基于3D打印产品的岭南灰塑艺术研究*

文/杨辉（惠州学院 建筑与土木工程学院）

岭南灰塑所呈现出独有的非物质文化艺术价值，是中华传统建筑装饰的重要组成部分。

在当代建筑的冲击下，灰塑装饰面临着如何生存、如何发展的现实问题，如果还只是依赖于传统建筑而生存，在其生存的广度、深度、灰塑工匠的人员培养以及经济因素等方面，必然受到极大限制。基于此，通过对岭南灰塑现状的深入考察分析，本文从3D打印角度研究灰塑艺术，拓展了灰塑的应用领域，有助于灰塑的传承和发展。

一、岭南灰塑艺术现状

对于岭南灰塑，国内学者主要从灰塑起源、装饰题材、装饰纹样分析、工艺特征、非物质文化遗产保护及美学等角度展开研究。也有部分人员从建筑材料、材料配方、灰塑材料的环保性能及材料制备方法等方面入手研究灰塑的黏结作用以解决石灰熟化、陈化方面出现的问题。国外学界对于灰塑研究多从历史文物建筑的原真性保护、应用角度进行。经过长时期的研究，形成了世界公认的经典文件如《雅典宪章》《威尼斯宪章》等文件，提出了历史文物建筑的原真性保护，成为保护文物建筑及历史地段的国际原则，实现了由原真性保护的理论层面到提出传统文化遗产可持续发展管理实践层面的转变[1]。这些研究成果对本文研究都有很大的借鉴作用。研究发现：

（1）既有研究集中于保护传承领域，对灰塑创造性转化和创新性发展等问题关注度不够。（2）方法上多使用实地调查法、文献法，少见实验法、定性与定量分析法、比较法。（3）运用3D打印工艺应用在非物质文化遗产胶凝材料类的实验与应用研究可借鉴的成功案例少。

二、适用于3D 打印机的灰塑配方

本文公开了一种基于3D打印机的灰塑材料及其制备方法和应用，材料包括以石灰膏为主要原料，配以竹纤维本色卷纸、红糖、糯米粉、石膏灰、精选细沙等天然材料以及适量的石膏缓凝剂辅助材料，事先经过将近三个月浸泡、发酵、糅合等工序制作而成。本灰塑配方天然无污染，可适应目前室内外的装饰要求。不仅具有耐酸、耐碱、耐高温、吸湿、防潮等特点，而且还有很好的环保功能、耐久性抗腐蚀性和可操作性强的优点，材料良好的流动性和韧性能较好地满足基于胶凝材料的3D打印机需要。

（一）配方比例

基于3D打印机的灰塑材料，按重量份计算，石灰90-110份、石膏20-35份、红糖1-3份、竹纤维本色卷纸1-2份、精选细沙8-12份、水35-40份、糯米粉2-4份、石膏缓凝剂1-2份。

（二）制备方法

适用于3D打印机的灰塑材料的制备方法包括以下步骤：（1）把竹纤维本色卷纸浸透，搅烂成为纸筋；（2）用清水浸泡生石灰，再过滤除去沙石杂质使其成为石灰膏；（3）按比例加入红糖、糯米粉、精选细沙和石膏缓凝剂，充分搅拌直到细腻柔滑；（4）将步骤（2）搅拌好的石灰膏与步骤（1）所得纸浆混合并搅拌均匀，密封20天左右完成材料配方的制作；（5）需要使用时搅拌，然后取出进行充分糅合直至变成劲性好流动性强的灰塑材料。

所述制备的灰塑材料在3D打印机处理上应用的步骤包括：（1）将3D打印机的材料桶壁表面处理干净后，用制备的灰塑材料装进材料桶并设法把材料均匀放置在打印轴周围，每次厚度不超过30厘米；（2）在步骤（1）完成后在打印机控制台执行打印，打印机喷头的大小可以根据模型对象选择0.8厘米或1.0厘米或1.5厘米。（3）沙盘模型打印完成后必须对打印机进行清洗。

