曾 莉

（湖南工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南 益陽 413000）

1 陶瓷產(chǎn)品增材制造

陶瓷產(chǎn)品增材制造（Additive Manufacturing of Ceramics），俗稱陶瓷產(chǎn)品3D 打印技術(shù)，指以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使用粉末狀陶瓷或液態(tài)漿料等作為陶瓷打印耗材，通過逐層打印的方式來構(gòu)造陶瓷產(chǎn)品的技術(shù)。在歐美等國家利用3D 打印的陶瓷產(chǎn)品早已在機(jī)械電子、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域展開了廣泛應(yīng)用，并打造了完整的產(chǎn)業(yè)鏈模式。它是一種快速成型技術(shù)，不僅包含了日用陶瓷產(chǎn)品的制造，還包括了藝術(shù)陶瓷的成型[1]，適應(yīng)批量化產(chǎn)業(yè)模式的同時(shí)也為新時(shí)期陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的契機(jī)。

1.1 數(shù)字模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)

在數(shù)字模型的設(shè)計(jì)中利用主流三維軟件（Pro/Engineer、UGNX、CATIA、Solidworks、Rhino 等）進(jìn)行參數(shù)化建模的方法，可以提高工作效率和工作質(zhì)量。參數(shù)化設(shè)計(jì)指利用函數(shù)的變量進(jìn)行不同變化的計(jì)算方法，能夠得出不同形狀的豐富造型，屬于圖形算法編輯器。在開發(fā)設(shè)計(jì)陶瓷產(chǎn)品的過程中能夠提供不同的解決方案，是一種新的思維方式和思維方法，能夠解決復(fù)雜的形體空間，方便方案的修改，拓展設(shè)計(jì)思考的范圍。參數(shù)化數(shù)字模型如圖1。

參數(shù)化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它具備自動重復(fù)、傳遞關(guān)聯(lián)和壓縮復(fù)雜等特征，也是人工智能的體現(xiàn)。陶瓷產(chǎn)品數(shù)字模型參數(shù)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在形體參數(shù)化的表達(dá)，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)的數(shù)字模型其形態(tài)的變化可以獲得超出人腦的直觀感受，同時(shí)結(jié)合LDM 成型，可以突破傳統(tǒng)陶瓷設(shè)計(jì)制作過程中遇到的難點(diǎn)，是一種更理性化、更具邏輯的形態(tài)表現(xiàn)方式。進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)作時(shí)，可以通過數(shù)字模型進(jìn)行不同的變化、調(diào)整，尤其體現(xiàn)在曲線、曲面的造型上，可以豐富形體的多重變化，同時(shí)也突破了手工制作的界限，為陶瓷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供更多形態(tài)的可能性。所以在陶瓷增材制造中，模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)可以拓展設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1.2 LDM 成型技術(shù)

LDM3D 打印技術(shù)（liquid deposit modeling）指液態(tài)沉積成型，也稱為低溫沉積建模，是陶瓷增材制造（3D打?。D出沉積成型技術(shù)的一種。其工藝原理是將陶瓷泥料用擠出機(jī)或毛細(xì)血管流變儀做成絲，按照設(shè)計(jì)的模型文件擠制一層、沉積一層，層層疊加打印得到一定形狀的生坯[2]。這種成型技術(shù)適用性廣，適合多種陶瓷漿料，設(shè)備操作相對簡單，可達(dá)到的精度較高，成本較低。有別于工業(yè)陶瓷及高科技陶瓷產(chǎn)品領(lǐng)域，它屬于直接漿料沉積成型，是目前市場上針對日用陶瓷產(chǎn)品及陶瓷藝術(shù)品增材制造領(lǐng)域運(yùn)用較多、相對成熟的成型技術(shù)。LDM 成型技術(shù)如圖2。

2 陶瓷產(chǎn)品LDM 成型操作

陶瓷產(chǎn)品經(jīng)過擠出后沉積成型，在這個(gè)過程中，打印材料是制約3D 打印成型的關(guān)鍵因素之一，目前市場上的陶瓷打印材料大部分需要有機(jī)粘結(jié)劑或光敏樹脂等有機(jī)材料，在后期固化過程中需要加熱進(jìn)行排膠處理。如果有機(jī)材料的粘性不夠穩(wěn)定，則容易產(chǎn)生坯體坍塌，那么坯體在固化后容易使產(chǎn)品的致密性降低，影響燒成質(zhì)量及成品率。LDM 成型中漿料不需要添加粘結(jié)劑及其他有機(jī)材料，打印過程中無需加熱，按照具體操作流程進(jìn)行規(guī)范打印，就能夠較好地保證陶瓷產(chǎn)品打印效果，可以為陶瓷3D 打印與設(shè)計(jì)提供科學(xué)成型的參考依據(jù)。

