三維數字技術在瓷塑模具生產中的應用

涂培佳

摘 要： 通過對德化傳統陶瓷模具設計方法與制造工藝進行分析，采用項目法及三維數字技術采集或創建瓷塑模型數據，利用多款三維數字軟件模擬設計與制作瓷塑模具，并對3D打印制造生產瓷塑模具等進行研究，實現瓷塑模具數字化生產，優化流程，推廣三維數字技術在瓷塑生產的應用。

關鍵詞：產品設計；三維數字技術；瓷塑模具；3D打印；數字化生產

1 前言

隨著時代的發展，在全球化、信息化的大背景下，大量年輕勞動力缺失，企業轉型升級勢在必行。而德化陶瓷產業是出口型勞動密集型產業，資源、人力、技術等優勢已不復存在。當今計算機數字技術的發展，以及3D技術和CNC數控成型設備的出現和快速發展，促使德化傳統陶瓷的創作和制造方法做出新的技術變革。

三維數字技術作為先進的設計生產方式，具有操作便捷、高效、節省人力等優勢。利用三維數字技術彌補傳統陶瓷模具設計及生產方式的不足，可提高模具的設計水平，以及生產的質量和效率，從而省材、省力、省時、還原細節，可批量生產，可減少工藝流程，替代人工成本，提高生產效率。

2三維數字技術概述

3D打印、三維掃描技術逐漸被大眾接受。在國內外很多藝術家已經借用三維技術進行了藝術創作的實踐，將三維技術與雕塑結合做研究和探索，創作出很多的雕塑語言和形式，值得我們借鑒、學習和思考。

在國外，三維技術、3D打印與影像技術的介入，特別是三維技術與雕塑相互結合與共同運用，創作出了很多的雕塑形式語言和優秀作品，光3D打印的材料已有100多種，值得我們借鑒、學習和思考。國外對計算機數字化運用科技進行藝術創作越來越多，電子影像、行為、裝置和錄像等也逐漸被大眾認可和接受。

在國內，雕塑界對數字造型雕塑的研究也越來越深入，藝術作品的形式和表現手法也越來越豐富。經過這幾年大量的推廣和運用，一方面數字成品材料價格越來越平民化，同時也看到大量的藝術家、雕塑實踐者對數字造型技術的認識也逐漸全面。在這個過程中，數字化的優勢逐漸明顯，既提高了創作制作效率，又改變了創作與制作方式及工作環境。

很多產業、企業對數字化技術的認識及應用也在不斷提高。石雕重鎮惠安和曲陽，已經從人工雕刻，慢慢地進入到數控化的時代，CNC雕刻機已經全面普及，大大提高了石雕的產值。在鑄造行業，3D打印在小批量生產時具有明顯的速度優勢；對于難以生產的產品，也只能通過3D打印生產；對于藝術件，也廣泛應用3D打印各類適用批量生產的模具。

如今，很多雕塑家利用數字化技術進行創作也越來越廣泛。魯迅美術學院教授霍波洋大量使用3D建模和CNC直接加工金屬成型來主辦展覽。畢業于廈工藝雕塑系的王威，以科幻為元素的創作涵蓋雕塑、數字藝術與裝置藝術以樹脂3D打印結合電鍍的方式呈現。在德化，很多瓷塑新秀逐漸開始認識并利用數字技術進行創作與制作，也引進3D陶泥打印生產研究瓷塑造型；還有很多年輕雕塑家也開始采用數字化軟件進行瓷塑創作，3D打印成品后再創作等。

3三維數字技術介入瓷塑模具生產的優勢

三維數字化技術主要用來獲得瓷塑造型數據。其主要來源有兩個方面：

一是利用三維數字化軟件進行造型建模，得到虛擬的三維數據，它不會像現實造型那樣會坍塌、開裂，甚至報廢。

二是利用三維掃描技術對瓷塑模型進行掃描采集，可以永久保存；再通過軟件進行分析、優化、修改、再創作等操作。當然，也可直接掃描原有的石膏模具，經過軟件處理后即可直接打印或CNC加工模具。

