陶瓷產(chǎn)品數(shù)字化設計與模具精確成型方法研究

張明春，楊玲，李文歆，林清源

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷大學 設計藝術學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2.中國科學技術大學科技傳播系，合肥 230026）

陶瓷產(chǎn)品設計通常需要考慮造型與裝飾因素，其中造型是裝飾的基礎，是設計與制造的關鍵。與其他日用品不同，陶瓷產(chǎn)品是以陶瓷黏土為原料，運用特殊工藝批量生產(chǎn)制得的工業(yè)制品。傳統(tǒng)方法多以手工制坯成型，美學因素的考量優(yōu)于尺寸精度，但手工制造存在一定的偶然性，自然會造成產(chǎn)品之間存在差異。傳統(tǒng)方法石膏模具成型需要經(jīng)過“母模——子模”制造階段，設計師創(chuàng)意經(jīng)過圖紙傳遞至制模師后，制模師依照個人經(jīng)驗制作母模與子模模具[1]。在子模制造的過程中，常存在由于設計師經(jīng)驗不足導致無法脫模、細節(jié)缺失等模具設計問題，需要返修或重新設計模具，這就延長了新產(chǎn)品開發(fā)時間。

數(shù)字化設計是基于計算機輔助設計技術，通過建立數(shù)字模型以獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的無紙化設計過程，目前主要用于航空航天、機械制造、汽車工業(yè)、建筑領域等。與傳統(tǒng)陶瓷設計相比，數(shù)字模型信息準確、便于編輯修改，可在計算機中完成模具設計與裝配、虛擬分析與校驗等過程，是產(chǎn)品設計信息化發(fā)展的關鍵。因此，將數(shù)字化技術應用于陶瓷造型設計領域中，能夠促進陶瓷產(chǎn)品實現(xiàn)精確成型，不但有助于提高生產(chǎn)效率，還將促進對該產(chǎn)業(yè)的升級改造。結(jié)合數(shù)字化設計與快速制造理念，陶瓷產(chǎn)品成型方法可以大致概括為直接成型與間接成型兩種方法，見圖1。

圖1 陶瓷產(chǎn)品成型方法Fig.1. Ceramic product forming methods

1 直接成型法

陶瓷產(chǎn)品直接成型可以手工制坯，也可以基于數(shù)字化技術使用陶瓷3D 打印機直接打印成型。前者（傳統(tǒng)手工制坯）可以捏塑、堆塑、泥條盤筑等方法成型，還可以拉坯成型。手工成型大多依靠經(jīng)驗直觀來控制陶瓷產(chǎn)品的坯體造型，這種成型方法要求制坯人員深諳泥性，并有一定的制坯經(jīng)驗。拉坯成型是傳統(tǒng)手工制坯中最常用、最重要的方法之一。

1.1 拉坯成型

拉坯是在輪盤或轆轤車上，用手工方式將泥料拉制成各種坯體造型的陶瓷產(chǎn)品成型方法。它需要經(jīng)過揉泥定位、扶泥把正、開孔拔柱、坯體成型、制底取坯等制坯過程，待泥坯靜置半干后，再經(jīng)過粗修與精修坯體的過程，這樣才可得到所設計的產(chǎn)品造型。這種成型方法勞動強度大，尺寸不宜精確控制，通常是“形似神似”，多用于盤、碗、洗、壺、罐、瓶等產(chǎn)品的制造。此外，拉坯成型過程不易控制，精度較低，具有一定的隨機性[2]。

1.2 陶瓷3D 直接打印成型

陶瓷3D 直接打印成型則是以陶瓷3D 打印機讀取計算機中數(shù)字模型的外壁輪廓路徑信息，通過控制陶瓷3D 打印機擠出頭走位，擠出陶瓷黏土并逐層堆積成型的過程。這種方法可以使陶瓷坯體造型成型較為精確，也便于造型修整。