LDM3D 打印具體操作流程為：操作前準(zhǔn)備→LDM3D 打印→后續(xù)操作。

2.1 前期準(zhǔn)備

LDM 陶瓷漿料的制備跟普通陶瓷有機(jī)硅聚合物材料的比例相差不大，只需要根據(jù)打印出料的噴針大小及成品件數(shù)的需求制備相應(yīng)體量即可。陶瓷漿料包括陶料與瓷料的制備：粘土約50%，長石約30%，石英約20%等原料，加入一定量水進(jìn)行均勻混合揉練，真空煉制，除去空氣泡，使水分分布均勻并陳化成可塑漿料。漿料制備后筒狀灌裝，要求真空密封，防止水分流失，具備即插即用氣路接口且高強(qiáng)耐壓。按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T26742-2011）建筑衛(wèi)生陶瓷用原料粘土第6 章的方法檢測，漿料制備參數(shù)應(yīng)分別控制如表1。

表1 漿料技術(shù)參數(shù)

2.2 打印參數(shù)控制

三維軟件生成的數(shù)字模型設(shè)計(jì)輸出格式為STL、OBJ、STP、PRT、SLDPRT、3DM 和IGS 等。成型的主要擠出方式為柱塞擠出和螺桿擠出，在打印過程中出料速率與機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度的匹配程度是影響打印效果的重要因素[3]。不同LDM3D 打印機(jī)技術(shù)參數(shù)稍有所差別，可根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，分別按表2 所示的范圍優(yōu)化技術(shù)參數(shù)選擇。

表2 打印技術(shù)參數(shù)

2.3 打印流程

在前期準(zhǔn)備與設(shè)備設(shè)置完成的基礎(chǔ)上LDM3D 打印的主要流程為：切片設(shè)置→模型輸入→料筒安裝→打印測試→打印實(shí)施。

2.4 后續(xù)操作

2.4.1 坯體拿取

打印結(jié)束后，待打印噴頭復(fù)位，生坯稍靜置2～5min,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后再拿取。坯體靜置干燥，須在室溫、濕度高的條件下緩慢進(jìn)行。根據(jù)情況可適當(dāng)選用微波快速烘干，防止坯體開裂，縮短干燥時(shí)長（坯體收縮率：1%～5%）。

2.4.2 固化燒結(jié)

陶瓷坯件后處理中，要保證最終成型制件燒結(jié)致密[4]，直接燒結(jié)，采用常規(guī)燒結(jié)方式。根據(jù)實(shí)際坯體、器型和類型等需求進(jìn)行一次或多次高溫?zé)Y(jié)，保持溫度均勻，防止坯體各向收縮不一致，進(jìn)而致坯體產(chǎn)生變形、微裂紋及分層等問題（燒結(jié)后收縮率：15%～23%）。

2.4.3 噴頭處理

取下噴頭，及時(shí)用水進(jìn)行沖洗再安裝，如出現(xiàn)干料堵塞噴頭，則需要用浸水等方式通堵，每次工作前均需檢查噴頭，如磨損嚴(yán)重則及時(shí)進(jìn)行更換。

2.4.4 漿料處理

漿料在程序結(jié)束后需及時(shí)取出，不允許停置于機(jī)器料管中；多余漿料取出并重新密封儲存，也可回收真空練泥機(jī)，重新灌制；干燥完全的坯料廢料可制成干粉回收利用，再次灌漿制坯。

3 結(jié)語

LDM3D 打印技術(shù)具備操作簡單、材料制備要求不高和適用面較廣的優(yōu)勢，成為陶瓷產(chǎn)品增材制造應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)實(shí)用型成型技術(shù)。在進(jìn)行產(chǎn)品制作時(shí)，基于參數(shù)化進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以給設(shè)計(jì)師帶來不同視角，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝技術(shù)的不足，同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀產(chǎn)品制造和個(gè)性化產(chǎn)品定制，提高產(chǎn)品附加值。隨著3D 打印技術(shù)的日趨成熟，以及數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于LDM的增材制造技術(shù)將有更加廣闊的應(yīng)用空間。