李文娟　趙士樟

摘要：隨著科技的快速發(fā)展，僅憑經(jīng)驗直覺來進行的陶瓷設計越來越無法跟上當今產(chǎn)品的更迭速度和滿足高度個性化的陶瓷需求。新技術帶來了新的陶瓷設計與生產(chǎn)方式的變革，這種變革直接提高了陶瓷設計與生產(chǎn)的效率。雖然陶瓷設計已經(jīng)加入了計算機輔助設計，但今天如何融入Free Form觸覺式設計系統(tǒng)、逆向工程、3D打印等高新技術需要更深入的研究。

關鍵詞：陶瓷設計 逆向工程 3D打印 快速成型

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2018）06-0122-02

引言

設計是一種有目的、有意識的造物活動，起源可以追溯到人類首次使用工具。設計作為協(xié)調(diào)人與自然、人與人、人與物和諧相處的一種方式應用在各類產(chǎn)品設計當中。其中，陶瓷設計一直沿用傳統(tǒng)的制作流程，練泥、拉坯、印坯、利坯、曬坯、刻花、施釉、燒窯、模種制作、模具制作、模具干燥、倒?jié){等。這些工藝耗費了大量的時間、人力、精力，一款全新的陶瓷產(chǎn)品需要經(jīng)過十幾天甚至一個月的時間來制作，越來越無法適應當今陶瓷更新?lián)Q代的速度。然而通過與科技結合，使用全新的設計方法，可以將這個過程縮短幾十倍，創(chuàng)造一款全新的陶瓷產(chǎn)品甚至十幾分鐘就可以完成，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。傳統(tǒng)陶瓷設計在當今社會承受著科技的巨大沖擊。

設計一詞從日語轉譯而來，口語最初譯“設計”為“圖案”?！皥D”指意圖，“案”既方案。因此，陶瓷設計是根據(jù)人的需求來進行的陶瓷創(chuàng)造的過程與方式。

傳統(tǒng)陶瓷設計存在巨大缺陷。以達到批量生產(chǎn)制作模具的陶瓷設計為例，需要以下步驟：（一）在紙上構思，設計草圖，繪制三視圖，標注尺寸，在完全無誤的情況下進入下個程序。（二）制作模種，通過對石膏的分割、打磨，大致達到設計草圖效果，無法精確復制。（三）制作模具，通過模種制作模具，并將模具放在陽光下進行晾曬，模具完全晾干需要數(shù)天，如遇陰天下雨，時間會順延。（四）將泥漿倒入模具內(nèi)，倒出泥坯，通過晾曬等泥坯干燥，需要數(shù)天時間。（五）對泥坯進行修坯，將邊角開模線打磨修整。（六）對修好的泥坯上釉燒制。通過對上述陶瓷設計傳統(tǒng)方法的概述，設計制作一件新款的陶瓷產(chǎn)品在一切順利的條件下，需要至少15天左右的時間。如果遇到陰雨天氣，那么時間會更長。這種設計周期在當今日新月異的市場潮流中，無法滿足快速設計制作產(chǎn)品的需求。一個月的設計周期往往錯失了很多市場機遇。改變陶瓷設計的周期，滿足市場快速更迭的產(chǎn)品與小批量個性化定制的陶瓷產(chǎn)品需要融入現(xiàn)代科技。

一、FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)在陶瓷設計中的應用。

隨著陶瓷設計的快速發(fā)展，目前已有了很多計算機輔助設計融入其中，但限制于傳統(tǒng)工藝，只有計算機CAD模型對陶瓷設計生產(chǎn)的周期沒有明顯改變。FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)已經(jīng)成為最前沿的陶瓷設計系統(tǒng)，（如圖1）直接顛覆了傳統(tǒng)意義上的陶瓷設計與建模方式。

（一）FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)應用到陶瓷設計的軟件和硬件條件。

FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)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(tǒng)。由美國麻省理工學院研發(fā)，具有一套虛擬力反饋交互技術，通過電子雕刻筆PHANTOM對電腦模型進行修改制作，得到虛擬的力反饋，模擬現(xiàn)實中的雕刻行為與動作，獲得真實的體驗。FreeForm觸覺雕刻，可實現(xiàn)任意形態(tài)的模型制作，使設計師更加直觀、清晰的對作品進行修改，尤其是對紋樣圖案雕刻復雜多階曲面的制作效率有顯著提高。FreeForm有別于傳統(tǒng)的計算機建模技術，將人機交互方式由計算機視覺交互轉變?yōu)橐曈X、觸覺交互，更加符合現(xiàn)實世界的交互方式，使設計師制作時更加直觀地感受模型形態(tài)與曲面變化。