與手工成型相比，陶瓷3D 直接打印成型方法更加快捷、高效，加工制造成本更低，且成型精度高，應用領域廣。陶瓷3D 打印機是直接打印成型的重要設備，它安裝有可用于精確定位的擠出頭，并能夠通過芯片精確控制材料的擠出時間。比較常用的有Delta 式陶瓷3D 打印機，它有3 根自由連桿連接擠出頭，自由度較高，擠出頭最小直徑可達0.35 mm，可用于直接擠出陶瓷黏土。

陶瓷3D 直接打印成型的流程包括：計算機輔助設計、獲取數(shù)字模型、數(shù)據(jù)分層、G 代碼傳輸、擠出頭堆疊黏土成型等階段[3]，見圖2。其中，成型技術的關鍵在于陶瓷3D 打印機能夠完整讀取計算機中的三維數(shù)字模型的外壁輪廓信息，并將其作為擠出頭路徑信息。在成型過程中，坯體造型依靠先前打印完成的黏土自行支撐，這既極大地節(jié)省了支撐材料，也大幅度提高了成型效率。打印完成后，即可入窯燒制成瓷[4]，完整過程見圖3。

圖2 陶瓷3D 直接打印成型流程Fig.2 Additive manufacture by 3D printer

圖3 陶瓷3D 直接打印成型并施釉燒成Fig.3 Procedure of ceramic 3D printing and glaze firing

這種將計算機輔助設計獲取的陶瓷產(chǎn)品數(shù)字模型，以陶瓷3D 直接打印成型的方法制造出來，不但提高了產(chǎn)品標準率和生產(chǎn)效率，而且降低了人力成本，尤其適合小批量陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)活動。

2 間接成型法

傳統(tǒng)陶瓷設計領域中，考慮到陶瓷黏土特性和生產(chǎn)效率因素，大多使用石膏模具以達到陶瓷產(chǎn)品批量化生產(chǎn)的目的。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展和人們對產(chǎn)品工整度、精確度要求的提升，數(shù)字化模具技術的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，與常規(guī)模具技術相比，數(shù)字化模具具有母模可復制、部件化分形、易于修改等優(yōu)勢，這有助于提升模具制作效率，進而提升產(chǎn)能。

間接成型法技術路線，主要分為常規(guī)模具成型和數(shù)字化模具成型兩種情形，見圖4。

圖4 間接成型技術路線圖Fig.4 Procedure of 3D printing with ceramic indirectly

2.1 常規(guī)模具成型

常規(guī)模具成型包括手工翻模成型、機制模具成型等方法。模具大多選用石膏材質(zhì)，也可以通過機加工方式制造金屬模具。石膏模具主要分為注漿模具、壓坯和印坯模具。其中，注漿模具成型是利用石膏的脫水性，以陶瓷泥漿為原料生產(chǎn)形狀相對復雜、薄壁的陶瓷產(chǎn)品[5]，包括注漿、吸漿、放漿、修坯和脫膜等多個步驟，泥坯處于開模狀態(tài)，見圖5；壓坯模具成型主要利用高速旋轉(zhuǎn)的滾頭滾壓成型；印坯模具成型主要利用靜力壓制成型，通常用于制造較小體積的產(chǎn)品零部件[6]，有時也會選用鋼模具以提高使用壽命。

圖5 注漿石膏模具成型Fig.5 Slip casting mold

制造石膏模具通常包括以下幾個階段。

制作母模——翻制子模——子模模具成型（注漿、壓坯、印坯）——脫模。在實際生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)手工方式完成石膏模具制造，不但消耗勞動力與勞動時間，而且生產(chǎn)效率相對低下。

2.2 數(shù)字化模具成型

數(shù)字化模具成型是應用數(shù)字化設計技術，精準、快速地制造模具的方法。在陶瓷生產(chǎn)領域，有3D 打印PLA 塑料（或其他材料）母模和3D 打印PLA 塑料子模模具兩種方法。它們都需要以制造石膏子模的“間接成型方式”實現(xiàn)。以“跑車水杯”的設計與制造過程為例，它可分為數(shù)字建模、制造模具和注漿成型這3 個重要階段[7]。

