基于3D打印技術的生態陶瓷發展現狀與未來趨勢探析

李偉 程詩婧

摘? 要：隨著國家倡導數字化賦能可持續發展道路的建設，3D打印技術作為一種數字制造方法，具有改善陶瓷制造可持續性的能力。面對傳統陶瓷制造資源浪費、能源消耗和環境影響等可持續性挑戰，陶瓷產業須要推進數字技術賦能國家產業轉型創新。研究3D打印技術在生態陶瓷制造中的應用，包括定制化設計、材料創新、資源節約和節能生產，可持續設計原則如何與3D打印技術相結合，以推動生態陶瓷的可持續性設計。旨在為生態陶瓷制造提供可持續的方法，建設智慧賦能，數字創新，共建可持續未來。

關鍵詞：3D打印技術；生態陶瓷；可持續設計

陶瓷是一種古老而廣泛應用的材料，目前傳統的陶瓷制造過程存在著資源浪費、能源消耗和環境污染等可持續性挑戰。傳統窯燒制工藝需要高溫、大量的原始材料和能源，同時產生大量廢棄物。在當下對于追求可持續發展的時代面臨了嚴峻的挑戰。3D打印技術作為一項革命性的制造技術，已經在各個領域展現出巨大的潛力和創新力。同時，隨著人們對環保和可持續發展的日益關注，生態陶瓷作為一種環保友好的材料，也受到了廣泛的關注。3D打印技術與生態陶瓷的結合，不僅為陶瓷制造帶來了新的可能性，也為環境保護和可持續發展提供了新的解決方案。3D打印允許精確控制材料的分布，減少廢料，最小化能源消耗，以更加可持續的方式生產復雜的產品。技術的發展為解決傳統陶瓷制造的可持續性問題提供了新的機會。然而，在3D打印技術與生態陶瓷相結合的過程中，仍然存在諸多挑戰，例如材料選擇、打印工藝優化、生產成本等。因此，本論文旨在深入研究3D打印技術在生態陶瓷領域的應用，探討當前生態陶瓷制造的現狀，并分析未來的發展趨勢。通過將3D打印技術與生態陶瓷相結合的方式進行系統研究，探析3D打印技術如何對生態陶瓷的制造產生積極影響，為推動生態陶瓷產業的可持續發展提供理論支持和實踐指導。

一、3D打印技術及其原理

（一）3D打印技術的定義和分類

3D打印技術，又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM），是一種數字制造方法，允許制造三維物體，逐層堆疊材料來創建所需的物體。這與傳統的減材制造方式相反，后者是通過去除多余材料來制造物體。“不同于傳統的‘減材制造，它不需要借助傳統的刀具夾具，可以實現零件的直接成型，大大簡化了加工工藝，縮短了加工周期，尤其對于結構復雜零件的個性化設計及成型有著天然的優勢”[1]。3D打印技術的分類多種多樣，主要根據其工作原理和應用領域來劃分。常見的3D打印技術包括熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，FDM）， 這種技術通過將熱熔的塑料材料從噴嘴擠出，逐層疊加，然后迅速冷卻，從而構建物體。光固化（Stereolithography，SLA）方法是使用紫外線激光照射液態光敏樹脂，逐層固化樹脂來構建物體。粉末燒結（Selective Laser Sintering，SLS）方法通過使用激光或高能電子束來燒結粉末材料，將粒子粘合在一起。電子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）通過使用電子束來熔化金屬粉末，以構建金屬物體。

（二）3D打印的工作原理

3D打印技術的工作原理是逐層堆疊材料，將物體逐漸構建起來（如圖1）。首先，需要創建或獲取一個3D模型，通常使用計算機輔助設計（CAD）軟件進行設計。3D模型定義了要制造的物體的幾何形狀和結構。其次，將3D模型切成許多薄層，每一層稱為“切片”。這一步由3D打印軟件完成，該軟件將3D模型分解成數百甚至數千個薄層，以便打印機能夠逐層制造物體。然后打印機通過逐層構建物體，每一層的材料堆疊基于前一層。不同的3D打印技術使用不同的原理和材料，最后，在完成打印之后物體需要進行后處理，例如去除支撐結構、打磨表面或進行其他加工步驟，以獲得所需的質量和表面光滑度。