三、SketchUp建模

SketchUp是一款用于建筑设计的软件,具有界面简洁、功能强大、任意拉伸、创建等高线、贝塞尔曲面等优点。在SketchUp中建立三维模型能自动识别设定的线条，加以自动捕捉，可以轻松做到画线成面，而后挤压成型。其中SketchUpG3增强版的专用渲染器 Podium，不仅提高了Sketchup对cad图纸的处理效率，也使设计师在使用Sketchup时面临的快速建立复杂曲面模型、快速利用等高线建立地形等问题时有了更为快捷简便的工具。本文将从灰塑模型的构思、建模及出图三个阶段来探讨SketchUp在造型设计过程中的应用。

（一）绘制二维图形

根据设计模型的底面尺寸，利用点击线条工具或矩形工具勾勒出底面轮廓，并保证轮廓首位在同一平面内相接，这样会形成建筑模型的二维平面图（图1） 1所示；点击卷尺工具绘制任意辅助虚线作为基准线；也可以由 AutoCAD 或者Illustrator软件构建模型平面图， 然后可将其直接导入SketchUp 软件， 同时将导入的文件细节修改，把 DWG文件中不需要的线条、图层删去，避免线条多、杂乱而产生差错。

图1 模型二维平面图

（二）绘制三维图形

利用SketchUp 中拉伸工具对已形成的平面进行拉伸，迅速形成三维立体效果（图2）。以此类推，方框内方格的绘制可以通过在指定面上绘制一个矩形，使用拉伸工具拉伸出方格整体的高度和宽度[2]。若要对群组再做编辑，需要双击进入群组，编辑完成后单击左键退出群组。

图2 拉伸出三维图形

（三）填充材质

为了让灰塑模型更加逼真，可以为模型填充材质。单击油漆桶工具，可以从材质对话框选择合适的材质 ( 如石灰)，点击材质所在的面即可；也可以用外部材质图片填充到模型的面上。因为灰塑通常呈白色，这里我们可以不用选择材质。

（四）模型美化

对模型进行美化，可利用“窗口”菜单中来改变模型风格、增加阴影雾化效果等达成，还可以设计制作模型的外围环境，主要包括边框、装饰线条等。

（五）模型输出

所有制作工序完成后，可以利用SketchUp 软件的导出功能，生成.stl格式的三维图，以供3D打印机的切片软件识别。

四、3D打印机打印灰塑模型

要进行快速成型的光固化3D打印，就必须要对灰塑模型（图1、图2）进行切片。首先将所建模型输出为3D打印机切片软件可识别的.stl格式，然后通过切片软件对模型切片后，另存为3D打印机控制台可识别的.gCode代码格式，最后通过使用光固化3D打印机完成打印。如果所建模型出现穿模、重合、虚体等情况（图3、图4），3D打印机的切片软件则默认这些缺点是有效的，这样切片出来的模型，如果直接打印则有可能出现缺角、缺边、缺面等情况，因此模型制作过程中如何有效地对灰塑形体的整体设计和细节处理尤其重要。

（一）灰塑材料选择

在此次灰塑打印实验中，所生成的对象即为岭南传统建筑装饰构件，材料选择本团队研发的适用于3D打印机的以石灰为主材的灰塑材料（图5），主要从材料流动性、胶凝时间、压力加工和工艺性等多种性能来综合考虑。其中，加工工艺的性能优劣尤其关键，它直接影响着灰塑作品建造后所呈现的效果。结合此次灰塑实验的主题，本团队利用灰塑胶凝材料和3D 打印技术对传统建筑装饰构件进行建造，在选取 3D 打印可选用的材料中，就打印灰塑工艺、模型选择等多方面因素进行综合考虑，确定符合打印灰塑的材料自身必须具有比较好的流动性、韧性、耐高温、耐酸碱性及较好的抗压强度。基于对这几点的综合考虑，在多次试验基础上，研发了具有很好的环保功能、耐久性抗腐蚀性和可操作性强的灰塑材料。