2.2.1 數(shù)字建模階段

獲取數(shù)字化模型，既可以正向設計，也可以逆向設計實現(xiàn)。“跑車水杯”意在批判作為人工物存在的豪華跑車與日用陶瓷產(chǎn)品之間的價值差別，它的造型特征取自豪華跑車。在水杯的數(shù)字化設計過程中，使用了ULTRA HD 桌面激光掃描儀掃描跑車造型特征，并得到其三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，選用其幾何特征建構水杯的外形，并生成實體模型[8]，見圖6。在逆向建構數(shù)據(jù)模型過程中，使用Blender 軟件進行矢量三維模型設計。

圖6 逆向設計與重構，生成數(shù)字化模型的過程（艾迪·多明戈設計）Fig.6 Reverse design and recreate a new 3D data model (made by Ediel Doumiguez)

2.2.2 制造模具階段

STL 數(shù)據(jù)文件是3D 打印領域內(nèi)的通用數(shù)據(jù)傳輸文件，如果一個應用軟件可以將計算機3D 模型轉(zhuǎn)換成 STL 格式，那么這個 STL 數(shù)據(jù)就可以被分層（Slicing）處理，進而被3D 打印機識別。

分層是指將STL 數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化成一系列“指令”即G 代碼，3D 打印機讀取代碼后可以控制擠出頭走位和陶瓷黏土的擠出程度，以使用指令數(shù)據(jù)流完成坯體堆疊成型。圖7 是3D 打印機制造的PLA 塑料子模模具，用它來制作“跑車水杯”所需的石膏子模[9]。

圖7 數(shù)字化模具制造子模（艾迪·多明戈設計制造）Fig.7 Digital mold manufacturing (made by Ediel Doumiguez)

Slicing 是3D 打印子模制造階段的關鍵，它是一種在打印品質(zhì)、速度和材料損耗等多方面因素的動態(tài)平衡。應根據(jù)數(shù)字化模型的造型特點，設定分層切片參數(shù)，以提升打印成功率。

2.2.3 注漿成型階段

石膏模具具有良好的吸水性能。注漿成型是將泥漿注入石膏模具內(nèi)，經(jīng)過靜置后，陶瓷泥漿均勻地分散并粘附在石膏模具內(nèi)壁上，隨著時間的延長，粘附在石膏模具上的陶瓷黏土層不斷加厚，當達到一定厚度時，倒出泥漿，再經(jīng)過干燥與脫模，就可制造出具有一定造型的坯體[10]，見圖8。

圖8 使用注漿工藝制得的跑車水杯泥坯Fig.8 Clay of creative car cup made from precise plaster mold

從“跑車水杯”的造型過程來看，間接成型數(shù)字化模具技術雖不及直打印成型效率高，但它可將數(shù)字模型細部特征如實地復制出來，這極大地提升了產(chǎn)品制造精度與石膏模具制造效率，也是傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的[11]。

3 陶瓷產(chǎn)品數(shù)字化設計優(yōu)化流程

在傳統(tǒng)陶瓷設計流程中，設計師、制模師和工人分工各不相同，設計師繪制圖紙，制模師負責制造石膏模具，工人負責批量生產(chǎn)。創(chuàng)意經(jīng)過設計師呈現(xiàn)[12]，在以圖紙形式傳遞至制模師處并完成模具制作的過程中，存在一定程度的失控。但當設計師應用數(shù)字化設計與模具制造技術，在電腦端完成數(shù)字模型建構、數(shù)字化模具設計，并驗證了結(jié)構關系，完成了虛擬分析時，就存在直接面對陶瓷泥坯造型的新局面。這種新型的陶瓷數(shù)字化設計流程，將“設計師—制模師—工人”模式優(yōu)化為“設計師—工人”模式，擺脫了制模師囿于對圖紙的不同理解而造成信息遺漏等問題，實現(xiàn)“創(chuàng)意直達制造”，做到從數(shù)字模型至成品之間的高效“無損制造”[13]，見圖9。

