逆向工程在工業設計陶藝實驗教學中的應用研究

趙士樟 李文娟

摘要：為了提高高校工業設計專業學生在陶藝實驗教學中學習的效率，提升實驗效果。通過傳統陶藝方法，得到一個原始的陶藝模型后進行三維掃描，將三維模型導入計算機運用FreeForm觸覺式雕刻系統進行深入刻畫，最終通過陶瓷3D打印技術將最終產品打印出來進行燒制。得到傳統陶藝工藝無法制作的陶藝產品。為工業設計專業學生陶瓷藝術設計教學方式提供新的路徑與參考。

關鍵詞：陶瓷藝術設計;逆向工程;3D打印;FreeForm

中圖分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）03-0100-02

引言

隨著社會發展與工業設計學科體系建設日益完善，陶瓷藝術設計作為其中一門課程對訓練工業設計專業學生的造型能力與立體形象思維顯得尤為重要。目前粗放式，經驗式，低精度的陶藝教學方式越來越拖慢教學進度與學生學習效率。將逆向工程引入到工業設計陶藝實驗教學中，可以提高陶藝作品的效果、作品精度與成功率。并能夠通過計算機修改陶藝作品模型，進行二次創作。如何在陶藝實驗教學中融入FreeForm觸覺式雕刻系統，3D掃描儀，3D打印等逆向工程技術值得深入的探究。

陶瓷藝術從人類早期的簡易陶盆、陶瓶到現代社會的專業陶瓷藝術設計已有幾千年的歷史。在傳統技術基礎上產出了很多實用、美觀的優秀陶瓷作品。陶瓷藝術設計在很多高校工業設計專業中作為一門必修課，訓練學生的形象立體思維有很好的作用。這種訓練方式雖然有眾多優勢，但也存在著很多弊端。

一、高校陶瓷藝術設計課程在工業設計專業實驗教學中存在的問題

（一）在國內很多高校，陶瓷藝術設計作為工業設計專業的一門必修課，課程時間在16-32課時之間，如此少的課程時間內，學生需要學到很多內容，包括：盤泥條、拉坯、修坯、制作泥板、模種制作、模具制作、倒漿、施釉、燒制等，由于需要學習的工藝眾多，導致學生在短時間內很難學好陶瓷藝術設計。

（二）現階段大多高校陶藝教學模式采取的是粗放式的陶藝實驗教學模式。通過盤泥條、泥板、拉坯、修坯等方式，讓學生通過自己的想象力進行創作。雖然這種教學模式能訓練學生的立體思維，但很難創造一件好的陶瓷藝術設計作品，往往制作出的作品粗制濫造，缺乏推敲，只是一個最原始的形態，無法進行更深入的創作，如：在坯體表面進行雕刻、制作鏤空效果或者制作更復雜的形態。課程作品質量較差，最終燒制出的作品甚至不能稱作是作品，這是短學時與學生工藝不熟練導致的。學生熟練程度與制作工藝遠遠跟不上學生的思想，這種傳統工藝限制了學生天馬行空的創意，使工業設計專業的學生立體思維的訓練大打折扣。

（三）陶瓷藝術設計工藝制作需要較長時間，目前高校的課程時間無法滿足。在盤泥條、拉坯、制作模種、制作模具等工藝都需要晾曬干燥，從而使陶瓷藝術設計從創意到成品的時間達到15-25天。不同工藝的晾曬干燥時間不同，以制作倒漿模具的陶藝創作為例：1.需要2-3天制作石膏模種，并且需將模種晾曬干燥，這個過程需要5-7天，視天氣狀況而定，如遇陰雨天氣會時間更長。2.根據已近干燥的模種制作模具，又需要數天的時間進行干燥。3.將泥漿倒入模具，拆掉模具，再次晾曬得到干燥的泥坯，同樣需要數天。4.將干燥的泥坯進行修整，上釉與燒制，得到最終的陶藝作品。整個陶藝作品制作過程需要半個多月的時間，不利于工業設計課程高效率地開展，并且由于學生技法不太熟練，會導致最終的陶藝作品效果會大打折扣，甚至得到失敗的作品。

針對這些弊端，將逆向工程、陶瓷3D打印技術引入到工業設計專業的陶瓷藝術設計課程中可以很好地改善這些問題，對傳統陶藝課程是一種新的嘗試。

二.逆向工程在陶瓷藝術設計課程實驗教學中的應用

逆向工程（Reverse;Engineering）也稱為反向工程，是80年代初才開始發展的一項新技術，最簡單的一種定義為：從實物到計算機CAD模型。

之前的陶瓷藝術設計與產品設計都是由計算機CAD模型轉化為產品實體模型，這種方式稱為“正向工程”。在面對非常復雜的形態時，這種方式會增大建模難度，耗費大量的時間、精力，而且不利于修改。所以，復雜多曲面產品的開發時，尤其是陶藝產品開發時，應用逆向工程比較合理。

