陶瓷3D 打印技术在当代陶瓷艺术创作中的运用

杨德安

（厦门斯玛特工业设计有限公司，福建 厦门 361022）

3D 打印的陶瓷商品在欧美国家已被广泛运用于机械自动化、航天航空、诊疗等领域，并建立了完善的全产业链实体模型。我国也进行了不少3D 打印陶瓷技术研究，并将3D 打印陶瓷应用在航空航天电子元器件中。

3D 打印技术是基于三维建模、数据制造、逆向工程等新兴领域的当代技术和加工工艺。3D 打印陶瓷是当代陶瓷多样性设计方案之一。在经历了初期的技术困难后，3D 打印陶瓷愈来愈被陶瓷艺术师和使用人所接纳。伴随着3D 打印陶瓷商品的品种愈来愈多，销售市场受众群体对商品的造型艺术、装饰艺术和多功能性的要求也逐步提升。现从艺术感染力和应用性的视角讨论和研究3D 打印技术在陶瓷造型艺术生产过程中的提升和发展趋势，着重研究陶瓷艺术设计和创作。

3D 打印陶瓷的实际意义体现在工业生产领域、诊疗领域、航天航空领域、仿生技术领域等。在造型艺术领域，3D 打印陶瓷的含义具体反映在对机械设备精密性、艺术美的表述上，这也是目前人工技术难以实现的。因而，探讨3D 打印陶瓷的功用实际意义，不得不说机械设备生产这一要素[1]。

1 陶瓷3D 打印的技术和优点

1.1 陶瓷艺术创作的3D 打印技术

现阶段陶瓷造型艺术领域常见的3D 打印技术主要有五种，分别是喷墨打印技术（IJP）、熔融沉积造型（FDM）、叠层实体制造（LOM）、激光选区烧结/熔融（SLS/SLM）和光固化快速成型技术（SLA）。

喷墨打印技术（IJP）：这种技术使用纳米陶瓷粉的悬浮液作为主要打印材料，在市面上流行的纳米陶瓷粉材料有很多种，主要有ZrO2、TiO2、Al2O3等。

熔融沉积造型（FDM）：这种技术可使在横、竖两个方向上移动的液化器喷射热塑性丝，利用喷射出的线条逐步堆积出所打印的部件。

叠层实体制造（LOM）：在层片叠加制作技术中，加热熔化单面涂有热熔胶的材料后，纸、金属、陶瓷材料便会连接在一起，加工完一层后再进行下一层的加工，重复加工过程直至零件打印完成。

激光选区烧结/熔融（SLS/SLM）：SLS 与SLM 在原理上是类似的，都是通过高功率、密度的激光对选区内的材料进行操作，区别在于一个是烧结，一个是熔融。首先将铺粉辊水平铺到加工室的基板上，通过激光对基板前层轮廓选择性地融化粉末，加工出初步的器件轮廓，随后进入下一图层加工，层层加工，直到零件加工完毕。

光固化快速成型技术（SLA）：该技术可利用紫外激光术，按照元件层面聚焦，将在工作槽中的陶瓷光敏树脂混合液逐点进行固化，由点成线，由线成面，逐层叠加，最终完成陶瓷零件的打印。

1.2 陶瓷3D 打印的优点

在审美层面，陶瓷3D 打印工艺品的艺术主要受两个要素的影响。第一个关键要素是设计方案中采用的数据模型和生产加工中采用的机械设备制造技术，让机械设备几何图形外形有效地变成3D 打印陶瓷工艺品。这类外观的艺术美展现了韵律感和节奏感转变，有一些作品甚至展现了现代感。与传统的陶瓷作品对比，3D 打印技术制作的陶瓷作品通过了专业化的精密机械加工，每一个关键点都展示出超过人工的高精密和对称性。应用3D 打印技术创造陶瓷作品时，通常需要对传统的陶瓷设计构思和文化审美观进行填补和加强，使打印出来的作品不容易故步自封。二者的差异成因是3D 打印技术作为一种生产加工的方式，可以更改商品的特性和形状，成品的形象也会投射到加工工艺方面。第二个关键要素是后现代艺术。造型艺术展现了“实用主义”的标准，一切技术方式的运用全是以服务造型艺术为基本的，主要表现出较强的多元性。这促使3D 打印陶瓷造型艺术的美感设计风格在实用性和表现力之间找到适当的均衡。

