3D打印技术下卫生陶瓷产业发展模式研究

支炳山 曹朝春

（桂林理工大学艺术学院，广西 桂林541006）

根据中国建筑卫生陶瓷协会的划分，陶瓷产业主要分为工业陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷和艺术陶瓷五大类。其中卫生陶瓷的需求量逐年攀增，尽管其制作工艺在不断更新优化，但卫生陶瓷在制作过程中造成的周期长以及严重依赖稀缺的高可塑性粘土资源的弊端始终无法避免[1]。近几年，随着3D打印技术在不断改进和优化，材料、打印设备等都在更新换代，越来越多的陶瓷产品通过喷墨打印、光固化成型、分层实体制造、激光选区烧结、浆料直写成型等常用方式最终成型，同时生产出的产品也更加稳定、精准和高效。这也意味着3D打印将作为新的工艺手段融入到卫生陶瓷的生产中，同时解决卫生陶瓷制作中存在的问题，这也是目前我国3D打印事业发展的一个重要战略方向。

1 卫生陶瓷生产的工艺特征

1.1 生产流程

传统卫生陶瓷生产工艺可以划分为制模、制备浆料、注浆成型、坯体干燥、上釉、烧成、检验包装7个流程，如图1所示。

图1 卫生陶瓷工艺流程图

（1）制模：将石膏粉末制成特定形状的模具。

（2）制备浆料：浆料制备包括了泥料和釉料的制备，均是将配比好的原材料通过球磨机研磨成一定颗粒标准的浆料。

（3）注浆成型：研磨完成的泥浆高压注浆进入石膏模具内，注浆成型一般要求室内温度在25-35℃，湿度在70%左右。

（4）坯体干燥：脱模后的泥坯含水率一般＞19%，需要通过干燥使含水率＜2%。坯体经过干燥不仅有利于后期上釉时釉料的吸附，还可增大泥坯的强度，避免其在窑内由于表面水分蒸发过快而引起坯体的开裂。

（5）上釉：对干燥完成的坯体进行施釉，一般喷釉方式有手工喷釉、喷釉机喷釉和静电喷釉。

（6）烧成：喷完釉料的坯体放置窑内进行烧制成瓷，温度在1 200℃左右。

（7）检验包装：检查成瓷，淘汰不合格成品，将合格成品打包入库。

1.2 工艺特征

卫生陶瓷生产的7个流程是固定顺序的流水线式过程，每一个流程都只完成一个中间品，然后作为后一流程的加工对象。例如制模工艺完成模具这一中间品，制备泥浆完成泥料这一中间品，注浆成型完成初坯这一中间品，坯体干燥完成干坯这一中间品，上釉完成釉坯这一中间品，烧成工艺完成最终成品，每一流程在消耗大量能源和时间的情况下都只能完成一种中间品。这也是传统卫生陶瓷生产在不断更新优化制作工艺的情况下，依然无法摆脱制作周期长、效率慢的最突出的原因所在。

2 3D打印卫生陶瓷的优势

3D打印技术在陶瓷领域的研究及发展推动了陶瓷制造业的升级变革，在未来的发展进程中，3D陶瓷打印技术在以下3个方面较传统卫生陶瓷制作工艺有明显的优势，也是3D陶瓷打印技术能够替代传统制瓷工艺的价值所在。

2.1 加工工艺方面

3D陶瓷打印技术是嵌入到传统制瓷工业中的新兴技术，可与传统陶瓷制作工艺结合起来，弥补传统制瓷工艺的不足，优化陶瓷的生产速率，缩短生产所消耗的时间。卫生陶瓷传统流水线式的制作工艺在经济高速发展的当下，面对多样化的市场及消费需求，如何加快产品的生产速度、缩短制作周期成为了亟待解决的问题。传统卫生陶瓷产品的生产周期过长、工艺繁复，而且在制作特殊形状产品时还需要不同的模具，不仅为后期脱模增加了难度，在时间和样式上都具有一定的局限性。