（一）陶瓷原始粗糙模型與數字模型的結合。工業設計專業的學生通過陶泥進行陶瓷藝術設計與創造，得到粗糙的原始陶藝作品，需要很長時間進行干燥，打磨等手段，費時費力。在結合逆向工程后可快速得到精致完美的陶瓷藝術作品。首先將粗糙的陶藝作品通過三維掃描儀進行掃描，快速地得到一個計算機CAD模型。以非接觸式掃描儀為例，由線發射器和發光二級管產生線激光投射到需要采集的模型表面，激光產生紅色射線，并在物體表面進行反射，通過一次反射，CCD圖像傳感器接收光數據信號，隨著物體表面形態的變化，反射角度隨之發生變化。在收集完整的光信號的數據集合后，從而形成一個完整的三維數據點計算機CAD模型。

（二）學生可將計算機CAD模型進行深入刻畫，或者進行二次創作。通過FreeForm觸覺式雕刻系統在計算機中對模型進行修改，用觸覺式的操作方式修改高復雜度的曲面，從而使學生腦中天馬行空的形態得以制作出來。

FreeForm觸覺式設計系統（圖1）是目前世界第一套能夠讓設計師在電腦上利用觸覺就能完成3D模型設計與建構的計算機輔助設計系統。系統包括一套力反饋技術，通過雕刻筆對計算機模型進行修改，得到力的反饋，模擬真實的雕刻效果，類似于現實中的對陶泥的塑造，和陶瓷藝術設計課程緊密結合。FreeForm觸覺雕刻的優勢有很多。1.可實現任意形態的模型制作。在學生得到的電腦CAD模型基礎上，使用FreeForm觸覺式雕刻系統對粗糙的模型進行更多的修改，如在表面進行復雜的雕刻，鏤空等操作，可以非常細致地表現學生想要的形態。2.因為計算機可返回操作錯誤之前的步驟，保障陶瓷作品不會因為操作不熟練導致的失敗。而在傳統的陶藝教學模式中，學生不可能在很短的時間內掌握熟練的陶藝技法，更不可能在脆弱的陶藝坯體表面進行細致的雕刻，并且非常容易出現雕刻時損壞陶藝作品，如穿透、開裂、粉碎，這種失誤是不可逆的，學生只能重新制作陶藝模型，費時費力，很有可能完不成陶瓷藝術設計課程的最終作業。在傳統陶藝教學模式中，由于坯體是陶泥干燥后形成，所以非常脆弱，受力不均時坯體會斷裂，粉碎，因此在對坯體進行修整與打磨時非常容易損壞陶藝坯體。陶瓷藝術設計課程中引入逆向工程后，可基于三維掃描得到的計算機CAD模型上，使用FreeForm觸覺式雕刻系統進行設計與修改，最終完美的避免這些問題，甚至可以快速倒角，通過計算機進行打磨，得到較好的計算機CAD模型陶藝作品。3.使用FreeForm可以大量節省材料，學生通過三維掃描，得到的精確地計算機CAD模型，在觀察不滿意后，往往需要修改或者進行二次創作，在FreeForm系統中，學生可通過加法的方式對模型進行拉伸、擴充、反復修改，也可通過減法的方式對模型進行雕刻、鏤空等操作，節省實驗室耗材。而在傳統陶藝教學過程中，學生在不滿意自己設計的作品時，很難再大幅修改，陶藝作品在干燥后基本不可以進行回收與再利用，學生有新的想法時，只能重新制作，大量的浪費課程時間與課程材料。4.引入逆向工程與FreeForm觸覺式雕刻系統后可以使實驗室環境干凈衛生，減少很多粉塵。在傳統陶藝實驗教學中，陶藝實驗室衛生與學生安全是很重要的問題，陶泥在干燥后和修整過程中會產生大量粉塵，學生會吸入肺部，對身體造成傷害。陶泥中含有很多水分，拉坯過程中也會用到大量的水，在拉坯機這種高功率電器中，機體很容易進水引發的漏電事故，對學生的生命安全產生威脅。而引入逆向工程與FreeForm觸覺式雕刻系統后，使陶瓷藝術設計作品修改和雕刻都在計算機中進行，首先可以減少實驗室環境中的大量粉塵，保障實驗的衛生，并且減少了學生和高功率的電機接觸的時間，降低危險的發生概率。

