三维数字技术在瓷塑模具生产中的应用.pdf

2023年第7 期（第32 4期）1佛山陶瓷77三维数字技术在瓷塑模具生产中的应用涂培佳(泉州工艺美术职业学院,泉州36 2 5 0 0)摘要：通过对德化传统陶瓷模具设计方法与制造工艺进行分析，采用项目法及三维数字技术采集或创建瓷塑模型数据，利用多款三维数字软件模拟设计与制作瓷塑模具，并对3D打印制造生产瓷塑模具等进行研究，实现瓷塑模具数字化生产，优化流程，推广三维数字技术在瓷塑生产的应用。关键词：产品设计；三维数字技术；瓷塑模具；3D打印；数字化生产1前言随着时代的发展，在全球化、信息化的大背景下，大量年轻劳动力缺失，企业转型升级势在必行。而德化陶瓷产业是出口型劳动密集型产业，资源、人力、技术等优势已不复存在。当今计算机数字技术的发展,以及3D技术和CNC数控成型设备的出现和快速发展，促使德化传统陶瓷的创作和制造方法做出新的技术变革。三维数字技术作为先进的设计生产方式，具有操作便捷、高效、节省人力等优势。利用三维数字技术弥补传统陶瓷模具设计及生产方式的不足，可提高模具的设计水平,以及生产的质量和效率,从而省材、省力、省时、还原细节，可批量生产,可减少工艺流程,替代人工成本，提高生产效率。2三维数字技术概述3D打印、三维扫描技术逐渐被大众接受。在国内外很多艺术家已经借用三维技术进行了艺术创作的实践，将三维技术与雕塑结合做研究和探索，创作出很多的雕塑语言和形式，值得我们借鉴、学习和思考。在国外，三维技术、3D打印与影像技术的介入,特别是三维技术与雕塑相互结合与共同运用，创作出了很多的雕塑形式语言和优秀作品，光3D打印的材料已有10 0多种，值得我们借鉴、学习和思考。国外对计算机数字化运用科技进行艺术创作越来越多，电子影像、行为、装置基金项目：本文系福建省教育厅2 0 2 0 年福建省中青年教师教育科研项目（科技类）“三维数字技术在瓷塑模具生产中的研究与应用（项目编号:JAT201364)。作者简介：涂培佳(198 5 一），男，汉族，福建德化人，硕士，讲师，研究方向：工业设计及陶瓷产品设计。和录像等也逐渐被大众认可和接受。在国内，雕塑界对数字造型雕塑的研究也越来越深人，艺术作品的形式和表现手法也越来越丰富。经过这几年大量的推广和运用，一方面数字成品材料价格越来越平民化，同时也看到大量的艺术家、雕塑实践者对数字造型技术的认识也逐渐全面。在这个过程中，数字化的优势逐渐明显，既提高了创作制作效率，又改变了创作与制作方式及工作环境。很多产业、企业对数字化技术的认识及应用也在不断提高。石雕重镇惠安和曲阳，已经从人工雕刻,慢慢地进人到数控化的时代，CNC雕刻机已经全面普及，大大提高了石雕的产值。在铸造行业,3D打印在小批量生产时具有明显的速度优势；对于难以生产的产品，也只能通过3D打印生产；对于艺术件，也广泛应用3D打印各类适用批量生产的模具。如今，很多雕塑家利用数字化技术进行创作也越来越广泛。鲁迅美术学院教授霍波洋大量使用3D建模和CNC直接加工金属成型来主办展览。毕业于厦工艺雕塑系的王威，以科幻为元素的创作涵盖雕塑、数字艺术与装置艺术以树脂3D打印结合电镀的方式呈现。在德化,很多瓷塑新秀逐渐开始认识并利用数字技术进行创作与制作,也引进3D陶泥打印生产研究瓷塑造型;还有很多年轻雕塑家也开始采用数字化软件进行瓷塑创作，3D打印成品后再创作等。3三维数字技术介入瓷塑模具生产的优势三维数字化技术主要用来获得瓷塑造型数据。其主要来源有两个方面：一是利用三维数字化软件进行造型建模，得到虚拟的三维数据，它不会像现实造型那样会塌、开裂，甚至78FOSHAN CERAMICS I Vol.33No.07(Serial No.324)报废。二是利用三维扫描技术对瓷塑模型进行扫描采集，可以永久保存；再通过软件进行分析、优化、修改、再创作等操作。当然，也可直接扫描原有的石膏模具，经过软件处理后即可直接打印或CNC加工模具。3.1利用三维扫描技术对瓷塑模型进行数据采集三维扫描技术与传统的平面扫描和摄像技术不同，包含物体表面各采样点的三维空间坐标和色彩信息的三维数字彩色模型。