李偉 程詩婧

摘? 要：隨著國(guó)家倡導(dǎo)數(shù)字化賦能可持續(xù)發(fā)展道路的建設(shè)，3D打印技術(shù)作為一種數(shù)字制造方法，具有改善陶瓷制造可持續(xù)性的能力。面對(duì)傳統(tǒng)陶瓷制造資源浪費(fèi)、能源消耗和環(huán)境影響等可持續(xù)性挑戰(zhàn)，陶瓷產(chǎn)業(yè)須要推進(jìn)數(shù)字技術(shù)賦能國(guó)家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型創(chuàng)新。研究3D打印技術(shù)在生態(tài)陶瓷制造中的應(yīng)用，包括定制化設(shè)計(jì)、材料創(chuàng)新、資源節(jié)約和節(jié)能生產(chǎn)，可持續(xù)設(shè)計(jì)原則如何與3D打印技術(shù)相結(jié)合，以推動(dòng)生態(tài)陶瓷的可持續(xù)性設(shè)計(jì)。旨在為生態(tài)陶瓷制造提供可持續(xù)的方法，建設(shè)智慧賦能，數(shù)字創(chuàng)新，共建可持續(xù)未來。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；生態(tài)陶瓷；可持續(xù)設(shè)計(jì)

陶瓷是一種古老而廣泛應(yīng)用的材料，目前傳統(tǒng)的陶瓷制造過程存在著資源浪費(fèi)、能源消耗和環(huán)境污染等可持續(xù)性挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)窯燒制工藝需要高溫、大量的原始材料和能源，同時(shí)產(chǎn)生大量廢棄物。在當(dāng)下對(duì)于追求可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代面臨了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)革命性的制造技術(shù)，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和創(chuàng)新力。同時(shí)，隨著人們對(duì)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，生態(tài)陶瓷作為一種環(huán)保友好的材料，也受到了廣泛的關(guān)注。3D打印技術(shù)與生態(tài)陶瓷的結(jié)合，不僅為陶瓷制造帶來了新的可能性，也為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)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?gòu)U料，最小化能源消耗，以更加可持續(xù)的方式生產(chǎn)復(fù)雜的產(chǎn)品。技術(shù)的發(fā)展為解決傳統(tǒng)陶瓷制造的可持續(xù)性問題提供了新的機(jī)會(huì)。然而，在3D打印技術(shù)與生態(tài)陶瓷相結(jié)合的過程中，仍然存在諸多挑戰(zhàn)，例如材料選擇、打印工藝優(yōu)化、生產(chǎn)成本等。因此，本論文旨在深入研究3D打印技術(shù)在生態(tài)陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用，探討當(dāng)前生態(tài)陶瓷制造的現(xiàn)狀，并分析未來的發(fā)展趨勢(shì)。通過將3D打印技術(shù)與生態(tài)陶瓷相結(jié)合的方式進(jìn)行系統(tǒng)研究，探析3D打印技術(shù)如何對(duì)生態(tài)陶瓷的制造產(chǎn)生積極影響，為推動(dòng)生態(tài)陶瓷產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

一、3D打印技術(shù)及其原理

（一）3D打印技術(shù)的定義和分類

3D打印技術(shù)，又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM），是一種數(shù)字制造方法，允許制造三維物體，逐層堆疊材料來創(chuàng)建所需的物體。這與傳統(tǒng)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?！安煌趥鹘y(tǒng)的‘減材制造，它不需要借助傳統(tǒng)的刀具夾具，可以實(shí)現(xiàn)零件的直接成型，大大簡(jiǎn)化了加工工藝，縮短了加工周期，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的個(gè)性化設(shè)計(jì)及成型有著天然的優(yōu)勢(shì)”[1]。3D打印技術(shù)的分類多種多樣，主要根據(jù)其工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域來劃分。常見的3D打印技術(shù)包括熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）， 這種技術(shù)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(gòu)建物體。光固化（Stereolithography，SLA）方法是使用紫外線激光照射液態(tài)光敏樹脂，逐層固化樹脂來構(gòu)建物體。粉末燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）方法通過使用激光或高能電子束來燒結(jié)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(gòu)建金屬物體。