二、生態陶瓷的定義與發展現狀

（一）生態陶瓷的定義與特性

生態陶瓷是一種以環保為導向的陶瓷制品，其生產和使用過程注重降低對環境的影響，同時具備天然材料、可降解性和可循環利用性等特性。與傳統陶瓷相比，生態陶瓷注重最大限度地減少能源消耗、減少廢棄物產生，追求與自然環境的和諧共生。

生態陶瓷通常采用天然陶土、粘土和礦物等天然原料，避免使用人工合成材料，降低化學物質對環境和人體的污染。通常具備可降解的特性，即在一定條件下能夠自然分解，減少對土壤和水源的污染，減輕對自然生態系統的壓力。生態陶瓷制品在使用壽命結束后，可以進行再循環利用或者回收利用，減少了對自然資源的開采需求，降低了能源消耗。

同時，生態陶瓷制品的設計越來越注重創意和藝術性，不僅滿足了功能需求，也提高了產品的附加值。在創意設計的推動下，生態陶瓷的市場不斷拓展，涌現出各種個性化和定制化的產品。其產品通常注重保持原始的自然外觀和紋理，賦予陶瓷作品獨特的自然美感，體現出對自然和生態環境的尊重。

（二）生態陶瓷的發展現狀

生態陶瓷作為一種環保友好的陶瓷制品，近年來受到了越來越多的關注和重視。在生態陶瓷領域，不斷涌現出新的制造技術和材料，其中包括3D打印技術、可降解陶瓷材料等。這些技術的引入推動了生態陶瓷制造工藝的創新，使其更加環保和可持續。

隨著人們環保意識的提高，生態陶瓷制品的市場需求逐漸增加。消費者更加注重產品的環保性能，生態陶瓷因其天然材料和環保特性，受到了廣大消費者的青睞。隨之帶來生態陶瓷產業鏈的完善，包括原材料供應、生產制造、設計創新、銷售渠道等各個環節。企業和研究機構在這些領域進行合作，促使生態陶瓷產業的發展更加健康和穩定。同時，生態陶瓷制造領域的國際合作與交流日益頻繁，各國陶瓷制造企業和研究機構加強合作，共同推動生態陶瓷技術的發展，加速了行業的國際化進程。

（三）陶瓷制造的挑戰

傳統陶瓷制造工藝具有悠久的歷史，但也面臨一系列挑戰。傳統陶瓷的制造通常需要大量的原始材料，如黏土、礦石和釉料。然而材料的開采、運輸和加工，導致資源的消耗和環境破壞。原始材料被加工成所需的形狀，通過手工或使用成型設備。這個過程可能需要大量勞動力，而且難以實現大規模生產和定制化設計。制成的陶瓷制品需要在高溫窯爐中燒制，以確保其硬化和獲得所需的物理性能。窯燒工藝通常需要高溫、大量能源以及長時間的制程。

傳統制造需要大量的原始材料，但往往只有一小部分材料最終用于制品，因此存在大量的材料浪費。窯燒制程需要高溫，通常依賴于化石燃料，如天然氣或煤炭，這導致大量的溫室氣體排放，同時增加了生產成本。開采陶瓷原料可能會導致土壤和水資源的污染，對當地生態系統和水質產生不利影響。高能源消耗導致大量的二氧化碳排放，增加了氣候變化的風險。面對這些挑戰，可持續性變得至關重要。在這背景下，3D打印技術的應用，為陶瓷制造提供了更加環保和可持續的替代方法。

