数字化在传统陶瓷模具行业中的运用

吴俊卿

摘  要  本文主要阐述了数字化设计、逆向工程技术以及3D打印技术在传统陶瓷模具行业中的开发与运用。对比传统模具制作，数字化的模具具有可重复性、可感知性等传统模具不具备的条件，这些条件从一定程度上为陶瓷产品的创新和开发提供了极大的便利

关键词  数字化设计;陶瓷模具;运用

0  引  言

众所周知，传统陶瓷模具的制作非常依赖手工。因此，随着自由设计师以及其他非陶瓷专业人才跨界加入陶瓷领域，传统陶瓷迫切需要一种更为智能的生产方式。随着数字化技术的愈发成熟，尤其是被称为第四次工业革命的3D打印的商业化普及运用，数字化的设计、生产在陶瓷模具领域越来越得到广泛的运用。

1  数字化设计及逆向工程

1.1正向建模

自二十世纪六十年代起，计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）开始得到运用，并逐渐从二维开始向三维发展。目前，三维建模主要包括曲面建模（NURBS）和多边形建模（ploygon）两种方式，代表性的软件包括Rhino、3D Studio Max、Auto-desk 123D等。三维建模最早主要应用于机械、建筑、工业设计等领域，利用三维建模技术可以更直观地表现出形体造型、結构等特点，解决了部分从三维设计构思到二维设计图纸再到三维设计实体环节中可能出现的问题。

1.2逆向设计（对数据进行优化和完善）

逆向工程（reverse engineering，RE）作为设计的一种辅助手段，最早被用于机械、工程等科技领域，近年来，随着技术的普及化，逆向工程在工业设计领域被得到越来越广泛的运用。逆向工程是指从实物样件获取产品数学模型，进而开发出同类的先进产品的技术。根据设备是否和实物接触，可分为接触式和非接触式2类。目前最为普及的设备是非接触式三维扫描仪，包括激光和拍照式两种扫描方法。在得到产品的数学模型后，利用CAD技术得到相同、相似或优于原产品的数据模型，再结合计算机辅助制造CAM（computer Aided Manufacturing）技术，得到相关的实体模型。逆向工程技术在产品的再设计、深度开发中被得到了广泛的运用。

2  传统陶瓷模具

根据考古发现，陶瓷模具作为一种辅助成型手段，在新石器时代就已经出现，称之为陶范，制作方法为敷泥法，即内模成型。至春秋战国时期，模制法采用外模，并且有单模、合模之分，与从前采用内模的制法有明显差别。

2.1传统陶瓷模具的制作方法

陶瓷模具根据其在生产过程中的实际作用，一般分为母模和子模，即模种和模具。首先运用捏塑或车削等方法制作出所需要的造型实体，即母模;然后根据造型的复杂程度，对母模进行分片翻模制作出阴模，即子模。材料一般包括两类，即泥坯模具和石膏模具。

陶瓷行业发展至今，生产分工都很明确，不论在工厂或是产区，模具的制作都有专门的部门进行制作，设计师一般只需要提供相应的图纸，即可进行模种和模具的制作。

2.2传统陶瓷模具的局限性

传统陶瓷模具的制作方法一般都是由设计师提供图纸，再由专门的部门将二维的图纸制作成立体的泥稿或石膏模种，然后再对模种进行翻模，最后得到生产用的模具。由于设计师和制作者在通常情况下并非由同一人完成，便不可避免地可能会出现造型理解上的误差，因此，为了达到最理想的状态，在模种的制作环节需要设计师和制作者之间的反复沟通，从而导致产品的生产周期延长。并且，由于陶瓷的特性，在生产过程中存在收缩的问题，实际尺寸和模具尺寸存在一定的缩放比，因此对于一些不是长期在生产线上的设计师而言，一般很难把握好生产出的陶瓷产品的容量、尺寸等物理数据，特别是对于一些对容量要求特别高的日用陶瓷而言，哪怕一些经验丰富的设计师也很难把握。

另外，传统的陶瓷模种一般都是以泥或石膏为材质的，由于材质的原因，这样的模种十分容易损坏，即使在没有受到外界撞击的情况下也会受温度、湿度的影响产生风化、剥落等问题，并且随着模种数量的不断增多，对于保存这些模种也会消耗掉相当大的空间和人力资源。模种的损坏、保存等问题也会间接影响到该模种的二次利用，假如模种已经损坏或丢失，在图纸依然存在的情况下也很难制作出一模一样的模种，这就会导致前后产品造型上的差异，从而影响生产销售。

3  数字化模具的种类及优势开发

区别于传统模具先由设计师绘制二维图纸，再有专门部门手工打样制作模种的制作方式，数字化的模具一般由设计师利用三维设计软件直接绘制产品的立体效果图，再通过机械加工的方式得到模种。

3.1数字化模具的加工方式

目前普遍的加工方式主要包括两种：数控加工和3D打印。数控加工是模具零件加工的主要方法，如数控车削加工、数控铣削加工、数控线切割加工、数控电火花加工等。数控加工工艺具有精度高、加工表面质量好的优点。而且，数控加工的材料可选择性强，多使用pvc、酚醛树脂等强度较高的材料，因此在最后得到的模种质量往往比较高，并且不易损坏。数控加工的方式适用于大部分日用陶瓷模具的制作，但是对于一些造型复杂的雕塑，由于其本身机械结构上的原因，便无法进行加工。