圖9 陶瓷數(shù)字化設計優(yōu)化流程Fig.9 Ceramic digital design optimized procedure

此外，陶瓷產(chǎn)品的數(shù)字化設計與制造路徑具有產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新意義。設計師直接面向制造將會提升創(chuàng)意設計熱情，有助于突破工藝局限，設計制造高質(zhì)量、多樣化的創(chuàng)意陶瓷產(chǎn)品；數(shù)字化技術對于復雜造型精確成型難題的突破、生產(chǎn)效率的提升，無疑會增大相關陶瓷企業(yè)對前期研發(fā)的投入，生產(chǎn)出高品質(zhì)陶瓷產(chǎn)品，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術升級。

4 數(shù)字化產(chǎn)品設計的技術化科學趨勢

數(shù)字技術浸侵于包括產(chǎn)品設計在內(nèi)的諸多領域，向人們展示出不可思議的產(chǎn)業(yè)前景；結(jié)合了數(shù)字技術、先進制造技術的數(shù)字化設計呈現(xiàn)出產(chǎn)品設計新趨勢。與此同時，數(shù)字技術作為一種新工具使“孿生的自然”變得可能，它不僅將技術人工物以虛擬的數(shù)字樣態(tài)顯現(xiàn)于計算機中，而且還促逼著設計向技術化科學（Technoscience）的方向發(fā)展。

19 世紀之前，技術與科學相互分離。據(jù)史料記載，科學史最早出現(xiàn)于公元前四世紀末，存有天文學史、算術史等方面的著作；技術史則源自1772 年哥廷根大學貝克曼教授創(chuàng)立的工藝學，當時技術被視為工藝學中的內(nèi)容且尚未獨立分化[14]。技術與科學各自具有獨特的研究傳統(tǒng)和價值取向：技術的進步依靠傳統(tǒng)工藝的改善；到18 世紀時知識轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W，科學分科也有了獨立的科學形式，它們在各自領域內(nèi)探求自然的規(guī)律，此時科學表現(xiàn)出哲學和經(jīng)驗特征[15]。美國實用主義哲學家約翰·杜威（John Dewey）早在1929 年愛丁堡大學演講時，就從現(xiàn)代科學定義出發(fā)，提出了“科學認知過程事實上完全廢棄了這種劃分知行界線的傳統(tǒng)；實驗的程序已經(jīng)把動作置于認知的核心地位”的觀點，通過放棄對還原性前因的判斷轉(zhuǎn)向依據(jù)后果，從對過去的依賴轉(zhuǎn)向有意識地創(chuàng)造未來，最終做到對絕對的確定性遺棄[16]。德國著名哲學家海德格爾在《現(xiàn)代自然科學與技術》中，也明確提出了現(xiàn)代科學與現(xiàn)代技術同一性觀點，“與其說科學是技術的基礎，不如說現(xiàn)代自然科學擁有技術化思維的基本形式”，并且“技術將存在揭示為持存物”。也就是說，技術本身作為一種實踐變換，而且這種變換主張了科學理論的支撐。當技術內(nèi)化于科學之時，“科學將存在表象為對象”，最終實現(xiàn)了“科學與技術成為相互交織的統(tǒng)一體”[17]。1977 年，比利時哲學家吉爾伯特·奧托瓦（Gilbert Hottois）率先提出技術化科學的概念，用來批判本質(zhì)主義哲學傳統(tǒng)，尤其是對20 世紀科學哲學“語言學轉(zhuǎn)向”的批評，認為將科學視為“理論和話語”是將科學封閉在語言問題之中。同時，奧托瓦特別強調(diào)了科學的操作性特征，科學從對世界的介入性本質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g直接構成了其本身[18]。由此可見，設計依托技術制造持存物，可以從實體制造到達現(xiàn)象創(chuàng)造，創(chuàng)意也經(jīng)由數(shù)字化設計技術“無損”地實現(xiàn)生成，從這個意義上講，設計即演變?yōu)榧夹g化科學實踐，并成為一種現(xiàn)代技術發(fā)展的一個重要趨勢。

