基于3D打印技术的生态陶瓷发展现状与未来趋势探析

李伟 程诗婧

摘  要：随着国家倡导数字化赋能可持续发展道路的建设，3D打印技术作为一种数字制造方法，具有改善陶瓷制造可持续性的能力。面对传统陶瓷制造资源浪费、能源消耗和环境影响等可持续性挑战，陶瓷产业须要推进数字技术赋能国家产业转型创新。研究3D打印技术在生态陶瓷制造中的應用，包括定制化设计、材料创新、资源节约和节能生产，可持续设计原则如何与3D打印技术相结合，以推动生态陶瓷的可持续性设计。旨在为生态陶瓷制造提供可持续的方法，建设智慧赋能，数字创新，共建可持续未来。

关键词：3D打印技术；生态陶瓷；可持续设计

陶瓷是一种古老而广泛应用的材料，目前传统的陶瓷制造过程存在着资源浪费、能源消耗和环境污染等可持续性挑战。传统窑烧制工艺需要高温、大量的原始材料和能源，同时产生大量废弃物。在当下对于追求可持续发展的时代面临了严峻的挑战。3D打印技术作为一项革命性的制造技术，已经在各个领域展现出巨大的潜力和创新力。同时，随着人们对环保和可持续发展的日益关注，生态陶瓷作为一种环保友好的材料，也受到了广泛的关注。3D打印技术与生态陶瓷的结合，不仅为陶瓷制造带来了新的可能性，也为环境保护和可持续发展提供了新的解决方案。3D打印允许精确控制材料的分布，减少废料，最小化能源消耗，以更加可持续的方式生产复杂的产品。技术的发展为解决传统陶瓷制造的可持续性问题提供了新的机会。然而，在3D打印技术与生态陶瓷相结合的过程中，仍然存在诸多挑战，例如材料选择、打印工艺优化、生产成本等。因此，本论文旨在深入研究3D打印技术在生态陶瓷领域的应用，探讨当前生态陶瓷制造的现状，并分析未来的发展趋势。通过将3D打印技术与生态陶瓷相结合的方式进行系统研究，探析3D打印技术如何对生态陶瓷的制造产生积极影响，为推动生态陶瓷产业的可持续发展提供理论支持和实践指导。

一、3D打印技术及其原理

（一）3D打印技术的定义和分类

3D打印技术，又称增材制造（Additive Manufacturing，AM），是一种数字制造方法，允许制造三维物体，逐层堆叠材料来创建所需的物体。这与传统的减材制造方式相反，后者是通过去除多余材料来制造物体。“不同于传统的‘减材制造，它不需要借助传统的刀具夹具，可以实现零件的直接成型，大大简化了加工工艺，缩短了加工周期，尤其对于结构复杂零件的个性化设计及成型有着天然的优势”[1]。3D打印技术的分类多种多样，主要根据其工作原理和应用领域来划分。常见的3D打印技术包括熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling，FDM）， 这种技术通过将热熔的塑料材料从喷嘴挤出，逐层叠加，然后迅速冷却，从而构建物体。光固化（Stereolithography，SLA）方法是使用紫外线激光照射液态光敏树脂，逐层固化树脂来构建物体。粉末烧结（Selective Laser Sintering，SLS）方法通过使用激光或高能电子束来烧结粉末材料，将粒子粘合在一起。电子束熔化（Electron Beam Melting，EBM）通过使用电子束来熔化金属粉末，以构建金属物体。

（二）3D打印的工作原理

3D打印技术的工作原理是逐层堆叠材料，将物体逐渐构建起来（如图1）。首先，需要创建或获取一个3D模型，通常使用计算机辅助设计（CAD）软件进行设计。3D模型定义了要制造的物体的几何形状和结构。其次，将3D模型切成许多薄层，每一层称为“切片”。这一步由3D打印软件完成，该软件将3D模型分解成数百甚至数千个薄层，以便打印机能够逐层制造物体。然后打印机通过逐层构建物体，每一层的材料堆叠基于前一层。不同的3D打印技术使用不同的原理和材料，最后，在完成打印之后物体需要进行后处理，例如去除支撑结构、打磨表面或进行其他加工步骤，以获得所需的质量和表面光滑度。

二、生态陶瓷的定义与发展现状

（一）生态陶瓷的定义与特性

生态陶瓷是一种以环保为导向的陶瓷制品，其生产和使用过程注重降低对环境的影响，同时具备天然材料、可降解性和可循环利用性等特性。与传统陶瓷相比，生态陶瓷注重最大限度地减少能源消耗、减少废弃物产生，追求与自然环境的和谐共生。