通过非接触式三维扫描仪扫描后得到的云点数据由几百点到几百万点不等，越密集的点云创建的模型更精确。通过扫描，可将对象更好地概念化设计，建立建模基础原型，导人三维软件即可进行再创作等处理。根据扫描对象的不同，扫描技术应用也不大相同。石膏模具几乎都使用过且表面较粗糙，整体重量较大不易搬动，可用手持扫描仪器快速扫描成型。有些经过修补用来保存造型数据，可去库存，亦可直接3D打印或精雕出新的石膏模具。泥稿和素烧品相对精致、完整，需要使用精细化扫描。其中,素烧品相对平整、洁白,重量相比泥稿较轻，挪动比较不会损坏或开裂，较好扫描成型。陶制品上色或镀金，瓷制品上釉或彩绘，扫描时会吸光或反射光线强烈，扫描仪捕捉不到轮廓光线，就无法获取造型数据。因此,在扫描黑色且具有漫反射表面的物体前,需要使用专门的扫描模式(深/黑色模式)并使用显影剂处理；扫描黑色且高反光物体时，也要先喷显影剂,再进行扫描。另外,针对几何特征比较单一(例如球形或柱形)的物体，需要使用标志点进行扫描。扫描后的数据仍需再加工处理。特别是德化传统瓷塑造型，人物的刻画有简有繁，头部特征和衣着特征均塑造繁复，衣着多体现在衣裳的褶皱,细部的褶皱都刻画很精细,需要精细化扫描。这样，衣服的褶皱和造型的凹处无法获取数据。扫描后还得靠后期处理，有时处理数据投入的时间精力并不比扫描的少。一般使用逆向工程软件杰魔(GeomagicStudio)或ZBrush等软件,对模型数据采取修补、拼合、改稿、再创作等。3.2利用三维数字化软件进行造型建模瓷塑造型软件主要包括雕塑软件“ZBrush”、“Freeform”和“Mudbox”，多边形建模软件“3ds Max”和“Maya”,曲线建模软件“Rhinoceros(犀牛),参数化建模软件“Creo和“Solidworks”，等。每个软件都有各自的优势与缺陷，充分利用各种软件自身的优势，选择性地学会几种软件进行配合，比如Creo+犀牛+ZB+杰魔等。数字化设计通过计算机辅助建立数字模型，整个雕塑设计过程无纸化、无泥土、无实物工具，与传统瓷塑相比，工作环境、创作时间不受限；更有利于作品（或办成品)的保存、修改、部件装配。这与时代的发展同步，很多的年轻人选择干净整洁的办公环境，逐渐摒弃传统的雕塑环境,相对粉尘飞扬、泥水脏乱。对于瓷塑工艺传承与发展也是利好，更多的学生愿意选择瓷塑专业学习。4三维数字技术在瓷塑模具生产中的应用分析4.13D打印助力瓷塑模具生产目前，3D打印存在着许多不同的技术，全球已经发展至金属3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技术。3D打印常用材料有石膏材料、钛合金、橡胶类材料、尼龙玻纤、耐用性尼龙材料等。德化瓷塑制模所使用的一半是二水石膏，它经过18 0 摄氏度左右的低温熳烧失去部分结晶水成为干粉状后，可吸水而硬化，制模即利用了吸水性这一点。使用石膏生产模具，不利于批量化生产，无法机械化、自动化、智能化。现今部分瓷塑工作室已开始使用精雕石膏模具，或使用光敏树脂打印模型，再翻制石膏模具进行生产。还有部分企业改用透气橡胶等材料制模，根据产品造型趋势设置排气通道，结合高压注浆让成品排除多余水分，泥浆在自动生产线上就能凝固硬化成型，减少石膏模具繁杂的制模工序，可大大节约成本。随着科技的发展，也可研制新型材料及相应的3D打印机,直接将虚拟的模具打印出成品。在结构、力学、工艺、脱水性等方面满足传统瓷塑产品智能化生产要求，促进传统瓷塑生产机械化、自动化，可减少模具的磨损与脱模的误差，从而保证成品质量，缩短出品时间。4.2数字化模拟设计模具原则分析通过三维数字方式获得瓷塑造型数据后，可以无限复制,按比例放大缩小，或者进行模块化创作等。但造型翻模能否顺适顺型分离，还要根据制模设计因素和顺适脱模等原则。不管是现实还是虚拟,都要考虑脱模因素,再利用软件进行原型“挖底”，虚拟分模线。虚拟的原型无需清理表面和保持湿度；如扫描的原型存在裂隙或表浮凹凸不平，这就需要表面修复和完善。