人類借助計算機、加工制造裝備等工具延異自身設計與制作能力，還能透過虛擬仿真技術前置了產(chǎn)品制造與使用風險。具有數(shù)字化特征的計算機輔助精確建模技術，不但提升了設計與制造的精度，而且實現(xiàn)了傳統(tǒng)加工無法完成的復雜造型設計及制造。同時，數(shù)字化設計也徹底改變了設計師、工程師、用戶之間的數(shù)據(jù)傳遞方式，擺脫了傳統(tǒng)借助紙質(zhì)圖紙、實體模型等溝通模式，仿真與虛擬現(xiàn)實技術等被廣泛用于新產(chǎn)品特征造型的分析與評價，這也增大了設計師直接面向消費者、探尋市場因素、創(chuàng)新產(chǎn)品的機會。

“創(chuàng)意直達制造”，使設計直接與制造相連。理性科學曾一度將自身視為一種解釋自然現(xiàn)象、獲取背后真理的活動。數(shù)字化設計將突破傳統(tǒng)“圓整規(guī)則”，傳統(tǒng)機加工過程中，基于零部件尺寸的整體關聯(lián)，在定型時需要進行圓整技術處理，人為設定了優(yōu)先選擇0、2、5、8 及偶數(shù)值。3D 直接打印技術路線除了為這種突破傳統(tǒng)的直接制造提供了邏輯支撐外，更重要的是還改變了設計思維形式，造型不再源自“靈感”，而是根據(jù)實際需求進行改良或創(chuàng)新，超越了原有、定勢的形式與風格。可見，數(shù)字化產(chǎn)品設計作為技術化科學實踐，體現(xiàn)了科學的工具理性特征，3D 打印技術對復雜造型的生成與前瞻性約束，也為“人人都是設計師”提供了理論與操作性支持，最終實現(xiàn)設計階段中的矛盾在設計過程之中得以消解。

總之，在產(chǎn)品的數(shù)字化設計實踐過程中，設計師數(shù)字化設計、虛擬分析、計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，歷經(jīng)從實體到數(shù)字設計階段，實現(xiàn)了從感性到理性認識的飛躍；同時，科學理論（如復雜性理論、模糊邏輯理論等），也被用以指導設計活動，為設計與工程實踐提供理論指導，完成理論到實踐的第二次飛躍[19-20]。如此，設計等實踐活動作為科學理論的來源，它先于認識，并作為認識的目的而存在，形成的科學理論亦反作用于實踐并指導實踐活動，并以實踐作為檢驗科學理論正確與否的標準，這使技術化科學研究進路得以實現(xiàn)，見圖10。

圖10 數(shù)字化設計的技術化科學研究進路Fig.10. Research approaches of digital design about technoscience

5 結(jié)語

應用數(shù)字化設計與模具制造技術，提高了陶瓷產(chǎn)品制造精度。陶瓷3D 直接打印成型方法制造產(chǎn)品坯體造型，能夠提高生產(chǎn)效率，適用于小批量陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)活動。由“跑車水杯”的數(shù)字化模具成型實踐可以得出，依照計算機數(shù)字模型，虛擬制作子模模具，并使用3D 打印機快速制造塑料子模模具，間接生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品，能夠精確地反映產(chǎn)品的造型特征，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，提升了生產(chǎn)效率。批量的石膏模具成型技術還將適用于大批量陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)活動，節(jié)約成本。陶瓷產(chǎn)品數(shù)字化設計與模具制造技術應用于陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)過程，實現(xiàn)了設計與制造相連，優(yōu)化了設計流程，拓展了數(shù)字化設計技術化科學研究進路，“創(chuàng)意直達制造”的理念拓展了陶瓷產(chǎn)品成型的理論維度。