（二）3D打印的工作原理

3D打印技術(shù)的工作原理是逐層堆疊材料，將物體逐漸構(gòu)建起來（如圖1）。首先，需要?jiǎng)?chuàng)建或獲取一個(gè)3D模型，通常使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。3D模型定義了要制造的物體的幾何形狀和結(jié)構(gòu)。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(shù)百甚至數(shù)千個(gè)薄層，以便打印機(jī)能夠逐層制造物體。然后打印機(jī)通過逐層構(gòu)建物體，每一層的材料堆疊基于前一層。不同的3D打印技術(shù)使用不同的原理和材料，最后，在完成打印之后物體需要進(jìn)行后處理，例如去除支撐結(jié)構(gòu)、打磨表面或進(jìn)行其他加工步驟，以獲得所需的質(zhì)量和表面光滑度。

二、生態(tài)陶瓷的定義與發(fā)展現(xiàn)狀

（一）生態(tài)陶瓷的定義與特性

生態(tài)陶瓷是一種以環(huán)保為導(dǎo)向的陶瓷制品，其生產(chǎn)和使用過程注重降低對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)具備天然材料、可降解性和可循環(huán)利用性等特性。與傳統(tǒng)陶瓷相比，生態(tài)陶瓷注重最大限度地減少能源消耗、減少?gòu)U棄物產(chǎn)生，追求與自然環(huán)境的和諧共生。

生態(tài)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(xué)物質(zhì)對(duì)環(huán)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(duì)土壤和水源的污染，減輕對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的壓力。生態(tài)陶瓷制品在使用壽命結(jié)束后，可以進(jìn)行再循環(huán)利用或者回收利用，減少了對(duì)自然資源的開采需求，降低了能源消耗。

同時(shí)，生態(tài)陶瓷制品的設(shè)計(jì)越來越注重創(chuàng)意和藝術(shù)性，不僅滿足了功能需求，也提高了產(chǎn)品的附加值。在創(chuàng)意設(shè)計(jì)的推動(dòng)下，生態(tài)陶瓷的市場(chǎng)不斷拓展，涌現(xiàn)出各種個(gè)性化和定制化的產(chǎn)品。其產(chǎn)品通常注重保持原始的自然外觀和紋理，賦予陶瓷作品獨(dú)特的自然美感，體現(xiàn)出對(duì)自然和生態(tài)環(huán)境的尊重。

（二）生態(tài)陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀

生態(tài)陶瓷作為一種環(huán)保友好的陶瓷制品，近年來受到了越來越多的關(guān)注和重視。在生態(tài)陶瓷領(lǐng)域，不斷涌現(xiàn)出新的制造技術(shù)和材料，其中包括3D打印技術(shù)、可降解陶瓷材料等。這些技術(shù)的引入推動(dòng)了生態(tài)陶瓷制造工藝的創(chuàng)新，使其更加環(huán)保和可持續(xù)。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，生態(tài)陶瓷制品的市場(chǎng)需求逐漸增加。消費(fèi)者更加注重產(chǎn)品的環(huán)保性能，生態(tài)陶瓷因其天然材料和環(huán)保特性，受到了廣大消費(fèi)者的青睞。隨之帶來生態(tài)陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈的完善，包括原材料供應(yīng)、生產(chǎn)制造、設(shè)計(jì)創(chuàng)新、銷售渠道等各個(gè)環(huán)節(jié)。企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在這些領(lǐng)域進(jìn)行合作，促使生態(tài)陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加健康和穩(wěn)定。同時(shí)，生態(tài)陶瓷制造領(lǐng)域的國(guó)際合作與交流日益頻繁，各國(guó)陶瓷制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)加強(qiáng)合作，共同推動(dòng)生態(tài)陶瓷技術(shù)的發(fā)展，加速了行業(yè)的國(guó)際化進(jìn)程。