（二）FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)在陶瓷設計中的優(yōu)勢與應用。

以陶瓷設計中的浮雕為例：傳統(tǒng)的設計工藝只能在現(xiàn)實生活中的泥坯上進行繪畫，通過刻刀對勾畫出的圖案進行雕刻、打磨。傳統(tǒng)方式有致命缺陷，在制作過程中產(chǎn)生的錯誤很難進行修改，力度的變化容易將坯體破壞，從而導致設計作品功虧一簣。FreeForm可以完美地規(guī)避這一問題，相對于傳統(tǒng)的雕刻模式，引入了FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)可以修復錯誤和提高效率。首先，在計算機中生成坯體模型，通過計算機處理，將要雕刻的平面圖案環(huán)繞在坯體表面，通過明暗變化，將現(xiàn)實中的雕刻復制在計算機當中。其次，在制作過程中，出現(xiàn)錯誤和力度失衡，只需簡單地返回操作，即可修復錯誤步驟。最后，通過需要雕刻的平面圖案，將其轉化為灰度圖，覆蓋模型表面，可直接在計算機生成雕刻效果，通過FreeForm的細微修整，可以大大減少設計時間，提高設計效率。計算機雕刻的模型與快速成型技術結合，可將計算機中的模型在現(xiàn)實中快速生成。FreeForm在陶瓷設計中有著得天獨厚的優(yōu)勢。

二、逆向工程在陶瓷設計中的應用。

逆向工程（Reverse Engineering）也稱為反向工程，是80年代初才開始發(fā)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。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計模式為通過計算機CAD模型，生成實物產(chǎn)品，這種開發(fā)模式被稱為“正向工程”。而陶瓷設計生產(chǎn)過程中，很多復雜的產(chǎn)品無法通過正向工程完成設計，因此，逆向工程成為陶瓷設計產(chǎn)品研發(fā)的重要方式。

（一）逆向工程掃描模型原理。

逆向工程通過對現(xiàn)有產(chǎn)品進行三維掃描，在計算機中生成CAD數(shù)據(jù)模型，通過計算機建模軟件或FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)對CAD模型進行修改完善，二次設計創(chuàng)新，改變現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，結合快速成型技術，將二次設計的模型快速生成實物模型，制作打樣后滿足市場需求。以非接觸式掃描儀為例，由線發(fā)射器和發(fā)光二級管產(chǎn)生線激光投射到需要采集的模型表面，激光產(chǎn)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(shù)據(jù)信號，隨著物體表面形態(tài)的變化，反射角度隨之發(fā)生變化。在收集完整的光信號的數(shù)據(jù)集合后，從而形成一個完整的三維數(shù)據(jù)點計算機CAD模型。

（二）逆向工程數(shù)據(jù)模型在陶瓷設計中的地位與應用。

逆向工程在陶瓷設計中同樣重要。陶瓷設計的產(chǎn)品在投入市場后，會存在方方面面的問題和產(chǎn)品缺陷，在二次設計中，通過逆向工程，對現(xiàn)有缺陷產(chǎn)品進行三維掃描，得到光信號數(shù)據(jù)模型，并生成計算機CAD數(shù)據(jù)模型，通過軟件格式的轉換，使用FreeForm等模型軟件對數(shù)據(jù)模型進行編輯、修改、完善，得到新的二次設計的計算機CAD數(shù)據(jù)模型。通過快速成型技術，將虛擬模型進行實物快速生成，得到實體模型與現(xiàn)有缺陷產(chǎn)品進行比較，改良產(chǎn)品再次投入市場。

逆向工程在陶瓷設計中應用范圍廣泛。在對古代陶瓷修復有著重要地位，通過對古代破損陶瓷器物的三維掃描，生成計算機數(shù)據(jù)模型，在計算機中將破損部位進行修復，與實體部分進行契合，通過3D打印技術將修復部分打印，得到原始1：1的實體模型。通過對原始模型的修整，制作與E色，粘貼在破損部位，達到以假亂真，修復陶瓷器皿的目的。在傳承古代器物器型、紋樣、雕刻方面，進行二次設計，通過對古代器物的掃描，將其最精彩的部分，最突出的特征，保存下來，提煉升華，在計算機中二次設計避開雕刻復雜的紋樣，直接掃描進計算機，完整復制雕刻紋樣圖案，節(jié)約大量的精力與時間，設計出既有古代味道，又符合現(xiàn)代審美實用的新陶瓷產(chǎn)品。逆向工程對陶瓷設計有不可替代的作用。

三、3D打印在陶瓷設計中的應用。

FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)、逆向工程都是在計算機CAD數(shù)據(jù)模型范圍內(nèi)對陶瓷設計的創(chuàng)新方式，他們都依托3D打印快速成型技術進行實物制作，3D打印對陶瓷設計有決定作用。

（一）3D打印快速成型技術原理與材質(zhì)。

3D打?。?DP）即快速成型技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

打印產(chǎn)品的類型決定了，打印材料的不同，通常3D打印的材料有尼龍玻纖、聚乳酸、ABS樹脂、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、橡膠類材料等。打印機將計算機中的數(shù)據(jù)模型進行分層打印，通過粘合劑將物體實體部分分層粘合，最終得到打印的實體產(chǎn)品。