三、3D打印技術在生態陶瓷制造中的應用

在藝術領域，藝術家和設計師利用3D打印技術創建個性化的餐具和陶瓷藝術品（如圖2）。通過數字設計和制造，消費者可以獲得獨一無二的陶瓷制品，減少大規模制造和運輸需求。3D打印技術可以解決水質問題，通過制造商生產出低成本、可定制的生態陶瓷濾水器，可以有效去除水中的雜質和污染物，并且生態陶瓷制品在使用壽命結束后可以分解為無害物質，降低環境污染。

3D打印技術被用于制造具有節能特性的陶瓷建筑材料，如陶瓷小磚塊（如圖3）。這些磚塊可以在建筑外墻上使用，幫助降低能源消耗，同時具有美觀性。醫療領域也受益于3D打印技術，其中包括制造定制的陶瓷假體，如牙齒和骨骼假體。這些制品可以更好地適應患者的身體結構，提高了治療效果。還用于制造高精度光學器件，如透鏡和光學波導。這些器件在科研、通信和醫療設備領域發揮著重要作用。

3D打印技術在生態陶瓷制造中有著多樣應用，從陶瓷藝術到生活實用品、醫療假體和環保產品，不僅提高了生態陶瓷的可持續性，還為人們提供了更多的選擇和創新。3D打印技術已經比較成熟，打印材料價格不斷下降，家庭根據自己的需要創作陶藝作品，并且打印出實體作品，用以裝點生活的想法成為可能，也必然為人們日常生活增添一項情趣和內容，‘生活藝術化，藝術生活化的時刻即將來臨了。”[2]

四、可持續設計與生態陶瓷

（一）可持續設計原則

“隨著科技進步和生態環境意識的普遍提高，人們對健康舒適環境及相關材料產品提出了新的需求，在生產、流通、使用和廢棄全過程中與地球生態環境保持協調性已經成為材料必須滿足的基本要求。”[3]可持續材料是一種具有較低環境影響的材料，通常來自可再生資源或回收材料，減少了資源枯竭的風險。在生產、使用和處置方面的環境影響較低，包括降低能源消耗、排放物和廢棄物。可持續材料應具備較低的毒性和降低對人體健康的風險。

可持續設計原則在生態陶瓷制造中發揮著關鍵作用，以減少環境影響、資源浪費和社會不公正。在材料使用中鼓勵降低產品的材料消耗，減少廢棄物和資源浪費。3D打印技術通過精確控制材料分布，有助于實現這一原則。所以，可持續設計應考慮產品的整個生命周期，包括制造、使用和處置階段。設計師應尋求減少生命周期中的環境和社會影響。循環經濟原則推動產品設計，以便在生命周期結束后進行回收、再利用或重新制造，因此減少了資源的枯竭和廢棄物的產生。可持續設計追求提高產品的能源效率，減少生產過程中的能源消耗。

（二）3D打印技術對生態陶瓷設計的影響

3D打印技術為生態陶瓷設計帶來了顯著影響，推動了可持續性和創新性。設計師能夠更準確地控制材料的分布，減少材料浪費，有助于最小化材料使用，符合可持續設計原則。3D打印能夠進行生態陶瓷制品的個性化設計，根據客戶需求、樣式、大小精準定制，這樣能夠減少不必要的生產和資源消耗。

在節能方面，3D打印技術可以使用可再生材料，如生物降解塑料或可再生陶瓷原料，從而降低對有限資源的依賴。3D打印技術通常比傳統陶瓷制造方法需要更少的能源，因為 3D打印技術只在需要時加熱或熔化材料，符合能源效率原則。“陶瓷3D技術與傳統陶瓷成型方式相比具有無需模具、縮短制備周期、且在結構形狀設計上更加靈活等優點。”[4]

在產品設計中陶瓷制品的設計應考慮可拆卸性、易于維修和材料可回收性，這有助于延長產品壽命和減少廢棄物。3D打印技術可以用于制造新的陶瓷制品，提高資源的循環使用率。優化陶瓷制品的生產過程，能夠減少廢料和能源消耗，從而更高效地使用材料和能源。隨著3D打印技術的不斷發展和可持續設計原則的深入應用，將會有更多生態陶瓷產品涌現，并且能夠在陶瓷制造業中引領可持續性的創新。因此，新方法和新材料將推動陶瓷制造業朝著更加環保和負責的方向前進，為環境提供可持續性的發展方向。