脱模工艺也是传统制瓷工艺中较为复杂的一个流程，脱模的成功与否在于时间的控制和脱模剂的选择。时间太短，石膏浆料未达到最终凝结点，其结构脆弱，无法形成合格的石膏模具；同样，时间过长，石膏长时间的膨胀和放热会损害母模，引起脱模困难。脱模剂的选择要充分考虑以下两点：①避免造成模具表面的凹凸不平和表面缺陷；②不影响模具的吃浆性能，便于后期高压注浆形成泥坯。然而通过3D打印技术来制作卫生陶瓷产品可以略过石膏模具的制备、脱模和注浆成型，直接将制备好的泥浆打印成泥坯，避免了后期脱模带来的技术难点和产品损耗，为传统卫生陶瓷的制作工艺提供了技术辅助，并解决了传统制瓷工艺周期漫长的问题，节约时间成本的同时也利于卫生陶瓷产业的转型和今后的发展。

2.2 产品设计方面

现代卫生陶瓷产品的需求量大，形态相似但又保持独特性的小批量化制作成为现代卫生陶瓷生产的一大特色，传统卫生陶瓷产业受到设备、模具、操作标准化的限制，要想实现小众化定制，无论是对企业自身还是消费者而言都是非常昂贵的。然而陶瓷3D打印技术在产品设计方面可以根据预设好的模型数据一次性完成多个不同形态的产品，依据用户需求，让用户参与其中，实现个性化定制，并且成本很低。目前陶瓷3D打印技术已经融入了装饰性的理念，无论是在外观造型还是色彩多样性上也均有发展，突破了传统制瓷工艺在工艺形状上的限制。首先在外观造型上，齐鲁工业大学的井启明[2]在2019年提出了关于陶瓷3D打印的肌理效果，尝试利用陶瓷3D打印技术对“贝壳”“树叶”以及“水”的纹理进行了仿真设计，并成功创作出肌理效果不同的《刺花与佛塔》和《曲水流觞》作品，实现了陶瓷材料的表现力本身所特有的多维度优势和3D打印在处理繁复纹理过程中的技术特色及优势。其次在色彩方面，多色的陶瓷3D打印技术能够直接获得陶瓷产品的彩色外观，色彩可通过在陶瓷粘土原料中掺入添加剂来达到不同的色彩效果，且添加的材料在陶瓷烧制的过程中能够被分解，对最后的陶瓷产品没有明显的影响，同时也可减少后期施釉的处理流程。以色列Studio Under研究所研发的彩色陶瓷3D打印技术，通过在陶瓷原料中掺入自身配比出的彩色粉末，然后再经过挤出式的喷头挤出特制浆料，最终制备出彩色的陶瓷制品。景德镇陶瓷3D打印体验中心也通过在原材料中加入色粉进行混合，成功创作出一系列的彩色陶瓷成品[3]。卫生陶瓷3D打印的个性化定制市场在未来有很大的发展前景，也能衍生出更多与之相关的微小、新型企业。

2.3 加工成本方面

2.3.1 运输成本 卫生陶瓷泥料制备主要选择粘土为原料，一方面考虑到粘土是陶瓷坯体成型的基础，在注浆和上釉流程中使泥料和釉料具有悬浮性及稳定性，在烧结过程中还可以与瘠性原料结合，使坯料有一定的干燥强度而利于烧结；另一方面考虑到产品的美观性，由于粘土的种类不同，在颜色上粘土可以分为白、灰、黄、红、黑等，当前的卫生陶瓷产品在颜色上主要以白色为多，虽然在后期施釉料的流程中可以弥补前期坯体颜色洁白度不够的缺陷，但是绝大多数厂家还是会在生产制作前期选择白度较高的粘土作为陶瓷坯体。因此纯度较高的高岭土成为绝大多数厂家的首选。然而高岭土分布不均，厂家需要跨区域运输高岭土，产生运输成本。

3D打印技术拓宽了卫生陶瓷制作在原料上的可选择性，生产时既可以充分利用本地原料，又降低了对高可塑性原料的依赖。高岭土在制瓷过程中会起到塑化、结合和永久性粘合剂的作用，在前期原料配比中很少再需要添加其他的粘合剂来改善坯料性能，会相应地减少一些工序，这也是质量较好的陶瓷产品多采用高岭土的原因所在。然而采用3D打印技术来使陶瓷成型，单凭粘土本身的粘合作用原本是不够的，必须再利用粘结剂和其他的塑化剂来使泥料流变性能达到最优化，在这种条件下，低可塑性原料、瘠性原料也可通过添加黏结剂或者塑化剂的方式达到与高可塑性原料同样的效果。因此，通过运用3D打印技术，陶瓷生产原料的可选择性就会大大拓宽，减少跨区域运输时产生的运输成本，高岭土等资源可以得到有效缓解。这不仅有利于对高岭土等资源的保护，还可以使本土资源得到充分合理的运用，也能减少对空气及环境的污染。