3D打印（3D-printing）也称为增材制造（additive manufacturing，AM），增材制造技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，它是一种“自下而上”材料累加的制造方法。这种制造方式不受造型的约束，英国《经济学人》认为它“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。相对数控加工，3D打印目前的劣势主要在于精度相对较低，因此3D打印目前大多还是被应用于设计的手板和验证环节。近年来，随着技术的发展，3D打印的速度和精度不断提高，成本逐渐降低，因此在制作一些体积不大的复杂造型时，可以运用3D打印的方式。

3.2数字化模具的优势

对比两种模具的制作方式可以看出，相对传统模具“设计师-图纸-手工打样-模种”的制作方式，数字化模具是“设计师-图纸-机械加工-模种”的制作方式，因此在最后得到的模种造型上，数字化模具的造型相对会更接近于设计师的预想，并且由机械代替手工制模，可以节约设计师和制作者之间的沟通时间，从而提高效率。

采用3D打印技术制作的数字化模具，可以将陶瓷产品的各个部件，例如：壶身、壶把、壶嘴连接在一起进行一体打印，从而对成品的使用舒适程度、整体造型进行整体把握，并且通过结构分析，可以对后续生产过程中可能遇到的问题及时修改设计方案;利用3D打印技术，还可以将模具做成1：1的空心模型，从而来测算生产后的实际容积，对于一些高档咖啡具、茶具的生产可以节约大量的打样、验证所带来的时间和成本。

对于一些根据实物来进行打样的产品，例如对纹样、造型的移植与再设计，一般的制作方式都是由经验丰富的师傅参考实物，根据自己的经验和审美进行打样，然后翻制模具，最后进入生产制作环节，因此，在造型的仿真度上会存在一些误差。借助逆向工程技术，通过三维扫描，将需要仿制的产品进行数字模型重建，所得到的数据可以直接进行陶泥3D打印或进行cnc雕刻来开发母模。这种工艺目前已被普遍运用到文物修复、文创产品开发等领域，在陶瓷行业中的运用也正在越来越普遍化。

在高强度的生产当中，石膏模具具有一定的使用壽命，因此，一般的陶瓷生产企业都会配备专门的模具制作部门，专门负责制作生产中所需要的模具。模具的翻制自然离不开模种，传统的模种一般也都是由石膏制作而成，因此也都具有一定的使用寿命，长时间存放导致的老化或者一旦损坏就需要重新制作，手工制作必然会产生前后模种的差异化，而利用数字化来制作模种恰好能解决这一点，只要对数据保存得当就可以重复制作，并且数字化模种在材料方面选择更为广泛，不但可以制作传统的石膏模种，并且可以制作耐用度更强的硬质塑料、金属等材料的模种，对于这类模种的保存相对于石膏模种也更为相对容易，不易出现风化、磨损等问题。

3.3数字化模具的劣势

通过数字化来制作模具的这种方式，近几年在德化、景德镇、宜兴等陶瓷产区已经相当普遍，这种制作方式对于一些大中企业具有很强的适用性，但是相对于一些中小企业以及个人作坊而言，采用数字化来制作模具的方式有时候反会带来成本上升、延长制作周期等问题。具体原因有以下几个方面：

（1）数字化模具的制作对设备的依赖性高。大中企业通常会有专门的设计、开发部门，因此从设计、绘图、建模到制作一般都在本厂由专业性较高的技术人员完成，设计到制作一系列过程协调性好、效率高。而中小企业和个人作坊往往没有资金投入到其中，因此一般都是采取代加工的方式来进行制作，在陶瓷行业内，这类代加工目前还没有专门的工厂，一般都是模具作坊的一个服务项目，因此在模种制作的品质、时效上不能得到保证。

（2）数字化模具的制作对专业性要求高。传统石膏模具的制作是通过车削来完成的，制作工艺较为简单，并且制作过程中可以对模种的造型进行实时的观察，进行即时性的修改。而数字化的模具是根据图纸，通过建模-制作两个步骤来完成的，制作者根据图纸或者实物进行建模，得到加工所需要的数据。需求者通过观察虚拟数据来判断是否符合要求，这种观察显然不如传统制作方式来得直观，因此需要具有较强的造型把控能力和三维想象能力。

4  未来数字化模具在陶瓷行业中的发展趋势

4.1造型上的创新

三维造型设计运用的领域非常广泛，包括动画、建筑、工业设计等。陶瓷作为一种成型方式多样、可塑性强的加工材料，可以结合其它行业的设计特点，例如动画行业的cg人物设计、建筑行业的参数化设计，结合3D打印、数字化加工等方式，通过跨学科的交叉结合，创作数字化与传统相结合的陶瓷作品。

4.2共享平台，助力设计

随着科技的进步，数字化的制造方式得到越来越广泛的运用。但是由于其专业性较强，并且对设备的依赖程度高，在中小企业以及个人作坊中还未得到广泛运用。因此，可以通过搭建共享平台，提供专业的绘图与加工服务，共享设计师和加工制造，为生产者提供便利。

参 考 文 献

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[3]刘斌，崔志杰，谭景焕，吴松琪，柳亚强.模具制造技术现状与发展趋势[J].模具工业，2017（11）：1-8.

[4]卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013（4）：1-4.

Application of digitization in traditional ceramic mold industry

Wu Junqing

（Wuxi Institute of Arts and Technology，JiangsuYixing 214206）

Abstract  This paper mainly describes the development and application of digital design， reverse engineering technology and 3D printing technology in traditional ceramic mold industry. Compared with traditional mold making， digital mold has the conditions that traditional mold does not have， such as repeatability and perceptibility. To some extent， these conditions provide great convenience for the innovation and development of ceramic products.

Key words  Digital; design Ceramic; mold