生态陶瓷通常采用天然陶土、粘土和矿物等天然原料，避免使用人工合成材料，降低化学物质对环境和人体的污染。通常具备可降解的特性，即在一定条件下能够自然分解，减少对土壤和水源的污染，减轻对自然生态系统的压力。生态陶瓷制品在使用寿命结束后，可以进行再循环利用或者回收利用，减少了对自然资源的开采需求，降低了能源消耗。

同时，生态陶瓷制品的设计越来越注重创意和艺术性，不仅满足了功能需求，也提高了产品的附加值。在创意设计的推动下，生态陶瓷的市场不断拓展，涌现出各种个性化和定制化的产品。其产品通常注重保持原始的自然外观和纹理，赋予陶瓷作品独特的自然美感，体现出对自然和生态环境的尊重。

（二）生态陶瓷的发展现状

生态陶瓷作为一种环保友好的陶瓷制品，近年来受到了越来越多的关注和重视。在生态陶瓷领域，不断涌现出新的制造技术和材料，其中包括3D打印技术、可降解陶瓷材料等。这些技术的引入推动了生态陶瓷制造工艺的创新，使其更加环保和可持续。

随着人们环保意识的提高，生态陶瓷制品的市场需求逐渐增加。消费者更加注重产品的环保性能，生态陶瓷因其天然材料和环保特性，受到了广大消费者的青睐。随之带来生态陶瓷产业链的完善，包括原材料供应、生产制造、设计创新、销售渠道等各个环节。企业和研究机构在这些领域进行合作，促使生态陶瓷产业的发展更加健康和稳定。同时，生态陶瓷制造领域的国际合作与交流日益频繁，各国陶瓷制造企业和研究机构加强合作，共同推动生态陶瓷技术的发展，加速了行业的国际化进程。

（三）陶瓷制造的挑战

传统陶瓷制造工艺具有悠久的历史，但也面临一系列挑战。传统陶瓷的制造通常需要大量的原始材料，如黏土、矿石和釉料。然而材料的开采、运输和加工，导致资源的消耗和环境破坏。原始材料被加工成所需的形状，通过手工或使用成型设备。这个过程可能需要大量劳动力，而且难以实现大规模生产和定制化设计。制成的陶瓷制品需要在高温窑炉中烧制，以确保其硬化和获得所需的物理性能。窑烧工艺通常需要高温、大量能源以及长时间的制程。

传统制造需要大量的原始材料，但往往只有一小部分材料最终用于制品，因此存在大量的材料浪费。窑烧制程需要高温，通常依赖于化石燃料，如天然气或煤炭，这导致大量的温室气体排放，同时增加了生产成本。开采陶瓷原料可能会导致土壤和水资源的污染，对当地生态系统和水质产生不利影响。高能源消耗导致大量的二氧化碳排放，增加了气候变化的风险。面对这些挑战，可持续性变得至关重要。在这背景下，3D打印技术的应用，为陶瓷制造提供了更加环保和可持续的替代方法。

三、3D打印技术在生态陶瓷制造中的应用

在艺术领域，艺术家和设计师利用3D打印技术创建个性化的餐具和陶瓷艺术品（如图2）。通过数字设计和制造，消费者可以获得独一无二的陶瓷制品，减少大规模制造和运输需求。3D打印技术可以解决水质问题，通过制造商生产出低成本、可定制的生态陶瓷滤水器，可以有效去除水中的杂质和污染物，并且生态陶瓷制品在使用寿命结束后可以分解为无害物质，降低环境污染。

3D打印技术被用于制造具有节能特性的陶瓷建筑材料，如陶瓷小砖块（如图3）。这些砖块可以在建筑外墙上使用，帮助降低能源消耗，同时具有美观性。医疗领域也受益于3D打印技术，其中包括制造定制的陶瓷假体，如牙齿和骨骼假体。这些制品可以更好地适应患者的身体结构，提高了治疗效果。还用于制造高精度光学器件，如透镜和光学波导。这些器件在科研、通信和医疗设备领域发挥着重要作用。

3D打印技术在生态陶瓷制造中有着多样应用，从陶瓷艺术到生活实用品、医疗假体和环保产品，不仅提高了生态陶瓷的可持续性，还为人们提供了更多的选择和创新。3D打印技术已经比较成熟，打印材料价格不断下降，家庭根据自己的需要创作陶艺作品，并且打印出实体作品，用以装点生活的想法成为可能，也必然为人们日常生活增添一项情趣和内容，‘生活艺术化，艺术生活化的时刻即将来临了。”[2]

