三維數(shù)字化建模在陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用

孫小涵 白雪

摘 要：三維數(shù)字化建模又叫3D模型。本文著重闡述了在陶瓷工業(yè)中進(jìn)行數(shù)字化3D建模的方法。通過對(duì)傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化三維模型與雕刻的對(duì)比分析，認(rèn)為數(shù)碼3D模型在陶瓷制造領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)越性，可以有效地提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)省資源、降低成本。針對(duì)制造工藝中的主要問題提出解決方案。最后，結(jié)合實(shí)際的陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例，探討了三維數(shù)字化建模在陶瓷制造領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：三維；數(shù)字化建模；陶瓷生產(chǎn)

1 前言

美國的 Chuck Hull在80年代發(fā)明了3D印刷技術(shù)，這與傳統(tǒng)的切削和均質(zhì)材料生產(chǎn)（如澆鑄）等工藝不同。這種方法是以三維模型為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)材料進(jìn)行分層堆疊。三維數(shù)字化建模的特點(diǎn)是制造速度快，不受零件形狀的約束。它具有很好的應(yīng)用前景，也是順應(yīng)了未來發(fā)展的潮流。陶瓷材料的脆性和硬度都很高，在制造中易出現(xiàn)裂紋。另外，復(fù)雜的陶瓷部件也需要用模具進(jìn)行成形。但是，由于模具制造費(fèi)用較高，研發(fā)周期較長，很難適應(yīng)不斷更新的產(chǎn)品。除了高分子材料和金屬材料之外，三維數(shù)字化建模在陶瓷材料方面也有了一定的突破。文章主要對(duì)目前常用的陶瓷三維數(shù)字化建模進(jìn)行了綜述，并對(duì)其今后的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2三維數(shù)字化建模在陶瓷生中的應(yīng)用范疇

一是利用三維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行正演模型的研究。主要采用三維數(shù)字模型軟件進(jìn)行前向模型化，獲得相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)，再采用3D打印技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出；二是利用三維掃描器對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，再利用反向建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、修改、優(yōu)化、完善，從而獲得數(shù)據(jù)[1]。

三維數(shù)字化建模在傳統(tǒng)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用中起著舉足輕重的作用。你可以收集來自名作或古董的資料，并利用逆向成形軟件進(jìn)行加工。同時(shí)，它還能基于3D資料對(duì)陶瓷產(chǎn)品進(jìn)行革新。

3陶瓷3D打印技術(shù)

3.1漿料分批成形工藝

漿料分批成形工藝是一種比較簡單的三維陶瓷印刷工藝，與3D印刷中常用的 FDM工藝相似。一種與常規(guī) FDM工藝相似的方法，即利用毛細(xì)管流變儀將陶瓷粉與膠料混合，再由電腦控制層層擠出。在適當(dāng)?shù)臏囟认拢瑢⒊尚偷牟考M(jìn)行脫脂，并將其燒結(jié)制成末端部件。另一種是將陶瓷淤渣與陶瓷粉、膠粘劑按照一定的比例混合，然后在電腦的控制下，采用高壓氣體等方式將淤渣噴入到空氣中，使淤渣在空氣中逐漸形成一層一層的固化。該方法具有成本低廉、制造簡便、能實(shí)現(xiàn)多種物料混合使用的優(yōu)點(diǎn)。但由于最大漿徑的限制，其最小直徑常常受到限制，因而精度不高。

3.2噴墨印刷技術(shù)

噴墨印刷技術(shù)是由3D印刷技術(shù)發(fā)展而來。其基本原理與3D印刷技術(shù)相似。不同之處是，陶瓷制品的噴墨是陶瓷粉末，粘合劑，以及不同的添加劑，即陶瓷墨水。根據(jù)電腦指令，印刷頭一層一層地噴出陶瓷油墨。油墨迅速烘干和固化，形成一種特殊的層狀，再將壓力一次一次地噴出。

4傳統(tǒng)制作陶瓷的方法與數(shù)字化建模技術(shù)對(duì)比

在傳統(tǒng)的陶瓷制造中，首先要畫出產(chǎn)品的大小圖和三個(gè)平面。石膏開模機(jī)按設(shè)計(jì)圖紙將石膏模切開，再按石膏模澆鑄、修整、烘干、燒制等工藝組合而成。傳統(tǒng)的陶瓷制品的設(shè)計(jì)圖紙主要是用手畫或者是模仿，其工作量大、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長，對(duì)工程整體進(jìn)度造成了很大的影響。

現(xiàn)代三維數(shù)字化建模在陶瓷制品的造型中應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員與顧客進(jìn)行了充分的交流，利用3D數(shù)碼造型軟件對(duì)陶瓷制品進(jìn)行建模，并利用模型繪制軟件對(duì)陶瓷制品進(jìn)行繪制。這樣可以更直觀、更清楚地了解陶瓷制品的材質(zhì)、紋理等。