（二）陶瓷3D打印技術的優(yōu)勢。

陶瓷設計3D打印以陶瓷粉末為材料，將計算機模型分層，通過3D打印機分層打印，粘合成型。陶瓷3D打印有傳統(tǒng)陶瓷設計制作無法達到的高度，（如圖2）制作一個六面體包裹另一個六面體，傳統(tǒng)的制作流程根本無法制作，有很大的局限性，而3D打印可以輕松的制作出來。3D陶瓷打印技術還可以解決復雜器型中的燒成問題，在計算機模型制作時，可直接對易變性的關鍵部位設計支撐結構，在3D打印時將支撐結構一并打印出來，打印出的產(chǎn)品完全不需要擔心塌陷的問題，在對復雜器型設計當中便可解決因燒成而變形等諸多問題，因為設計者可在計算機軟件中，對復雜器型內(nèi)部關鍵部位編制支撐結構，3D打印機在粉末逐層積累的同時也將器型內(nèi)部支撐結構打印出來，打印完畢后的陶瓷產(chǎn)品可以保持打印形態(tài)而不必擔心塌陷，所以3D陶瓷打印技術可提高陶瓷設計的成功率，將傳統(tǒng)陶瓷設計不可能制作出來的產(chǎn)品通過3D打印實現(xiàn)。

工業(yè)化陶瓷產(chǎn)品是對單一形態(tài)的復制，只停留在對產(chǎn)品顏色、紋樣變化的創(chuàng)新，而3D打印只需要在計算機中生成多個模型，就可以在打印時同時制作多個不同形態(tài)的陶瓷產(chǎn)品。雖然與批量化產(chǎn)品制作的數(shù)量無法相比，但陶瓷打樣的速度卻是驚人，只需要原來時間的幾百分之一就可以創(chuàng)新出一款全新的陶瓷產(chǎn)品，效率極高，并且保持藝術性和個性化。

（三）3D打印在陶瓷設計中發(fā)展趨勢。

3D陶瓷打印技術更加能滿足小批量陶瓷設計與個性化定制產(chǎn)品的需求。3D陶瓷打印技術不僅可以制作出形態(tài)各異的陶瓷產(chǎn)品，還可以異地打印，只需要計算機模型文件，就可以高速便捷的制作產(chǎn)品。消費者的需求在改變，從開始的追求產(chǎn)品功能到追求個性化定制，3D打印越來越受到消費者的認可，成為未來陶瓷行業(yè)的重要轉折點。從商業(yè)的角度看，雖然陶瓷3D打印不能取代批量化，產(chǎn)業(yè)化的傳統(tǒng)陶瓷設計制造行業(yè)，但陶瓷3D打印更加符合如今個性化定制的小批量市場需求。目前，陶瓷市場已從傳統(tǒng)大規(guī)模、批量化進入到差異化、個性化的消費模式，消費者熱衷于個性化、獨一無二的產(chǎn)品，追求與他人的差異化。隨著打印成本的降低，3D打印技術為這種針對不同消費者、不同的需求的陶瓷產(chǎn)業(yè)成為可能奠定了堅實的基礎，并逐步實現(xiàn)，3D陶瓷打印將逐漸成為陶瓷個性化、小批量定制產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。

結語

隨著科技的快速發(fā)展，陶瓷設計引入高新技術已成為必然，在傳統(tǒng)陶瓷設計中出現(xiàn)的周期長、成本高、耗精力、低成功率等問題，高新技術中FreeForm觸覺式設計系統(tǒng)、逆向工程、3D打印快速成型技術都可以基本解決。市場對個性化、差異化產(chǎn)品的需求日益增強，高新技術融入陶瓷設計使新產(chǎn)品的設計開發(fā)周期極大縮短，開發(fā)成本進一步壓縮，使設計師對復雜工藝的重復性勞動減少，工作強度降低，使其可以將精力更多的投入到新產(chǎn)品的創(chuàng)意當中，從而提升行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量與效率。本文從傳統(tǒng)陶瓷設計的局限性、高新技術應用到陶瓷設計中硬件軟件的可能性、陶瓷市場發(fā)展的必然性等方面分析，將全新的利陶瓷設計方法與高新技術相結合，創(chuàng)造出一種設計周期短、個性化程度高、研發(fā)成本低，快速高效的陶瓷設計系統(tǒng)化新方法。在不久的將來，這種新方式一定會逐步普及，隨著科技的發(fā)展，通過信息技術的創(chuàng)新與行業(yè)結合，將會有更多的新方式來提高陶瓷設計效率，改變固有生產(chǎn)方式與產(chǎn)業(yè)機構，為陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加堅實的保障。