逆向工程在工业设计陶艺实验教学中的应用研究

2020-04-16赵士樟李文娟

设计 2020年5期

赵士樟李文娟

摘要：为了提高高校工业设计专业学生在陶艺实验教学中学习的效率，提升实验效果。通过传统陶艺方法，得到一个原始的陶艺模型后进行三维扫描，将三维模型导入计算机运用FreeForm触觉式雕刻系统进行深入刻画，最终通过陶瓷3D打印技术将最终产品打印出来进行烧制。得到传统陶艺工艺无法制作的陶艺产品。为工业设计专业学生陶瓷艺术设计教学方式提供新的路径与参考。

关键词：陶瓷艺术设计;逆向工程;3D打印;FreeForm

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2020）03-0100-02

引言

随着社会发展与工业设计学科体系建设日益完善，陶瓷艺术设计作为其中一门课程对训练工业设计专业学生的造型能力与立体形象思维显得尤为重要。目前粗放式，经验式，低精度的陶艺教学方式越来越拖慢教学进度与学生学习效率。将逆向工程引入到工业设计陶艺实验教学中，可以提高陶艺作品的效果、作品精度与成功率。并能够通过计算机修改陶艺作品模型，进行二次创作。如何在陶艺实验教学中融入FreeForm触觉式雕刻系统，3D扫描仪，3D打印等逆向工程技术值得深入的探究。

陶瓷艺术从人类早期的简易陶盆、陶瓶到现代社会的专业陶瓷艺术设计已有几千年的历史。在传统技术基础上产出了很多实用、美观的优秀陶瓷作品。陶瓷艺术设计在很多高校工业设计专业中作为一门必修课，训练学生的形象立体思维有很好的作用。这种训练方式虽然有众多优势，但也存在着很多弊端。

一、高校陶瓷艺术设计课程在工业设计专业实验教学中存在的问题

（一）在国内很多高校，陶瓷艺术设计作为工业设计专业的一门必修课，课程时间在16-32课时之间，如此少的课程时间内，学生需要学到很多内容，包括：盘泥条、拉坯、修坯、制作泥板、模种制作、模具制作、倒浆、施釉、烧制等，由于需要学习的工艺众多，导致学生在短时间内很难学好陶瓷艺术设计。

（二）现阶段大多高校陶艺教学模式采取的是粗放式的陶艺实验教学模式。通过盘泥条、泥板、拉坯、修坯等方式，让学生通过自己的想象力进行创作。虽然这种教学模式能训练学生的立体思维，但很难创造一件好的陶瓷艺术设计作品，往往制作出的作品粗制滥造，缺乏推敲，只是一个最原始的形态，无法进行更深入的创作，如：在坯体表面进行雕刻、制作镂空效果或者制作更复杂的形态。课程作品质量较差，最终烧制出的作品甚至不能称作是作品，这是短学时与学生工艺不熟练导致的。学生熟练程度与制作工艺远远跟不上学生的思想，这种传统工艺限制了学生天马行空的创意，使工业设计专业的学生立体思维的训练大打折扣。

（三）陶瓷艺术设计工艺制作需要较长时间，目前高校的课程时间无法满足。在盘泥条、拉坯、制作模种、制作模具等工艺都需要晾晒干燥，从而使陶瓷艺术设计从创意到成品的时间达到15-25天。不同工艺的晾晒干燥时间不同，以制作倒浆模具的陶艺创作为例：1.需要2-3天制作石膏模种，并且需将模种晾晒干燥，这个过程需要5-7天，视天气状况而定，如遇阴雨天气会时间更长。2.根据已近干燥的模种制作模具，又需要数天的时间进行干燥。3.将泥浆倒入模具，拆掉模具，再次晾晒得到干燥的泥坯，同样需要数天。4.将干燥的泥坯进行修整，上釉与烧制，得到最终的陶艺作品。整个陶艺作品制作过程需要半个多月的时间，不利于工业设计课程高效率地开展，并且由于学生技法不太熟练，会导致最终的陶艺作品效果会大打折扣，甚至得到失败的作品。

针对这些弊端，将逆向工程、陶瓷3D打印技术引入到工业设计专业的陶瓷艺术设计课程中可以很好地改善这些问题，对传统陶艺课程是一种新的尝试。

二.逆向工程在陶瓷艺术设计课程实验教学中的应用

逆向工程（Reverse;Engineering）也称为反向工程，是80年代初才开始发展的一项新技术，最简单的一种定义为：从实物到计算机CAD模型。

之前的陶瓷艺术设计与产品设计都是由计算机CAD模型转化为产品实体模型，这种方式称为“正向工程”。在面对非常复杂的形态时，这种方式会增大建模难度，耗费大量的时间、精力，而且不利于修改。所以，复杂多曲面产品的开发时，尤其是陶艺产品開发时，应用逆向工程比较合理。