設(shè)計(jì)者可以利用3D數(shù)碼造型軟件進(jìn)行建模，再利用繪制軟件來進(jìn)行繪制，也可以利用3D打印輸出的數(shù)據(jù)模型來與顧客進(jìn)行溝通。在顧客確定了產(chǎn)品的外形和作用后，可以進(jìn)行下一步的制作。這樣可以縮短試樣的研制周期，降低試樣的制造費(fèi)用，最后還可以提高制程的效率。

5三維數(shù)字化建模技術(shù)在陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用

5.1三維數(shù)字化建模的工作流程

首先，項(xiàng)目確定。設(shè)計(jì)人員按照顧客的需求，進(jìn)行交流和制作工程素描。

其次，項(xiàng)目建模。設(shè)計(jì)人員在初步繪制完成后，選擇適合的三維模型軟件來進(jìn)行模型化。比如， Rhino軟件就被廣泛地應(yīng)用在陶瓷制品的制造中。比如，軟件經(jīng)常被用來制作人物模型，而雕塑軟件則經(jīng)常被用來雕刻某些產(chǎn)品的表面。設(shè)計(jì)人員可以依據(jù)用戶對(duì)陶瓷制品的造型特點(diǎn)，以及自身的造型習(xí)慣，選用合適的造型軟件。

其三，項(xiàng)目完善。針對(duì)用戶提出的修改建議，對(duì)三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合產(chǎn)品的建模特征和用戶的要求，利用 KeyShot、V-Ray等渲染工具進(jìn)行快速的繪制，為后期的產(chǎn)品開發(fā)提供了便利。

其四，項(xiàng)目優(yōu)化。這個(gè)階段的工作重點(diǎn)是制造精美的陶瓷制品。在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)師們的選擇進(jìn)行了優(yōu)化，比如陶瓷制品的裝飾性紙張?jiān)O(shè)計(jì)，從而增加了陶瓷制品的附加價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，對(duì)成品陶瓷與模型的收縮系數(shù)進(jìn)行了研究。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，必須將其放大。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3D打印，并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中[2]。

5.2三維數(shù)字化建模的優(yōu)勢(shì)

三維數(shù)字化建模在陶瓷制品的制造中占有舉足輕重的地位。尤其是在陶瓷制品的仿造與創(chuàng)意設(shè)計(jì)方面，利用3D數(shù)碼模型與繪圖等相關(guān)的 CAD軟件，能讓顧客對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行完全的模擬與渲染，讓顧客能夠更好地進(jìn)行產(chǎn)品的模擬與渲染，同時(shí)也能為以后的陶瓷模具的開模工作提供參考。

在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)造出具有創(chuàng)意的色彩，或者利用三維設(shè)計(jì)軟件，迅速、直觀地看到經(jīng)過反復(fù)思考的設(shè)計(jì)。利用3D數(shù)碼技術(shù)，可以使設(shè)計(jì)更多的方案得以實(shí)施，從而大大縮短了設(shè)計(jì)周期和提高了交易的效率。

5.3現(xiàn)代三維建模技術(shù)在陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用

在陶瓷工業(yè)中，現(xiàn)代三維數(shù)字化建模是以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)的。3D打印技術(shù)在陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用有兩個(gè)方面。一是利用3D印刷材料來印刷產(chǎn)品的模型，把它做成石膏，再把它注射到模具中，再用其它的傳統(tǒng)的陶瓷制造工藝來制造。二是直接制作。直接成形技術(shù)就是利用陶泥打印機(jī)，利用3D數(shù)碼模型的數(shù)據(jù)，將陶泥直接打印出來。這種方法可以印刷具有復(fù)雜形狀和復(fù)雜形狀的陶器。在烘干后，再采用傳統(tǒng)的陶藝工藝進(jìn)行燒制，從而達(dá)到了提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本的目的。

6結(jié)語

利用三維數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)了陶瓷產(chǎn)品的多種制造工藝。運(yùn)用渲染技術(shù)，可以先展示由電腦3D數(shù)碼技術(shù)制造的陶瓷制品，這樣顧客就可以在陶瓷制造開始前就決定了。該技術(shù)解決了以往僅能提供樣品以供顧客鑒定的問題，節(jié)約了許多資源。隨著三維數(shù)字化建模技術(shù)的不斷發(fā)展，陶瓷產(chǎn)品的“智能化”已成為必然趨勢(shì)。這為陶瓷產(chǎn)品的開發(fā)開辟了更大的空間，促進(jìn)了產(chǎn)品的多元化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林國枝. 三維數(shù)字化建模在陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 科技傳播，2018，10（19）：128-129.

[2] 劉倩. 基于三維數(shù)字化技術(shù)的傳統(tǒng)工藝美術(shù)設(shè)計(jì)研究——以陶瓷琉璃設(shè)計(jì)實(shí)踐為例[D]. 北京：北京服裝學(xué)院，2015.