在技术上，3D 打印让繁杂的设计成为了可能。传统的陶瓷工艺品在制造和煅烧时常常会变形乃至破裂，这也推高了技术难度系数。在一些行业，3D 打印技术可以轻松达到传统加工工艺难以解决的阶段，进而减少陶瓷造型艺术作品的成本费。这让创作者有了更多的机会来再次思考作品的艺术价值，容错性高，创作方式变得丰富。运用3D 打印技术可以制作出大量空心、镂空雕花或非常容易形变的作品，或者小批量地生产形状不一样的自主创新作品，大大增加了创作者自身的容错性。3D 打印技术产生的高效率转变最广为人知的事例是西班牙室内设计师伯纳特·屈尼的“每天一个咖啡杯”。每一个水杯从设计规划到生产制造成形都把控在24 小时以内，商品从概念变为实体在24 小时以内完成。这种生产效率是3D 打印技术对比传统技术的最大优点。与此同时，3D 打印关键技术的智能化设计方案也解决了传统陶瓷工艺品易破碎、运送和组装艰难的问题。现阶段，3D 打印作品凭着其可重复性，可以根据打印媒体同时传播[2]。

2 陶瓷3D 打印制作的工艺设计

2.1 设计构思

在设计风格层面，应先明确作品的总体风格特征，充分考虑3D 打印技术的优点和缺点，具体可分成两个角度开展。一是重视作品的装饰设计艺术美学方案，以模拟仿真设计方案的形式传递3D 打印陶瓷工艺品特有的装饰设计特性，用传统陶瓷艺术美学设计方案提升传统产品造型设计。二是更加重视作品多功能性，参照建筑美学、传统加工工艺、功能陶瓷等造型艺术作品，应用混合、重新组合等前端核心理念，可以设计出更多元化的3D 打印陶瓷作品。

智能化设计方案和3D 模型是生产流程的关键。3D 打印模型拟合有严格的规定要求。一旦数据库系统不规则图形在设计过程中产生重合和渗入，3D 打印便会在数据统计分析中出现差错，导致实体模型无法打印成功。而用于3D 打印的3D 建模软件也各有利弊。现阶段3D 打印技术常见的3D 数据建模软件有3Ds MAX、Inventor、Sketchup、SolidWorks 等，这些软件功能大体相当，但并不能全方位无死角地实现陶瓷设计的要求，每一款软件都有相应的优缺点。

尝试用现代主义设计来承继并实现传统陶瓷的艺术美学设计方案，需要参照很多的传统陶瓷实例，以获取传统陶瓷设计方案在艺术美学、装饰艺术等领域的特有优点，随后在总体风格的架构下设计出3D打印的陶瓷工艺品。设计方案主要取决于承继和提炼出传统陶瓷艺术美学。以传统盆栽花卉陶瓷造型艺术为例子，造型设计大概可分成玉壶春瓶形、油锤瓶形、瓜侧瓶形、红梅花瓶形、方瓶形等。以上造型设计，有左右规格不一样，圆润流线型外形，瓶塞随外型转变等共同特性，这类3D 打印陶瓷的特点便是结合了现代美学与传统美学。

2.2 生产流程

在三维模型上，模型设计的搭建是用3D 打印技术制作陶瓷工艺品的第一步，也从始至终起着主体作用。在具体设计过程中，3D 模型制作一般有两种方法：正向制作是陶瓷艺术师试着给2D 纸版设计方案绘制工程图纸，并试着明确作品的大小、外形、支撑点、连接等结构设计方面的方案，随后由3D 实体模型设计师依据给出的2D 纸版设计图制作3D 实体模型；反向制作步骤是陶瓷艺术大师参考实体模型，对实体参照开展三维扫描成形，随后再次制作参照的三维模型。

在黏土胚的制作中，软件将初始三维模型变成2D图形，形成其体系下的直角坐标系点。随后依据直角坐标系点形成对应的系统编码。最终在数控车床上输入编码开展分层次打印。根据这一基本原理，陶瓷3D打印技术中引进了“切片”的定义，“切片”的薄厚是分层次3D 打印技术的一个关键数据信息。在“切片”较薄的情形下，非常容易发生坍塌、漏水、形变等问题，无法生产制造较繁杂的设计样品。安徽大邦三维科技有限公司研发的高精度陶泥3D 打印机及特种陶瓷高分子材料在解决原材料打印过程中物件容易坍塌、高温烧结致密度不够等问题上取得了成效。

在后期处理中，需要先用水砂纸纯手工将全过程中出现的不必要的金属拉丝轻轻地打磨抛光。烧造后，需要做进一步的表面打磨抛光。未经打磨的陶瓷产品如图1 所示，表面带有一定的粗糙颗粒，不平滑，反光效果差。