（三）生態陶瓷未來趨勢

未來數字化制造技術將繼續引領生態陶瓷設計的發展。數字化制造包括3D打印技術已經開始改變陶瓷行業的制造方式。設計師可以使用計算機輔助設計（CAD）軟件創建高度復雜的陶瓷結構，然后通過3D打印實現。這種方法提供了更大的自由度和創造力，使得生態陶瓷可以更好地滿足用戶需求。同時3D打印技術的不斷改進，能夠產出更高質量、更耐用和更具創新性的生態陶瓷設計。

第一，生物打印技術的前景。生物打印技術是一種新興的領域，將對生態陶瓷的未來產生深遠影響。生物打印技術允許將生物材料，如細胞和生物降解聚合物，與陶瓷結合，以創建具有生物相容性的生態陶瓷制品。為醫療假體、醫療設備和生態陶瓷過濾器等領域提供巨大潛力。生物打印技術相關的創新將推動生態陶瓷的可持續性和多功能性。

第二，可持續認證和標準的發展。隨著可持續發展的重要性不斷增加，生態陶瓷行業將傾向于制定可持續認證和標準。這將有助于確保生態陶瓷制品的生產符合環保和社會可持續性要求。生產標準可能涵蓋原材料的來源、生產過程的能源效率、生命周期分析、可再生資源的使用等，以確保產品在可持續性方面達到最佳標準。

第三，合作與創新的機會。未來生態陶瓷制造領域將提供廣泛的合作和創新機會。制造商、設計師、工程師、材料科學家和環保專家將共同合作，以開發新的生態陶瓷材料、生產技術和設計方法。跨學科的合作將推動創新，并為生態陶瓷的可持續性提供更多解決方案。還為小型企業和初創公司提供機會，參與并改進這個不斷發展的領域。

五、結語

隨著國家數字化和綠色低碳的政策發展，傳統陶瓷制造面臨資源浪費、能源消耗和環境影響等挑戰。引入3D打印技術，實現更精確的材料控制、個性化設計、可再生材料的使用和能源效率的提高。技術創新可以大幅度改進生態陶瓷的可持續性。3D打印技術是生態陶瓷制造中的關鍵角色，為陶瓷制造業帶來了新的機遇和前景，它不僅改進了生產方法，還創新了設計和定制化制造，減少資源浪費和能源消耗。

生態陶瓷的未來將充滿潛力，數字化制造技術、生物打印技術、可持續認證和跨學科合作將共同推動生態陶瓷制造進入新時代。這有助于創造更具創新性、可持續性和環保的陶瓷產品，以滿足未來社會的需求。未來的研究將進一步探索3D打印技術的應用、生物打印技術，開發更多的可持續設計原則和標準，研究數字化制造技術和可持續認證對生態陶瓷市場的影響，有助于推動生態陶瓷制造向可持續和創新的未來發展。

參考文獻：

[1]張雨明，吳銳. 我國3D打印技術研究及產業化發展現狀[J].中國材料進展，2018（3）：237-240.

[2]趙值，宋建文，李軼軍，等.基于OSG平臺的虛擬陶藝創作與仿真研究[J].系統仿真學報，2017（11）： 2804-2810.

[3]孫劍鋒，張紅，梁金生，等.生態環境功能材料領域的研究進展及學科發展展望[J].材料導報，2021（13）：13075-13084.

[4]宋發成，劉元義，王橙，等.3d打印技術在陶瓷制造中的應用[J].山東理工大學學報（自然科學版），2018（5）：11-16，25.

作者簡介：李偉，博士，內江師范學院張大千美術學院講師。研究方向：數字媒體藝術、虛擬現實、增強現實、混合現實。

通訊作者：程詩婧，博士，景德鎮學院陶瓷美術與設計藝術學院講師。研究方向：新媒體藝術、公共藝術、雕塑。