3.1利用三維掃描技術對瓷塑模型進行數據采集

三維掃描技術與傳統的平面掃描和攝像技術不同，包含物體表面各采樣點的三維空間坐標和色彩信息的三維數字彩色模型。通過非接觸式三維掃描儀掃描后得到的云點數據由幾百點到幾百萬點不等，越密集的點云創建的模型更精確。通過掃描，可將對象更好地概念化設計，建立建模基礎原型，導入三維軟件即可進行再創作等處理。

根據掃描對象的不同，掃描技術應用也不大相同。石膏模具幾乎都使用過且表面較粗糙，整體重量較大不易搬動，可用手持掃描儀器快速掃描成型。有些經過修補用來保存造型數據，可去庫存，亦可直接3D打印或精雕出新的石膏模具。泥稿和素燒品相對精致、完整，需要使用精細化掃描。其中，素燒品相對平整、潔白，重量相比泥稿較輕，挪動比較不會損壞或開裂，較好掃描成型。陶制品上色或鍍金，瓷制品上釉或彩繪，掃描時會吸光或反射光線強烈，掃描儀捕捉不到輪廓光線，就無法獲取造型數據。因此，在掃描黑色且具有漫反射表面的物體前，需要使用專門的掃描模式（深/黑色模式）并使用顯影劑處理；掃描黑色且高反光物體時，也要先噴顯影劑，再進行掃描。

另外，針對幾何特征比較單一（例如球形或柱形）的物體，需要使用標志點進行掃描。掃描后的數據仍需再加工處理。特別是德化傳統瓷塑造型，人物的刻畫有簡有繁，頭部特征和衣著特征均塑造繁復，衣著多體現在衣裳的褶皺，細部的褶皺都刻畫很精細，需要精細化掃描。這樣，衣服的褶皺和造型的凹處無法獲取數據。掃描后還得靠后期處理，有時處理數據投入的時間精力并不比掃描的少。一般使用逆向工程軟件杰魔（Geomagic? Studio）或ZBrush等軟件，對模型數據采取修補、拼合、改稿、再創作等。

3.2利用三維數字化軟件進行造型建模

瓷塑造型軟件主要包括雕塑軟件“ZBrush”、“Freeform”和“Mudbox”，多邊形建模軟件“3ds Max”和“Maya”，曲線建模軟件“Rhinoceros”（犀牛），參數化建模軟件“Creo”和“Solidworks”，等。每個軟件都有各自的優勢與缺陷，充分利用各種軟件自身的優勢，選擇性地學會幾種軟件進行配合，比如Creo+犀牛+ZB+杰魔等。

數字化設計通過計算機輔助建立數字模型，整個雕塑設計過程無紙化、無泥土、無實物工具，與傳統瓷塑相比，工作環境、創作時間不受限；更有利于作品（或辦成品）的保存、修改、部件裝配。這與時代的發展同步，很多的年輕人選擇干凈整潔的辦公環境，逐漸摒棄傳統的雕塑環境，相對粉塵飛揚、泥水臟亂。對于瓷塑工藝傳承與發展也是利好，更多的學生愿意選擇瓷塑專業學習。

4三維數字技術在瓷塑模具生產中的應用分析

4.1 3D打印助力瓷塑模具生產

目前，3D打印存在著許多不同的技術，全球已經發展至金屬3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技術。3D打印常用材料有石膏材料、鈦合金、橡膠類材料、尼龍玻纖、耐用性尼龍材料等。德化瓷塑制模所使用的一半是二水石膏，它經過180攝氏度左右的低溫煅燒失去部分結晶水成為干粉狀后，可吸水而硬化，制模即利用了吸水性這一點。使用石膏生產模具，不利于批量化生產，無法機械化、自動化、智能化。

現今部分瓷塑工作室已開始使用精雕石膏模具，或使用光敏樹脂打印模型，再翻制石膏模具進行生產。還有部分企業改用透氣橡膠等材料制模，根據產品造型趨勢設置排氣通道，結合高壓注漿讓成品排除多余水分，泥漿在自動生產線上就能凝固硬化成型，減少石膏模具繁雜的制模工序，可大大節約成本。

隨著科技的發展，也可研制新型材料及相應的3D打印機，直接將虛擬的模具打印出成品。在結構、力學、工藝、脫水性等方面滿足傳統瓷塑產品智能化生產要求，促進傳統瓷塑生產機械化、自動化，可減少模具的磨損與脫模的誤差，從而保證成品質量，縮短出品時間。