图5 材料

（二）打印机选择

对于打印灰塑材料，主要使用本团队实验室中的FY3D-SN213D打印机进行打印，这台可以输出尺寸为1500×2000mm的3D打印机设备由宁波高新区方元三维科技有限公司工程师吴小兵主持研发。目前，该公司研发了多种胶凝材料的3D打印机，产品为多所高校及设计院工作所青睐。基于此，针对本团队设计的灰塑试验模型可能出现的打印问题，最终选择使用该公司研发的FY3D-SN213D打印机对灰塑模型进行打印实验。

（三）灰塑3D打印实验

1.三维模型的处理

将绘制完成的灰塑模型整体缩放为高 8 厘米的尺寸，再导出为.stl格式，然后导入3D打印机切片软件对模型进行切片处理。同样的模型，切片参数不一样，所切出的图形精度也不同（图3、图4）。这个过程中同时还要设定打印速度、打印口径及分层级数等。在以上步骤完成后，再将打印模型导出为3D打印机默认.gcode格式，才能形成打印模型。最后把.gcode格式的打印模型存入U盘。

图3 切片之一

图4 切片之二

2.打印过程

当U盘插入打印机控制器显示判断可以打印后，就可以打印了，在执行打印前，必须先得人工往打印桶里添加灰塑材料，同时注意得把打印材料沿着打印中轴周围铺均匀并尽量设法把材料填充到打印桶底，以保证材料能够饱满地接触打印轴，这一步工序完成后再检测打印机是否运转正常（图6），确认无问题后才能够正式打印模型。执行打印按钮后，3D打印机就会根据灰塑模型数据自行运算，计算出打印的路径和动作。然后3D打印机就会采用逐层打印、堆叠成型的模式进行实体打印，打印头沿水平或者垂直方向移动逐层打印直至模型打印完成（图7）。这个过程中，团队成员需要仔细观察打印过程，对打印过程中的各种情况如材料的流动性、干湿、打印喷头挤出材料的粗细和速度等进行详细记录，以供后期分析。

图6 打印前检测

图7 模型打印

3.后期细节处理

灰塑材料属于胶凝材料范畴，在3D 打印过程中，灰塑模型偶尔会出现瑕疵的现象，特别是在打印弧面处时，表面会存在材料变细、变粗或者粗糙的情况。因此，在完成所有实体打印之后，还需要对打印出来的实体模型进行后期处理（图8），也可以等成品干到一定程度利用打磨工具对模型边缘进行打磨等深化处理。

图8 后期初步处理

4.实验报告分析

报告分析内容包括：

（1）分析灰塑打印工艺的优缺点，包括材料收缩与膨胀、材料干湿、材料在打印过程中流动性及打印喷头口径粗细对材料挤出的影响等。

（2）喷头温度对材料的影响。喷头温度决定了灰塑材料的黏结性能、堆积性能、凝固时间以及喷头挤出材料的宽度，温度设定太高会加速材料的凝固，致使材料有可能在喷头挤出前就会硬化的现象。实验证明，本实验将喷头温度设定为45℃是合适的打印温度。

（3）根据数据记录，总结打印过程中对模型成型精度的影响，包括切片的分层数、分层厚度的设定对打印的影响。因为打印厚度会在成形后的实体表面产生台阶的现象，将直接影响成形后实体表面粗糙度，比较理想的做法就是通过设定较小的分层厚度来减少台阶效应。

五、结论

3D打印在建筑领域、工业设计领域的实际应用已初显规模，但高校对建筑形态的研究及3D打印建筑装饰，基本上均处于实验阶段。而从灰塑装饰角度探索3D打印在传统建筑基本构件的实验与应用特别少，且无基本的系统理论模式可借鉴。本文根据本团队实验室中3D打印机能打印胶凝材料的特点，从灰塑材料配方的研发出发，探索适合3D打印的岭南灰塑新形态，试图为岭南灰塑的传承和发展寻找一条新的出路。这一探索对于传统灰塑装饰的设计创作不仅在方法论上提供现实意义，而且为灰塑装饰的创新应用提供了新思路，有利于灰塑艺术的传承和发展。