2.3.2 原料成本 国内外卫生陶瓷制作的重要工具就是石膏模型，具有良好的吸水能力和蒸发水分的能力[4]。石膏模型的制作首先要通过模型来制作母模，然后经过石膏注浆制成石膏模具，为提高重复利用率，母模通常会使用水泥来制作，然后将石膏粉配比成石膏浆料进行注浆成型。模具制作这一流程运用到的原料成本就包括了水泥和石膏粉，后期注浆成型进行脱模时还需用到脱模剂，制作过程中不仅会出现原料损耗，也会对环境卫生带来一定的影响，将3D打印技术引入卫生陶瓷行业，无需制作模具也可实现复杂结构的成型，免除传统制瓷工艺模具制作流程中带来的水泥、石膏粉、脱模剂这些原材料成本。

2.3.3 能源消耗成本 传统卫生陶瓷生产流程中消耗的能源包括电能以及天然气这两种能源，工艺流程复杂和参与设备过多都会增加能源成本，传统卫生陶瓷的制作与3D打印技术下的卫生陶瓷制作在制模、制备浆料和注浆成型3个流程中具有明显区别。3D打印卫生陶瓷只需要制备泥浆和釉浆，这个过程需要球磨机参与，产生电能消耗；而传统制作工艺首先在制模时就需要将石膏粉和水经过配比利用球磨机进行搅拌，消耗电能，后期模具的干燥还需要利用电能或者天然气，制备泥浆和釉浆同样也要消耗电能。3D打印卫生陶瓷与传统制瓷工艺相比，不仅节约了时间，更减少了工艺流程中造成的能源成本。

3 “3D打印+卫生陶瓷”的发展模式研究

3D打印技术是一种新的制造工艺，促进了当今制造业技术和控制技术的不断优化，同时其他有关产业也在其带动下进一步优化发展，这一技术的推进给陶瓷产品的改革提供了新的契机。目前国内陶瓷3D打印技术还存在许多问题：①在工艺流程中,国内操控3D打印设备的大多是没有艺术设计背景的技术人员，同时又有相当一部分艺术家或设计师不会操控3D打印机，因此形成了设计与操作及生产环节上的脱节。②针对陶瓷3D打印成品的保护，在关注最后成品的著作权保护之外，相关模型的数据保护也成为了不可忽视的方面。陶瓷3D打印的复制性强是其极为显著的一大特点，数据一旦泄露就会导致大量的仿制品出现，不仅侵犯了设计者的权益，也会使整个产业的发展陷入乱象，阻碍整个陶瓷3D打印行业的发展。通过对以上现存问题的分析研究，总结出一套“3D打印+卫生陶瓷”的发展模式。

3.1 建立专属于卫生陶瓷行业的3D打印产业

陶瓷3D打印技术的产业化发展成为势不可挡的一种趋势，可通过具有完整的产业链资质的公司来为艺术家与设计师提供更为专业化的建模、定制等服务。此类陶瓷3D打印产业公司根据自身的主导方向来确定其产业化模式，例如定制化、小批量化、仿制化等[5]。其中以定制化为主要模式的公司可以根据客户需求来提供专业的设计、建模、3D打印成型、后期修整、最终品成型一体化服务，其生产链中的设计、建模、3D打印成型环节都可作为独立的站点为消费者提供对应服务；小批量化模式则主要针对卫生建筑用瓷、生活用瓷等这类需求量大、样式造型较为单一的日常用瓷，同时也可以通过合法授权的形式对原创或高端艺术瓷进行批量化打印；陶瓷3D打印仿制化模式类似于联名款，主要以各博物馆收藏的陶瓷珍品为仿制对象，通过与博物馆的联名合作，借助3D打印技术等比例扩大或缩小陶瓷文物的比例，再作为纪念品进行出售，丰富博物馆艺术市场的产品类型并带动收益和促进消费。