（三）陶瓷制造的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)陶瓷制造工藝具有悠久的歷史，但也面臨一系列挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)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(yùn)輸和加工，導(dǎo)致資源的消耗和環(huán)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(shè)備。這個(gè)過程可能需要大量勞動(dòng)力，而且難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和定制化設(shè)計(jì)。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(zhǎng)時(shí)間的制程。

傳統(tǒng)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(fèi)。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(dǎo)致大量的溫室氣體排放，同時(shí)增加了生產(chǎn)成本。開采陶瓷原料可能會(huì)導(dǎo)致土壤和水資源的污染，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)和水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。高能源消耗導(dǎo)致大量的二氧化碳排放，增加了氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，可持續(xù)性變得至關(guān)重要。在這背景下，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，為陶瓷制造提供了更加環(huán)保和可持續(xù)的替代方法。

三、3D打印技術(shù)在生態(tài)陶瓷制造中的應(yīng)用

在藝術(shù)領(lǐng)域，藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建個(gè)性化的餐具和陶瓷藝術(shù)品（如圖2）。通過數(shù)字設(shè)計(jì)和制造，消費(fèi)者可以獲得獨(dú)一無二的陶瓷制品，減少大規(guī)模制造和運(yùn)輸需求。3D打印技術(shù)可以解決水質(zhì)問題，通過制造商生產(chǎn)出低成本、可定制的生態(tài)陶瓷濾水器，可以有效去除水中的雜質(zhì)和污染物，并且生態(tài)陶瓷制品在使用壽命結(jié)束后可以分解為無害物質(zhì)，降低環(huán)境污染。

3D打印技術(shù)被用于制造具有節(jié)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(shí)具有美觀性。醫(yī)療領(lǐng)域也受益于3D打印技術(shù)，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(yīng)患者的身體結(jié)構(gòu)，提高了治療效果。還用于制造高精度光學(xué)器件，如透鏡和光學(xué)波導(dǎo)。這些器件在科研、通信和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

3D打印技術(shù)在生態(tài)陶瓷制造中有著多樣應(yīng)用，從陶瓷藝術(shù)到生活實(shí)用品、醫(yī)療假體和環(huán)保產(chǎn)品，不僅提高了生態(tài)陶瓷的可持續(xù)性，還為人們提供了更多的選擇和創(chuàng)新。3D打印技術(shù)已經(jīng)比較成熟，打印材料價(jià)格不斷下降，家庭根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)作陶藝作品，并且打印出實(shí)體作品，用以裝點(diǎn)生活的想法成為可能，也必然為人們?nèi)粘Ｉ钤鎏硪豁?xiàng)情趣和內(nèi)容，‘生活藝術(shù)化，藝術(shù)生活化的時(shí)刻即將來臨了?！盵2]

四、可持續(xù)設(shè)計(jì)與生態(tài)陶瓷

（一）可持續(xù)設(shè)計(jì)原則

“隨著科技進(jìn)步和生態(tài)環(huán)境意識(shí)的普遍提高，人們對(duì)健康舒適環(huán)境及相關(guān)材料產(chǎn)品提出了新的需求，在生產(chǎn)、流通、使用和廢棄全過程中與地球生態(tài)環(huán)境保持協(xié)調(diào)性已經(jīng)成為材料必須滿足的基本要求?！盵3]可持續(xù)材料是一種具有較低環(huán)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(fēng)險(xiǎn)。在生產(chǎn)、使用和處置方面的環(huán)境影響較低，包括降低能源消耗、排放物和廢棄物。可持續(xù)材料應(yīng)具備較低的毒性和降低對(duì)人體健康的風(fēng)險(xiǎn)。