图1 待打磨陶瓷产品

为了得到最高的原材料磨除率，一般使用快速切削、快速深磨、慢走刀切削等加工工艺。陶瓷作品在成形施釉后，通常还需要施釉烧造，与传统工艺陶瓷创作并没有很大差别。当使用3D 打印技术创作一些结构极为繁杂的陶瓷作品时，针对这类结构繁杂的陶瓷作品特征，后处理工艺常选用蘸釉法[3]。

3 陶瓷3D 打印技术增强陶瓷艺术功能性

3.1 增强功能性的方法与技术

根据几何图形计算，可以有效地提高商品的作用应用性或商品的技术参数。这也是3D 打印陶瓷工艺品对比传统陶瓷工艺品的优点。它可以依靠计算机技术和别的辅助软件优化商品成形前的加工工艺，降低了大批量的人工成本，减少了试错时间。几何图形在3D 打印陶瓷工艺品中的应用具体反映在两个阶段：一是在智能化环节，因为电脑的存在，陶瓷艺术大师在设计方案作品的规格和结构时已不必借助工作经验来预测分析会不会发生临界值偏差，只需用计算机开展简洁的测算就可以避免相关问题；二是容许根据测算尝试一些极端化的规格和结构，归功于数据化方式，陶瓷艺术师可以明确提出创新性的念头，随后用几何图形计算求证其可行性。

三维模型的几何图形优化具体表现在三个层面：模型切分优化、模型重心点优化和分层次打印优化。

模型切分优化是对规格超出打印设备最大印刷规格的情况开展优化。到现在为止，3D 打印技术依然受到打印设备的限制。因此，需要根据几何图形计算将模型进行切分，随后将每一个切分的子模型打印出来，最终拼装出适合的作品。图2 所展现的是一座传统高花瓶的瓶颈打印。

图2 单独打印的陶瓷瓶颈

模型重心点优化是通过悬挂法寻找模型的重心点，而后在尽量维持外形形态的前提下对表层开展几何图形的形变来加以解决。

分层次打印优化的目的是减少商品的打印成本费。虽然3D 打印技术发展了较长时间，但原材料成本相对较高一直是其缺点。如果不开展优化，会消耗很多的印刷成本费。因此，需要选用“蒙皮—钢架结构”的优化方式。这一基础理论来自工程建筑行业，即内部结构呈现为承载架构与外界“外皮”的融合，既能节省制造成本，又能呈现总体实际效果。

3.2 具体实例

三维建模时构造连接的难度系数大，打印时需要避免坍塌等情况，不但需要精美的设计方案，还需要准确的测算来确保最后的作品成形。以作品《窗纹骰子》为例，其选用了难度系数较低的正六面体几何图形造型设计。作品的设计思路是运用3D 打印技术多方位地展现3D 打印陶瓷艺术品的功能特性，优先选择设计方案合适展现的作品构造，正六面体几何图形模型比别的几何图形构造更易于完成，也更平稳，这也是3D 打印技术容许作品几何图形实际操作优化的优点。不同窗花图案的装饰设计元素作品得以应用展现。由于使用了非常简单的总体设计，陶瓷3D 打印设备打印作品时不用担心最后的定型问题。

重新组合是3D 打印技术领域具备先见性的研究方向，不仅拓宽了原作品的新内涵，还延伸了原作品的功能特性。作品《重构建筑》的设计理念是以世界著名建筑为例子，根据3D 数据模型和拼装，用3D 打印技术制造而成，既能反映3D 打印技术修补重组的作用，又能作为建筑物的设计方案模型开展科学研究和应用。例如埃菲尔铁塔、自由女神像、大本钟等著名建筑，都可以通过先获取局部的外观元素，再经过三维数据模型混合拼凑、模型关键点调整，最后调节3D 模型三角颜值等流程来实现模型的打印细致度[4]。

陶瓷3D 打印设备创造了一种新的陶瓷生产方式，实现陶瓷产品数字化、个性化、批量化生产，促进传统陶瓷产业转型升级；可取代陶瓷产业部分劳动力，缓解用工荒难题，大幅度降低劳动力成本，吸引科技人员加入陶瓷行业。福建省德化智造云陶瓷科技有限公司已引进陶瓷3D 打印设备进行了产品生产应用。

4 结语

本文以陶瓷3D 打印的艺术性和实用性为首要研究内容，强调陶瓷3D 打印技术是当前陶瓷工艺品制作的重要技术，3D 打印技术与传统瓷器工艺既有共性又有差别。共性在于它们并不互相抵触，乃至可以互相加强。将两种技术融合应用到陶瓷艺术品的设计方案和创造中，可以给予设计师完全不一样的体验，让设计师迅速完成产品原型设计，成形后找到设计产品中的不足，不断优化直到成品符合实际设计构思。这种转变，正是3D 打印技术在陶瓷产业中使用的意义所在。