最后得到瓷塑模具翻制的原型，可省掉传统模具翻制的修整原型和划定分模线两个步骤，也可节省实物存储空间。确定原型和分模线后，须考虑模具的围长和高度，2023年第7 期（第32 4期）1佛山陶瓷79要使模块上下、前后、左右厚薄大体均匀，以利注浆时的均衡吸浆和成坏，保证瓷坏质量。确定尺寸后即可使用软件虚拟创建模块造型，利用软件的“差集”功能一一用原型减掉与模块的交叉部分，得到的是分块模具的数据；也可利用软件自带的模具制造功能，比如“Creo”软件的铸造型腔和模具型腔模块，可创建模具造型。这样可省掉传统模具翻制的铺垫筑围步骤，也可减少材料和工具的准备、维护、存储等。4.3数字化制作模具近几年来,3D打印技术（增材）和CNC数控精雕技术(减材)发展迅速，都是将造型数据从“虚拟”转换成实物的关键技术。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。随着科技的发展,3D打印的造型精准，细节越好，尺寸更大，能打印复杂结构和可活动的零件,材料及机器也不断发展、变革；而CNC数控精雕已经日益成熟，功能增强，精度提高，工时减少，能满足规模化生产的需要。现在市场上只是简单地利用两种技术制作加工瓷塑原型，再使用传统翻模工艺制模。而使用CNC数控精雕机直接加工模具造型数据（含三维扫描处理得到的模具），石膏模具也要调制石膏浆并灌制预测大小的模具加工件。石膏模块加工完成，干至一定程度时再合模为整继续干燥，仍需这个步骤。但“挖、筑围,开模”等传统工序都将省去，大大地减少了人力、物力和原材料的消耗，缩短制模时间、提高效率、降低成本。5三维数字技术介入瓷塑模具生产的实践案例5.1闽南地区的龟稞印模具龟颗印模具是闽南一带及台湾、东南亚地区用来制作传统特色名点，其形主要是用陶瓷烧制的、镌上龟甲图案或“寿”字的模具,印在糯米龟表面。现今，龟颗印模具越来越少,可利用三维扫描和3D打印技术,将传统的食品印模具数据保存下来，同时根据需求直接打印各种大小不一的模具，用于机械化、自动化批量生产。5.2德化传统瓷塑模具再创作现今，很多大师的瓷塑作品只保存石膏模具，既容易损坏又占用空间；有的年老甚至过世无法重新雕塑，也未必一致。利用三维扫描技术获取石膏模具的数据，处理后可直接打印生产模具；也可利用三维软件拼合数据，利用3D打印即可还原瓷塑造型；也可利用三维软件进行造型再创作，也可3D打印出成品或泥稿再创作。例如，黄永星工作室创作的佛像作品5.3手摸生产模具设计利用三维软件创建手摸主体，经过再三修改完善，确定主模；再根据生产需求，包括但不限于机台尺寸、螺丝孔位、排气配件等设计考虑，直接利用多款三维软件创建模具直接用于生产。6结论快速发展的数字科技将为德化传统产业转型升级带来新希望。现阶段利用三维数字化技术创建模具数据，逐步替代传统繁杂的制模工艺，优化模具生产流程和技术要求，能大量减少人力、财力和原材料的消耗，缩短开发时间、提高效率、降低成本。三维数字技术助力陶瓷生产自动化和智能化水平，成为德化陶瓷产业数字化转型的重要助推器，加快传统陶瓷生产工业化的步伐，这是一个庞大的体系，需要三维数字技术、机械自动化、材料科技等多维度的研发与实践，需要组建更加专业的团队深入再研究。1王超.3D打印技术在传统陶瓷领域的应用进展 J.中国陶瓷.2015(12):6-11.2赖荣伟.陶瓷工艺雕塑制作技法 M.辽宁美术出版社.2 0 13(10)3张盛.数字雕塑技法与3D打印 M.清华大学出版社.2 0 19.4周兴海.基于3D打印技术的陶瓷造型制作的研究 J.文化创意.2 0 15(11):10 8-10 9.5杨艳石.3D打印技术驱动产品设计新模式 J.设计.2 0 15(19).6郑姝敏.德化陶瓷产业发展现状及问题分析 J.市场论坛.2 0 15(04).7肖婷,刘坚.模具制造中3D打印技术的应用研究 J.工业设计.2019(05).8钱春华,钱杨林.CNC数控编程技术在雕刻加工中的巧妙应用 制造业自动化.2 0 10(0 3).参考文献