的轉變[1]。這些研究成果對本文研究都有很大的借鑒作用。研究發現：

（1）既有研究集中于保護傳承領域，對灰塑創造性轉化和創新性發展等問題關注度不夠。（2）方法上多使用實地調查法、文獻法，少見實驗法、定性與定量分析法、比較法。（3）運用3D打印工藝應用在非物質文化遺產膠凝材料類的實驗與應用研究可借鑒的成功案例少。

二、適用于3D 打印機的灰塑配方

本文公開了一種基于3D打印機的灰塑材料及其制備方法和應用，材料包括以石灰膏為主要原料，配以竹纖維本色卷紙、紅糖、糯米粉、石膏灰、精選細沙等天然材料以及適量的石膏緩凝劑輔助材料，事先經過將近三個月浸泡、發酵、糅合等工序制作而成。本灰塑配方天然無污染，可適應目前室內外的裝飾要求。不僅具有耐酸、耐堿、耐高溫、吸濕、防潮等特點，而且還有很好的環保功能、耐久性抗腐蝕性和可操作性強的優點，材料良好的流動性和韌性能較好地滿足基于膠凝材料的3D打印機需要。

（一）配方比例

基于3D打印機的灰塑材料，按重量份計算，石灰90-110份、石膏20-35份、紅糖1-3份、竹纖維本色卷紙1-2份、精選細沙8-12份、水35-40份、糯米粉2-4份、石膏緩凝劑1-2份。

（二）制備方法

適用于3D打印機的灰塑材料的制備方法包括以下步驟：（1）把竹纖維本色卷紙浸透，攪爛成為紙筋；（2）用清水浸泡生石灰，再過濾除去沙石雜質使其成為石灰膏；（3）按比例加入紅糖、糯米粉、精選細沙和石膏緩凝劑，充分攪拌直到細膩柔滑；（4）將步驟（2）攪拌好的石灰膏與步驟（1）所得紙漿混合并攪拌均勻，密封20天左右完成材料配方的制作；（5）需要使用時攪拌，然后取出進行充分糅合直至變成勁性好流動性強的灰塑材料。

所述制備的灰塑材料在3D打印機處理上應用的步驟包括：（1）將3D打印機的材料桶壁表面處理干凈后，用制備的灰塑材料裝進材料桶并設法把材料均勻放置在打印軸周圍，每次厚度不超過30厘米；（2）在步驟（1）完成后在打印機控制臺執行打印，打印機噴頭的大小可以根據模型對象選擇0.8厘米或1.0厘米或1.5厘米。（3）沙盤模型打印完成后必須對打印機進行清洗。

三、SketchUp建模

SketchUp是一款用于建筑設計的軟件,具有界面簡潔、功能強大、任意拉伸、創建等高線、貝塞爾曲面等優點。在SketchUp中建立三維模型能自動識別設定的線條，加以自動捕捉，可以輕松做到畫線成面，而后擠壓成型。其中SketchUpG3增強版的專用渲染器 Podium，不僅提高了Sketchup對cad圖紙的處理效率，也使設計師在使用Sketchup時面臨的快速建立復雜曲面模型、快速利用等高線建立地形等問題時有了更為快捷簡便的工具。本文將從灰塑模型的構思、建模及出圖三個階段來探討SketchUp在造型設計過程中的應用。

（一）繪制二維圖形

根據設計模型的底面尺寸，利用點擊線條工具或矩形工具勾勒出底面輪廓，并保證輪廓首位在同一平面內相接，這樣會形成建筑模型的二維平面圖（圖1） 1所示；點擊卷尺工具繪制任意輔助虛線作為基準線；也可以由 AutoCAD 或者Illustrator軟件構建模型平面圖， 然后可將其直接導入SketchUp 軟件， 同時將導入的文件細節修改，把 DWG文件中不需要的線條、圖層刪去，避免線條多、雜亂而產生差錯。

圖1 模型二維平面圖

（二）繪制三維圖形

利用SketchUp 中拉伸工具對已形成的平面進行拉伸，迅速形成三維立體效果（圖2）。以此類推，方框內方格的繪制可以通過在指定面上繪制一個矩形，使用拉伸工具拉伸出方格整體的高度和寬度[2]。若要對群組再做編輯，需要雙擊進入群組，編輯完成后單擊左鍵退出群組。

圖2 拉伸出三維圖形

（三）填充材質

為了讓灰塑模型更加逼真，可以為模型填充材質。單擊油漆桶工具，可以從材質對話框選擇合適的材質 ( 如石灰)，點擊材質所在的面即可；也可以用外部材質圖片填充到模型的面上。因為灰塑通常呈白色，這里我們可以不用選擇材質。

（四）模型美化

對模型進行美化，可利用“窗口”菜單中來改變模型風格、增加陰影霧化效果等達成，還可以設計制作模型的外圍環境，主要包括邊框、裝飾線條等。

（五）模型輸出

所有制作工序完成后，可以利用SketchUp 軟件的導出功能，生成.stl格式的三維圖，以供3D打印機的切片軟件識別。

四、3D打印機打印灰塑模型

要進行快速成型的光固化3D打印，就必須要對灰塑模型（圖1、圖2）進行切片。首先將所建模型輸出為3D打印機切片軟件可識別的.stl格式，然后通過切片軟件對模型切片后，另存為3D打印機控制臺可識別的.gCode代碼格式，最后通過使用光固化3D打印機完成打印。如果所建模型出現穿模、重合、虛體等情況（圖3、圖4），3D打印機的切片軟件則默認這些缺點是有效的，這樣切片出來的模型，如果直接打印則有可能出現缺角、缺邊、缺面等情況，因此模型制作過程中如何有效地對灰塑形體的整體設計和細節處理尤其重要。