（一）陶瓷原始粗糙模型与数字模型的结合。工业设计专业的学生通过陶泥进行陶瓷艺术设计与创造，得到粗糙的原始陶艺作品，需要很长时间进行干燥，打磨等手段，费时费力。在结合逆向工程后可快速得到精致完美的陶瓷艺术作品。首先将粗糙的陶艺作品通过三维扫描仪进行扫描，快速地得到一个计算机CAD模型。以非接触式扫描仪为例，由线发射器和发光二级管产生线激光投射到需要采集的模型表面，激光产生红色射线，并在物体表面进行反射，通过一次反射，CCD图像传感器接收光数据信号，随着物体表面形态的变化，反射角度随之发生变化。在收集完整的光信号的数据集合后，从而形成一个完整的三维数据点计算机CAD模型。

（二）学生可将计算机CAD模型进行深入刻画，或者进行二次创作。通过FreeForm触觉式雕刻系统在计算机中对模型进行修改，用触觉式的操作方式修改高复杂度的曲面，从而使学生脑中天马行空的形态得以制作出来。

FreeForm触觉式设计系统（图1）是目前世界第一套能够让设计师在电脑上利用触觉就能完成3D模型设计与建构的计算机辅助设计系统。系统包括一套力反馈技术，通过雕刻笔对计算机模型进行修改，得到力的反馈，模拟真实的雕刻效果，类似于现实中的对陶泥的塑造，和陶瓷艺术设计课程紧密结合。FreeForm触觉雕刻的优势有很多。1.可实现任意形态的模型制作。在学生得到的电脑CAD模型基础上，使用FreeForm触觉式雕刻系统对粗糙的模型进行更多的修改，如在表面进行复杂的雕刻，镂空等操作，可以非常细致地表现学生想要的形态。2.因为计算机可返回操作错误之前的步骤，保障陶瓷作品不会因为操作不熟练导致的失败。而在传统的陶艺教学模式中，学生不可能在很短的时间内掌握熟练的陶艺技法，更不可能在脆弱的陶艺坯体表面进行细致的雕刻，并且非常容易出现雕刻时损坏陶艺作品，如穿透、开裂、粉碎，这种失误是不可逆的，学生只能重新制作陶艺模型，费时费力，很有可能完不成陶瓷艺术设计课程的最终作业。在传统陶艺教学模式中，由于坯体是陶泥干燥后形成，所以非常脆弱，受力不均时坯体会断裂，粉碎，因此在对坯体进行修整与打磨时非常容易损坏陶艺坯体。陶瓷艺术设计课程中引入逆向工程后，可基于三维扫描得到的计算机CAD模型上，使用FreeForm触觉式雕刻系统进行设计与修改，最终完美的避免这些问题，甚至可以快速倒角，通过计算机进行打磨，得到较好的计算机CAD模型陶艺作品。3.使用FreeForm可以大量节省材料，学生通过三维扫描，得到的精确地计算机CAD模型，在观察不满意后，往往需要修改或者进行二次创作，在FreeForm系统中，学生可通过加法的方式对模型进行拉伸、扩充、反复修改，也可通过减法的方式对模型进行雕刻、镂空等操作，节省实验室耗材。而在传统陶艺教学过程中，学生在不满意自己设计的作品时，很难再大幅修改，陶艺作品在干燥后基本不可以进行回收与再利用，学生有新的想法时，只能重新制作，大量的浪费课程时间与课程材料。4.引入逆向工程与FreeForm触觉式雕刻系统后可以使实验室环境干净卫生，减少很多粉尘。在传统陶艺实验教学中，陶艺实验室卫生与学生安全是很重要的问题，陶泥在干燥后和修整过程中会产生大量粉尘，学生会吸入肺部，对身体造成伤害。陶泥中含有很多水分，拉坯过程中也会用到大量的水，在拉坯机这种高功率电器中，机体很容易进水引发的漏电事故，对学生的生命安全产生威胁。而引入逆向工程与FreeForm触觉式雕刻系统后，使陶瓷艺术设计作品修改和雕刻都在计算机中进行，首先可以减少实验室环境中的大量粉尘，保障实验的卫生，并且减少了学生和高功率的电机接触的时间，降低危险的发生概率。