（二）通過陶瓷3D打印等新技術將陶瓷藝術設計作品完美制作出來。1.FreeForm軟件生成的計算機CAD模型依賴3D打印技術，才能將計算機中虛擬模型制作出實體陶瓷藝術設計作品。目前最適合陶瓷藝術設計課程的3D打印技術為陶瓷3D打印技術，可以將傳統陶藝制作周期大大縮短，只需要1-4小時，就可以完成傳統陶藝15天才能完成的陶瓷工藝與效果。陶瓷3D打印技術是將計算機CAD模型進行分層，通過陶瓷粉末材料進行逐層打印，通過黏合劑進行組合，最終打印出計算機CAD模型，這種技術將學生通過傳統陶藝模式制作的粗糙實體模型在計算機內細化打磨后完美呈現。2.陶瓷3D打印技術的優勢。首先，陶瓷3D打印技術可以將學生的創意快速實現，打印出的陶瓷粉末模型可直接燒制，擁有傳統陶藝教學課程不可比擬的速度，節省了傳統陶藝技法的2-3個步驟，如制作模種、制作模具、晾曬干燥等，只用幾個小時，就可達到傳統陶藝教學十幾天甚至是二十幾天才能達到的效果。3.陶瓷3D打印技術不受傳統陶藝工藝的限制，可制造出任意形態，訓練學生的形象立體思維，不受技法限制。如（圖2）陶瓷實體與陶瓷實體之間的套疊在傳統陶藝上很難實現，更不說對課程時間很短，剛剛接觸陶瓷藝術設計的工業設計專業的學生，他們完全無法制作和實現，非常大地限制了學生的思維。傳統陶藝對學生的立體思維訓練非常局限，僅僅限于可制造出的形態。而陶瓷3D打印可制作出任意形態，或者多個形態的組合。4.陶瓷3D打印技術可輔助燒制陶藝作品，不產生形變。在傳統陶藝作品燒制過程中，由于受高溫影響，坯體變軟，陶藝作品在沒有支撐時受力不均，非常容易產生形變。傳統陶藝教學中，會單獨制作一個支撐物體，減小坯體在高溫窯中的變形。而這種單獨支撐部件的制作，更加浪費十分有限的教學時間。在引入逆向工程與陶瓷3D打印的陶藝實驗教學中，可將支撐部件在計算機CAD模型中直接設計出來，通過FreeForm進行調整，最終與設計的陶藝坯體一同打印出來，相比較傳統模式，更加節省時間，支撐部件與陶藝坯體契合度更好，在高溫窯燒制過程中，使坯體的變形更小，更加貼近學生設計的模型

與初衷，精度更高。

三、引入逆向工程后陶瓷藝術設計課程與傳統陶瓷藝術設計課程相比較有更多的優勢

（一）訓練工業設計專業學生的理性思維與高精度的產品設計思維。（二）傳統的陶瓷藝術設計粗放式的教學模式，雖然使學生可以訓練一定的立體思維，但精度不高，比較隨性，缺乏理性的思考。并且由于工藝的限制，很多形態可以想象到，卻做不出來。引入逆向工程與陶瓷3D打印技術后，可以訓練學生理性的思考方式，用數據化的語言去設計新的形體。（三）工業設計師需要很多邏輯性的思考和基于尺寸的精細化設計，為以后學生進入工作崗位，成為一名合格的工業設計師打下堅實的基礎。（四）引入逆向工程后，陶瓷藝術設計課程將成為高效率的訓練工業設計專業學生產品思維的課程。在傳統陶瓷藝術設計課程中，課時短、制作作品周期長，導致學生的作品都較簡單，無趣。引入逆向工程、陶瓷3D打印技術后，學生可設計更復雜的模型，由于無需等待晾曬干燥，成功率高，只需要原來幾十分之一的時間就可完成高精度、較為復雜的、有趣的陶瓷藝術設計作品，并且保障了作品的高質量。

結語

隨著科技的快速發展，人才需求種類發生變化，傳統的陶瓷藝術設計課程制作作品周期長、成本高、耗精力、低成功率越來越拖慢學生學習進步的速度，課程改革顯得越來越重要。在有限的課程時間內，高效率的提高學生的設計能力，高質量地完成陶瓷藝術設計作品，才能使老師和學生跟得上時代的步伐，傳統的教育模式已經不適應當代的工業設計專業的人才培養模式。新技術下的陶瓷藝術設計課程將會由粗放式、低效率、低成功率的方式轉變為高精度、高效率、高成功率的課程方式。逆向工程與陶瓷3D打印技術的引入陶瓷藝術設計課程一定會為工業設計專業學科培養更多高素質的設計人才。

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