4.2數字化模擬設計模具原則分析

通過三維數字方式獲得瓷塑造型數據后，可以無限復制，按比例放大縮小，或者進行模塊化創作等。但造型翻模能否順適順型分離，還要根據制模設計因素和順適脫模等原則。

不管是現實還是虛擬，都要考慮脫模因素，再利用軟件進行原型“挖底”，虛擬分模線。虛擬的原型無需清理表面和保持濕度；如掃描的原型存在裂隙或表浮凹凸不平，這就需要表面修復和完善。最后得到瓷塑模具翻制的原型，可省掉傳統模具翻制的修整原型和劃定分模線兩個步驟，也可節省實物存儲空間。

確定原型和分模線后，須考慮模具的圍長和高度，要使模塊上下、前后、左右厚薄大體均勻，以利注漿時的均衡吸漿和成坯，保證瓷坯質量。確定尺寸后即可使用軟件虛擬創建模塊造型，利用軟件的“差集”功能——用原型減掉與模塊的交叉部分，得到的是分塊模具的數據；也可利用軟件自帶的模具制造功能，比如“Creo”軟件的鑄造型腔和模具型腔模塊，可創建模具造型。這樣可省掉傳統模具翻制的鋪墊筑圍步驟，也可減少材料和工具的準備、維護、存儲等。

4.3數字化制作模具

近幾年來，3D打印技術（增材）和CNC數控精雕技術（減材）發展迅速，都是將造型數據從“虛擬”轉換成實物的關鍵技術。3D打印技術最突出的優點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。隨著科技的發展，3D打印的造型精準，細節越好，尺寸更大，能打印復雜結構和可活動的零件，材料及機器也不斷發展、變革；而CNC數控精雕已經日益成熟，功能增強，精度提高，工時減少，能滿足規?；a的需要。

現在市場上只是簡單地利用兩種技術制作加工瓷塑原型，再使用傳統翻模工藝制模。而使用CNC數控精雕機直接加工模具造型數據（含三維掃描處理得到的模具），石膏模具也要調制石膏漿并灌制預測大小的模具加工件。石膏模塊加工完成，干至一定程度時再合模為整繼續干燥，仍需這個步驟。但“挖榫、筑圍，開?！钡葌鹘y工序都將省去，大大地減少了人力、物力和原材料的消耗，縮短制模時間、提高效率、降低成本。

5三維數字技術介入瓷塑模具生產的實踐案例

5.1閩南地區的龜粿印模具

龜粿印模具是閩南一帶及臺灣、東南亞地區用來制作傳統特色名點，其形主要是用陶瓷燒制的、鐫上龜甲圖案或“壽”字的模具，印在糯米龜表面?，F今，龜粿印模具越來越少，可利用三維掃描和3D打印技術，將傳統的食品印模具數據保存下來，同時根據需求直接打印各種大小不一的模具，用于機械化、自動化批量生產。

5.2德化傳統瓷塑模具再創作

現今，很多大師的瓷塑作品只保存石膏模具，既容易損壞又占用空間；有的年老甚至過世無法重新雕塑，也未必一致。利用三維掃描技術獲取石膏模具的數據，處理后可直接打印生產模具；也可利用三維軟件拼合數據，利用3D打印即可還原瓷塑造型；也可利用三維軟件進行造型再創作，也可3D打印出成品或泥稿再創作。例如，黃永星工作室創作的佛像作品。

5.3手摸生產模具設計

利用三維軟件創建手摸主體，經過再三修改完善，確定主模；再根據生產需求，包括但不限于機臺尺寸、螺絲孔位、排氣配件等設計考慮，直接利用多款三維軟件創建模具直接用于生產。

6結論

快速發展的數字科技將為德化傳統產業轉型升級帶來新希望。現階段利用三維數字化技術創建模具數據，逐步替代傳統繁雜的制模工藝，優化模具生產流程和技術要求，能大量減少人力、財力和原材料的消耗，縮短開發時間、提高效率、降低成本。三維數字技術助力陶瓷生產自動化和智能化水平，成為德化陶瓷產業數字化轉型的重要助推器，加快傳統陶瓷生產工業化的步伐，這是一個龐大的體系，需要三維數字技術、機械自動化、材料科技等多維度的研發與實踐，需要組建更加專業的團隊深入再研究。

參考文獻

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