（二）通过陶瓷3D打印等新技术将陶瓷艺术设计作品完美制作出来。1.FreeForm软件生成的计算机CAD模型依赖3D打印技术，才能将计算机中虚拟模型制作出实体陶瓷艺术设计作品。目前最适合陶瓷艺术设计课程的3D打印技术为陶瓷3D打印技术，可以将传统陶艺制作周期大大缩短，只需要1-4小时，就可以完成传统陶艺15天才能完成的陶瓷工艺与效果。陶瓷3D打印技术是将计算机CAD模型进行分层，通过陶瓷粉末材料进行逐层打印，通过黏合剂进行组合，最终打印出计算机CAD模型，这种技术将学生通过传统陶艺模式制作的粗糙实体模型在计算机内细化打磨后完美呈现。2.陶瓷3D打印技术的优势。首先，陶瓷3D打印技术可以将学生的创意快速实现，打印出的陶瓷粉末模型可直接烧制，拥有传统陶艺教学课程不可比拟的速度，节省了传统陶艺技法的2-3个步骤，如制作模种、制作模具、晾晒干燥等，只用几个小时，就可达到传统陶艺教学十几天甚至是二十几天才能达到的效果。3.陶瓷3D打印技术不受传统陶艺工艺的限制，可制造出任意形态，训练学生的形象立体思维，不受技法限制。如（图2）陶瓷实体与陶瓷实体之间的套叠在传统陶艺上很难实现，更不说对课程时间很短，刚刚接触陶瓷艺术设计的工业设计专业的学生，他们完全无法制作和实现，非常大地限制了学生的思维。传统陶艺对学生的立体思维训练非常局限，仅仅限于可制造出的形态。而陶瓷3D打印可制作出任意形态，或者多个形态的组合。4.陶瓷3D打印技术可辅助烧制陶艺作品，不产生形变。在传统陶艺作品烧制过程中，由于受高温影响，坯体变软，陶艺作品在没有支撑时受力不均，非常容易产生形变。传统陶艺教学中，会单独制作一个支撑物体，减小坯体在高温窑中的变形。而这种单独支撑部件的制作，更加浪费十分有限的教学时间。在引入逆向工程与陶瓷3D打印的陶艺实验教学中，可将支撑部件在计算机CAD模型中直接设计出来，通过FreeForm进行调整，最终与设计的陶艺坯体一同打印出来，相比较传统模式，更加节省时间，支撑部件与陶艺坯体契合度更好，在高温窑烧制过程中，使坯体的变形更小，更加贴近学生设计的模型

与初衷，精度更高。

三、引入逆向工程后陶瓷艺术设计课程与传统陶瓷艺术设计课程相比较有更多的优势

（一）训练工业设计专业学生的理性思维与高精度的产品设计思维。（二）传统的陶瓷艺术设计粗放式的教学模式，虽然使学生可以训练一定的立体思维，但精度不高，比较随性，缺乏理性的思考。并且由于工艺的限制，很多形态可以想象到，却做不出来。引入逆向工程与陶瓷3D打印技术后，可以训练学生理性的思考方式，用数据化的语言去设计新的形体。（三）工业设计师需要很多逻辑性的思考和基于尺寸的精细化设计，为以后学生进入工作岗位，成为一名合格的工业设计师打下坚实的基础。（四）引入逆向工程后，陶瓷艺术设计课程将成为高效率的训练工业设计专业学生产品思维的课程。在传统陶瓷艺术设计课程中，课时短、制作作品周期长，导致学生的作品都较简单，无趣。引入逆向工程、陶瓷3D打印技术后，学生可设计更复杂的模型，由于无需等待晾晒干燥，成功率高，只需要原来几十分之一的时间就可完成高精度、较为复杂的、有趣的陶瓷藝术设计作品，并且保障了作品的高质量。

结语

随着科技的快速发展，人才需求种类发生变化，传统的陶瓷艺术设计课程制作作品周期长、成本高、耗精力、低成功率越来越拖慢学生学习进步的速度，课程改革显得越来越重要。在有限的课程时间内，高效率的提高学生的设计能力，高质量地完成陶瓷艺术设计作品，才能使老师和学生跟得上时代的步伐，传统的教育模式已经不适应当代的工业设计专业的人才培养模式。新技术下的陶瓷艺术设计课程将会由粗放式、低效率、低成功率的方式转变为高精度、高效率、高成功率的课程方式。逆向工程与陶瓷3D打印技术的引入陶瓷艺术设计课程一定会为工业设计专业学科培养更多高素质的设计人才。

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