（一）灰塑材料選擇

在此次灰塑打印實驗中，所生成的對象即為嶺南傳統建筑裝飾構件，材料選擇本團隊研發的適用于3D打印機的以石灰為主材的灰塑材料（圖5），主要從材料流動性、膠凝時間、壓力加工和工藝性等多種性能來綜合考慮。其中，加工工藝的性能優劣尤其關鍵，它直接影響著灰塑作品建造后所呈現的效果。結合此次灰塑實驗的主題，本團隊利用灰塑膠凝材料和3D 打印技術對傳統建筑裝飾構件進行建造，在選取 3D 打印可選用的材料中，就打印灰塑工藝、模型選擇等多方面因素進行綜合考慮，確定符合打印灰塑的材料自身必須具有比較好的流動性、韌性、耐高溫、耐酸堿性及較好的抗壓強度。基于對這幾點的綜合考慮，在多次試驗基礎上，研發了具有很好的環保功能、耐久性抗腐蝕性和可操作性強的灰塑材料。

圖5 材料

（二）打印機選擇

對于打印灰塑材料，主要使用本團隊實驗室中的FY3D-SN213D打印機進行打印，這臺可以輸出尺寸為1500×2000mm的3D打印機設備由寧波高新區方元三維科技有限公司工程師吳小兵主持研發。目前，該公司研發了多種膠凝材料的3D打印機，產品為多所高校及設計院工作所青睞。基于此，針對本團隊設計的灰塑試驗模型可能出現的打印問題，最終選擇使用該公司研發的FY3D-SN213D打印機對灰塑模型進行打印實驗。

（三）灰塑3D打印實驗

1.三維模型的處理

將繪制完成的灰塑模型整體縮放為高 8 厘米的尺寸，再導出為.stl格式，然后導入3D打印機切片軟件對模型進行切片處理。同樣的模型，切片參數不一樣，所切出的圖形精度也不同（圖3、圖4）。這個過程中同時還要設定打印速度、打印口徑及分層級數等。在以上步驟完成后，再將打印模型導出為3D打印機默認.gcode格式，才能形成打印模型。最后把.gcode格式的打印模型存入U盤。

圖3 切片之一

圖4 切片之二

2.打印過程

當U盤插入打印機控制器顯示判斷可以打印后，就可以打印了，在執行打印前，必須先得人工往打印桶里添加灰塑材料，同時注意得把打印材料沿著打印中軸周圍鋪均勻并盡量設法把材料填充到打印桶底，以保證材料能夠飽滿地接觸打印軸，這一步工序完成后再檢測打印機是否運轉正常（圖6），確認無問題后才能夠正式打印模型。執行打印按鈕后，3D打印機就會根據灰塑模型數據自行運算，計算出打印的路徑和動作。然后3D打印機就會采用逐層打印、堆疊成型的模式進行實體打印，打印頭沿水平或者垂直方向移動逐層打印直至模型打印完成（圖7）。這個過程中，團隊成員需要仔細觀察打印過程，對打印過程中的各種情況如材料的流動性、干濕、打印噴頭擠出材料的粗細和速度等進行詳細記錄，以供后期分析。

圖6 打印前檢測

圖7 模型打印

3.后期細節處理

灰塑材料屬于膠凝材料范疇，在3D 打印過程中，灰塑模型偶爾會出現瑕疵的現象，特別是在打印弧面處時，表面會存在材料變細、變粗或者粗糙的情況。因此，在完成所有實體打印之后，還需要對打印出來的實體模型進行后期處理（圖8），也可以等成品干到一定程度利用打磨工具對模型邊緣進行打磨等深化處理。

圖8 后期初步處理

4.實驗報告分析

報告分析內容包括：

（1）分析灰塑打印工藝的優缺點，包括材料收縮與膨脹、材料干濕、材料在打印過程中流動性及打印噴頭口徑粗細對材料擠出的影響等。

（2）噴頭溫度對材料的影響。噴頭溫度決定了灰塑材料的黏結性能、堆積性能、凝固時間以及噴頭擠出材料的寬度，溫度設定太高會加速材料的凝固，致使材料有可能在噴頭擠出前就會硬化的現象。實驗證明，本實驗將噴頭溫度設定為45℃是合適的打印溫度。

（3）根據數據記錄，總結打印過程中對模型成型精度的影響，包括切片的分層數、分層厚度的設定對打印的影響。因為打印厚度會在成形后的實體表面產生臺階的現象，將直接影響成形后實體表面粗糙度，比較理想的做法就是通過設定較小的分層厚度來減少臺階效應。

五、結論

3D打印在建筑領域、工業設計領域的實際應用已初顯規模，但高校對建筑形態的研究及3D打印建筑裝飾，基本上均處于實驗階段。而從灰塑裝飾角度探索3D打印在傳統建筑基本構件的實驗與應用特別少，且無基本的系統理論模式可借鑒。本文根據本團隊實驗室中3D打印機能打印膠凝材料的特點，從灰塑材料配方的研發出發，探索適合3D打印的嶺南灰塑新形態，試圖為嶺南灰塑的傳承和發展尋找一條新的出路。這一探索對于傳統灰塑裝飾的設計創作不僅在方法論上提供現實意義，而且為灰塑裝飾的創新應用提供了新思路，有利于灰塑藝術的傳承和發展。