基于陶泥3D打印機的教學探索

于方軍+夏侯洪濤

9月6日，在第15屆中國（淄博）國際陶瓷博覽會上，陶泥3D打印機及其陶瓷制品的展出引起了很多參展人員的注意。于方軍老師告訴大家，這是一種新的技術，是手的延伸，最初的設計動機是為了用于制陶的教學工作，通過操作陶泥3D打印機，十幾分鐘就可以呈現出學生們設計好的陶瓷作品，便于指導教學。

在進行3D打印教學的過程中，用建模軟件建好模型后，需要用切片軟件切片，并最終通過3D打印機打印出作品，建模和切片過程都可以當堂完成，而打印過程由于PLA材料的打印機打印速度比較慢，一個幾厘米高的作品就要打印幾個小時，無法完成當堂反饋，學習效果就會大打折扣，我們是否可以在不影響學生對3D打印原理理解的情況下，提高成型速度，實現當堂反饋呢？陶泥3D打印機就可以實現這個功能。

陶泥3D打印機與PLA材料3D打印機異同點

PLA材料的3D打印機是根據FDM（Fused Deposition Modeling）熔融沉積成型原理工作的，工作過程為絲狀材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結，最后成型。這種材料的3D打印方式在教學中存在幾個不足：一是成型速度慢，由于噴嘴直徑限制，用這種打印方式進行打印時每一層的層高很小（不能大于噴嘴直徑，一般為0.2mm或0.4mm），導致成型速度慢；二是噴頭需要加熱絲狀材料，所以要加熱到200攝氏度左右，這一點對充滿好奇心的學生來說是個不安全因素；三是作品一次成型，學生的創意只能體現在建模階段。

陶泥材料的3D打印機是根據半流體沉積成型原理工作的，國外有個團隊稱之為Liquid Deposition Modeling，工作過程為半流體的陶泥通過設備擠壓入噴頭，無需加熱過程，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，與周圍的材料粘接到一起成型。這種方式的優勢有：一是成型速度快，陶泥噴頭可以做得較粗，每一層打印的層高就可以很高，打印速度就能提高，在不影響學生對3D打印原理理解的情況下，可以實現學生設計作品當堂打印當堂完成，能實現教學的及時反饋；二是不需要高溫加熱，安全性得到保障；三是原材料可以重復利用；四是原材料價格便宜容易獲得；五是作品打印完成后，由于陶泥的特性還可以在打印基礎上進行二次加工，實現藝術與技術的完美結合。

從文化傳承和發展的層面看陶泥3D打印機

瓷器是古代中國人民的偉大發明，是中華民族對人類文明的杰出貢獻。很多學校都開設了陶藝課，如何讓這門古老的藝術煥發出新的活力，現代的科技能否與它結合？陶泥3D打印機就提供了這樣一條傳承歷史，面向未來的途徑。

傳統的陶瓷制作工藝需要經過練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、彩繪、釉變等步驟，其中拉坯的環節決定著產品的基本形狀，因此要制作一個什么樣的外形，就需要先拉出一個相應的形狀，才能進行后期的制作處理。而傳統的拉坯拉出的大都是中規中矩的圓形，要想制作外形迥異的造型就只能靠模具加工了。但是很多異形的造型就是采用模具也不能生產，只能靠手工雕刻，工藝要求高，耗費工時長，生產效率低。

如果傳統陶瓷材料能用3D打印機打印出來，那么很多奇特的造型就能直接從計算機中的文件變成真實的陶瓷器件了。對于教學而言，它既可以使學生認識和了解3D打印，又可以和傳統的陶藝技術相融合，一舉兩得。對于工業生產而言，則可以提高生產效率，節省大量人力資源，最重要的是它可以突破傳統陶瓷生產技術的限制，充分發揮制作者的想象能力。

將陶泥作為打印的原材料輸送到打印機進行打印，解決了奇特外形瓷器的初加工，使得陶瓷藝術能更加便捷地體現，更加快捷地發展進步，給傳統的陶瓷生產提供了一種新的解決方案，也給其他形式的半流體材料打印成型提供了參考的依據。

陶泥3D打印的課例設計

在進行3D打印的課程設計時，要注意把難點和耗時的過程分解，合理搭配。例如，在入門階段的課程設計中，我們可以通過對一個圓面的簡單推拉生成一個圓柱體（如果時間允許還可以進一步推拉生成一個杯體），把重點放到切片和打印上，如果打印機數量有限，可以采用逐級遞進方式，具體操作可參照如下方式：如誰先畫好杯子，教師可以幫忙切片；正好用這個過程演示切片操作過程。下一步操作可以誰先切好自己畫的杯子，就先給他打印，如果下課之前打印完成，可以帶走。用這種類似于比賽的分段教學方式，可以很好地吸引學生注意力，同時能有效分解操作難度和解決操作時間問題。

進階階段的課程設計，因為學生已經熟悉了基本的建模和切片操作，我們可以適當融入學科知識。例如，畫一個“心形杯”課例設計，我們可以融入相關數學的知識，如圖1～4所示：我們利用SketchUp先畫一個正六邊形，接著連接正六邊形的三個端點形成一個正三角形，然后借助三角形和六邊形的點線面作對稱的弧，擦除多余線后就能得到一個規則的心形。在這個過程中，用一種近乎于游戲的方式，可以讓學生對正多邊形有一個直觀理解，不用刻意說明角度關系，只要求學生把心形畫得美觀、對稱即可。而這些在傳統陶藝課程中是無法滲透的。

打印完成后還可以加入一些后期創意，如可以把自己的指印留到剛打印出來的杯子上，還可以刻上喜歡的名言，掛上不同釉色……學生作品如圖5所示。

陶泥3D打印的特殊要求

1.杯型物體設計

由于陶泥3D打印機用的陶泥原材料較重，需要干燥定型，所以成型有些特殊要求。例如，對于一些口大底小的杯狀物體的成型，如果按照常規打印方式進行，很容易因為自身重力導致坍塌而難以成型，所以在建模或切片過程中可以將杯型物體倒置打印。

2.花瓶型物體設計

要設計花瓶等薄壁空心物體，有兩種方式。第一種方式可以在建模時按照常規方式設計為薄壁結構，但這種設計的缺點是打印機會分為內壁和外壁兩次打印，造成打印物體表面不光滑；還有一種方式是采用實心建模，在切片過程中將物體填充設置為0，壁厚設計為要求厚度，將通用擠出機設置為“螺旋外變界”（專為實心物體打印單層墻殼體設計，特別適合于打印花瓶類物體）。

3.填充與支撐

陶泥3D打印也可以設置填充與支撐，特別是對于打印一些異形物體，如打印人像等，要注意切片時填充不宜過于密集，一般選用方格填充，支撐可以用方格支撐，并且支撐角度也不宜設置過大，要考慮陶泥重力。

以上只是我們在3D打印課程中的一些嘗試，陶泥3D打印課程設計還有一些更有創意的課程期待更多有陶藝課程開發經驗的教師參與，只有這樣才能實現技術和藝術的完美結合。