3.2 拓展卫生陶瓷产业个性化定制市场

卫生陶瓷的传统制作模式适用于批量化的产品复制，要想达到个性化定制的需求，成本则相对较高。3D打印技术随着“人机交互”潮流的兴起，大众可以根据自己的需求通过简单的模型制作软件将自身的创意转变成现实，目前适用于大众操作的3D打印三维建模软件及市场已有的APP有shapr3D、123D Make、我型我创等。这些简单易操作的数据模型制作软件通过最基础简单的操作让不擅长操控3D打印机的艺术家、设计师甚至大众都能不受限制地参与其中并满足用户需求。拓展卫生陶瓷产业个性化定制市场，在扩展业务范围、减少原料库存积压的同时也有利于陶瓷3D打印技术的普及和发展。

3.3 注重专业人才培养

促进陶瓷3D打印技术走进高校。3D打印技术的发展也带动了其他衍生行业的发展，高校进行3D打印技术专业化培训，既能拓宽高校毕业生的就业面，也能够有效地提高陶瓷3D打印的设计水平，进一步推动3D打印产业优质化发展。

3.4 打造“3D打印+卫生陶瓷”的互联网平台

互联网时代将为“3D打印+卫生陶瓷”的发展提供新的切入点，通过互联网的助力推动传统卫生陶瓷的发展，实现制瓷行业的转型更新。首先可以尝试以小程序、网站、公众号、APP等形式来打造一个专属于“3D打印+卫生陶瓷”的接入点,例如美团、饿了么、58同城等平台就通过与互联网对接，打破了用户在地域、时间等方面的限制，成功扩宽了消费者市场。卫生陶瓷3D打印产业的发展离不开“互联网+”这一经济新业态，在实现3D打印技术推广的基础上也有利于卫生陶瓷行业的效益增长，为传统制瓷工艺带来新机遇。

3.5 完善陶瓷3D打印的保护制度

3D打印作为新兴的特殊信息化产业，在完整的陶瓷3D打印产业链中需要加强对相关知识产权的保护，为陶瓷3D打印的消费者和设计师提供安全高效的法律保障。

目前陶瓷3D打印在工艺流程和成品保护中体现的问题需要通过对产业链的完善、优化来促进数据模型的开发、加快高校专业化培训的步伐来为陶瓷3D打印在中国的发展提供环境、人才、技术的先决条件，并通过法律来保障消费者和设计师的合法权益，这也将是未来中国陶瓷3D打印行业的发展趋势和中国陶瓷发展新的转型。

4 结语

陶瓷文化是中国传统文化重要的组成部分，包含了东方特色的文化美学和审美规律，通过对陶瓷产品的不断深入研究，可以进一步了解到一个时代的文化内涵和一个国家的民族文化精神。中国陶瓷的发展面貌紧随不同社会发展阶段而前行，每一时期的代表性陶瓷器皿从审美角度上都侧面反映了当时的社会现状和统治者的审美情趣，归根结底也就是反映了当时的社会情感性和技术水平的发展情况。而现代陶瓷产业在科技发达的当下更多面临的问题是如何继承与发展。3D打印陶瓷作为一门兴起的前沿技术，其与传统陶瓷制作技术并不是相互排斥或替代的关系，3D打印给未来陶瓷产业的发展带来了更多的选择性及可能性。卫生陶瓷3D打印技术产业的发展不仅为传统制瓷工艺的难点和弊端的解决提供新的可行方案，同时也可以满足个性化定制需求，丰富陶瓷产品的造型样式。与传统陶瓷制作手法相比，陶瓷3D打印可以从对设备的调控、打印材料的研究配比等多方面来进行设计，实现陶瓷设计者对现代陶瓷造型美感的不同追求，也能达到手工无法制作的技术水准。尽管陶瓷3D打印目前在技术、材料、打印设备研发等方面还具有一定的难度，也存在着价格昂贵等现实因素，但其却有着新的发展契机和可观的发展前景。国内外对陶瓷3D打印技术的不断突破和积累的成功经验也为陶瓷行业带来了可行性的新工艺，传统卫生陶瓷产业的转型与发展需要新工艺、新技术以及新设备的支撑，3D打印技术与卫生陶瓷生产工艺相结合，将会在生产成本、造型样式、技术难点、产业发展模式、环保等方面实现优势互补，成为陶瓷生产领域新的创新发展点。