可持續(xù)設(shè)計(jì)原則在生態(tài)陶瓷制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，以減少環(huán)境影響、資源浪費(fèi)和社會(huì)不公正。在材料使用中鼓勵(lì)降低產(chǎn)品的材料消耗，減少?gòu)U棄物和資源浪費(fèi)。3D打印技術(shù)通過精確控制材料分布，有助于實(shí)現(xiàn)這一原則。所以，可持續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，包括制造、使用和處置階段。設(shè)計(jì)師應(yīng)尋求減少生命周期中的環(huán)境和社會(huì)影響。循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以便在生命周期結(jié)束后進(jìn)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(chǎn)生?？沙掷m(xù)設(shè)計(jì)追求提高產(chǎn)品的能源效率，減少生產(chǎn)過程中的能源消耗。

（二）3D打印技術(shù)對(duì)生態(tài)陶瓷設(shè)計(jì)的影響

3D打印技術(shù)為生態(tài)陶瓷設(shè)計(jì)帶來了顯著影響，推動(dòng)了可持續(xù)性和創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)師能夠更準(zhǔn)確地控制材料的分布，減少材料浪費(fèi)，有助于最小化材料使用，符合可持續(xù)設(shè)計(jì)原則。3D打印能夠進(jìn)行生態(tài)陶瓷制品的個(gè)性化設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶需求、樣式、大小精準(zhǔn)定制，這樣能夠減少不必要的生產(chǎn)和資源消耗。

在節(jié)能方面，3D打印技術(shù)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(duì)有限資源的依賴。3D打印技術(shù)通常比傳統(tǒng)陶瓷制造方法需要更少的能源，因?yàn)?3D打印技術(shù)只在需要時(shí)加熱或熔化材料，符合能源效率原則?！疤沾?D技術(shù)與傳統(tǒng)陶瓷成型方式相比具有無需模具、縮短制備周期、且在結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)上更加靈活等優(yōu)點(diǎn)?！盵4]

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中陶瓷制品的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮可拆卸性、易于維修和材料可回收性，這有助于延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命和減少?gòu)U棄物。3D打印技術(shù)可以用于制造新的陶瓷制品，提高資源的循環(huán)使用率。優(yōu)化陶瓷制品的生產(chǎn)過程，能夠減少?gòu)U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(shù)的不斷發(fā)展和可持續(xù)設(shè)計(jì)原則的深入應(yīng)用，將會(huì)有更多生態(tài)陶瓷產(chǎn)品涌現(xiàn)，并且能夠在陶瓷制造業(yè)中引領(lǐng)可持續(xù)性的創(chuàng)新。因此，新方法和新材料將推動(dòng)陶瓷制造業(yè)朝著更加環(huán)保和負(fù)責(zé)的方向前進(jìn)，為環(huán)境提供可持續(xù)性的發(fā)展方向。

（三）生態(tài)陶瓷未來趨勢(shì)

未來數(shù)字化制造技術(shù)將繼續(xù)引領(lǐng)生態(tài)陶瓷設(shè)計(jì)的發(fā)展。數(shù)字化制造包括3D打印技術(shù)已經(jīng)開始改變陶瓷行業(yè)的制造方式。設(shè)計(jì)師可以使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建高度復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)，然后通過3D打印實(shí)現(xiàn)。這種方法提供了更大的自由度和創(chuàng)造力，使得生態(tài)陶瓷可以更好地滿足用戶需求。同時(shí)3D打印技術(shù)的不斷改進(jìn)，能夠產(chǎn)出更高質(zhì)量、更耐用和更具創(chuàng)新性的生態(tài)陶瓷設(shè)計(jì)。

第一，生物打印技術(shù)的前景。生物打印技術(shù)是一種新興的領(lǐng)域，將對(duì)生態(tài)陶瓷的未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。生物打印技術(shù)允許將生物材料，如細(xì)胞和生物降解聚合物，與陶瓷結(jié)合，以創(chuàng)建具有生物相容性的生態(tài)陶瓷制品。為醫(yī)療假體、醫(yī)療設(shè)備和生態(tài)陶瓷過濾器等領(lǐng)域提供巨大潛力。生物打印技術(shù)相關(guān)的創(chuàng)新將推動(dòng)生態(tài)陶瓷的可持續(xù)性和多功能性。

第二，可持續(xù)認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。隨著可持續(xù)發(fā)展的重要性不斷增加，生態(tài)陶瓷行業(yè)將傾向于制定可持續(xù)認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)。這將有助于確保生態(tài)陶瓷制品的生產(chǎn)符合環(huán)保和社會(huì)可持續(xù)性要求。生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)可能涵蓋原材料的來源、生產(chǎn)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(chǎn)品在可持續(xù)性方面達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)。

第三，合作與創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。未來生態(tài)陶瓷制造領(lǐng)域?qū)⑻峁V泛的合作和創(chuàng)新機(jī)會(huì)。制造商、設(shè)計(jì)師、工程師、材料科學(xué)家和環(huán)保專家將共同合作，以開發(fā)新的生態(tài)陶瓷材料、生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法?？鐚W(xué)科的合作將推動(dòng)創(chuàng)新，并為生態(tài)陶瓷的可持續(xù)性提供更多解決方案。還為小型企業(yè)和初創(chuàng)公司提供機(jī)會(huì)，參與并改進(jìn)這個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域。

五、結(jié)語

隨著國(guó)家數(shù)字化和綠色低碳的政策發(fā)展，傳統(tǒng)陶瓷制造面臨資源浪費(fèi)、能源消耗和環(huán)境影響等挑戰(zhàn)。引入3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更精確的材料控制、個(gè)性化設(shè)計(jì)、可再生材料的使用和能源效率的提高。技術(shù)創(chuàng)新可以大幅度改進(jìn)生態(tài)陶瓷的可持續(xù)性。3D打印技術(shù)是生態(tài)陶瓷制造中的關(guān)鍵角色，為陶瓷制造業(yè)帶來了新的機(jī)遇和前景，它不僅改進(jìn)了生產(chǎn)方法，還創(chuàng)新了設(shè)計(jì)和定制化制造，減少資源浪費(fèi)和能源消耗。

生態(tài)陶瓷的未來將充滿潛力，數(shù)字化制造技術(shù)、生物打印技術(shù)、可持續(xù)認(rèn)證和跨學(xué)科合作將共同推動(dòng)生態(tài)陶瓷制造進(jìn)入新時(shí)代。這有助于創(chuàng)造更具創(chuàng)新性、可持續(xù)性和環(huán)保的陶瓷產(chǎn)品，以滿足未來社會(huì)的需求。未來的研究將進(jìn)一步探索3D打印技術(shù)的應(yīng)用、生物打印技術(shù)，開發(fā)更多的可持續(xù)設(shè)計(jì)原則和標(biāo)準(zhǔn)，研究數(shù)字化制造技術(shù)和可持續(xù)認(rèn)證對(duì)生態(tài)陶瓷市場(chǎng)的影響，有助于推動(dòng)生態(tài)陶瓷制造向可持續(xù)和創(chuàng)新的未來發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張雨明，吳銳. 我國(guó)3D打印技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2018（3）：237-240.

[2]趙值，宋建文，李軼軍，等.基于OSG平臺(tái)的虛擬陶藝創(chuàng)作與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2017（11）： 2804-2810.

[3]孫劍鋒，張紅，梁金生，等.生態(tài)環(huán)境功能材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展及學(xué)科發(fā)展展望[J].材料導(dǎo)報(bào)，2021（13）：13075-13084.

[4]宋發(fā)成，劉元義，王橙，等.3d打印技術(shù)在陶瓷制造中的應(yīng)用[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（5）：11-16，25.

作者簡(jiǎn)介：李偉，博士，內(nèi)江師范學(xué)院張大千美術(shù)學(xué)院講師。研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)。

通訊作者：程詩婧，博士，景德鎮(zhèn)學(xué)院陶瓷美術(shù)與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院講師。研究方向：新媒體藝術(shù)、公共藝術(shù)、雕塑。