四、可持续设计与生态陶瓷

（一）可持续设计原则

“随着科技进步和生态环境意识的普遍提高，人们对健康舒适环境及相关材料产品提出了新的需求，在生产、流通、使用和废弃全过程中与地球生态环境保持协调性已经成为材料必须满足的基本要求。”[3]可持续材料是一种具有较低环境影响的材料，通常来自可再生资源或回收材料，减少了资源枯竭的风险。在生产、使用和处置方面的环境影响较低，包括降低能源消耗、排放物和废弃物。可持续材料应具备较低的毒性和降低对人体健康的风险。

可持续设计原则在生态陶瓷制造中发挥着关键作用，以减少环境影响、资源浪费和社会不公正。在材料使用中鼓励降低产品的材料消耗，减少废弃物和资源浪费。3D打印技术通过精确控制材料分布，有助于实现这一原则。所以，可持续设计应考虑产品的整个生命周期，包括制造、使用和处置阶段。设计师应寻求减少生命周期中的环境和社会影响。循环经济原则推动产品设计，以便在生命周期结束后进行回收、再利用或重新制造，因此减少了资源的枯竭和废弃物的产生。可持续设计追求提高产品的能源效率，减少生产过程中的能源消耗。

（二）3D打印技术对生态陶瓷设计的影响

3D打印技术为生态陶瓷设计带来了显著影响，推动了可持续性和创新性。设计师能够更准确地控制材料的分布，减少材料浪费，有助于最小化材料使用，符合可持续设计原则。3D打印能够进行生态陶瓷制品的个性化设计，根据客户需求、样式、大小精准定制，这样能够减少不必要的生产和资源消耗。

在节能方面，3D打印技术可以使用可再生材料，如生物降解塑料或可再生陶瓷原料，从而降低对有限资源的依赖。3D打印技术通常比传统陶瓷制造方法需要更少的能源，因为 3D打印技术只在需要时加热或熔化材料，符合能源效率原则。“陶瓷3D技术与传统陶瓷成型方式相比具有无需模具、缩短制备周期、且在结构形状设计上更加灵活等优点。”[4]

在产品设计中陶瓷制品的设计应考虑可拆卸性、易于维修和材料可回收性，这有助于延长产品寿命和减少废弃物。3D打印技术可以用于制造新的陶瓷制品，提高资源的循环使用率。优化陶瓷制品的生产过程，能够减少废料和能源消耗，从而更高效地使用材料和能源。随着3D打印技术的不断发展和可持续设计原则的深入应用，将会有更多生态陶瓷产品涌现，并且能够在陶瓷制造业中引领可持续性的创新。因此，新方法和新材料将推动陶瓷制造业朝着更加环保和负责的方向前进，为环境提供可持续性的发展方向。

（三）生态陶瓷未来趋势

未来数字化制造技术将继续引领生态陶瓷设计的发展。数字化制造包括3D打印技术已经开始改变陶瓷行业的制造方式。设计师可以使用计算机辅助设计（CAD）软件创建高度复杂的陶瓷结构，然后通过3D打印实现。这种方法提供了更大的自由度和创造力，使得生态陶瓷可以更好地满足用户需求。同时3D打印技术的不断改进，能够产出更高质量、更耐用和更具创新性的生态陶瓷设计。

第一，生物打印技术的前景。生物打印技术是一种新兴的领域，将对生态陶瓷的未来产生深远影响。生物打印技术允许将生物材料，如细胞和生物降解聚合物，与陶瓷结合，以创建具有生物相容性的生态陶瓷制品。为医疗假体、医疗设备和生态陶瓷过滤器等领域提供巨大潜力。生物打印技术相关的创新将推动生态陶瓷的可持续性和多功能性。

第二，可持续认证和标准的发展。随着可持续发展的重要性不断增加，生态陶瓷行业将倾向于制定可持续认证和标准。这将有助于确保生态陶瓷制品的生产符合环保和社会可持续性要求。生产标准可能涵盖原材料的来源、生产过程的能源效率、生命周期分析、可再生资源的使用等，以确保产品在可持续性方面达到最佳标准。

第三，合作与创新的机会。未来生态陶瓷制造领域将提供广泛的合作和创新机会。制造商、设计师、工程师、材料科学家和环保专家将共同合作，以开发新的生态陶瓷材料、生产技术和设计方法。跨学科的合作将推动创新，并为生态陶瓷的可持续性提供更多解决方案。还为小型企业和初创公司提供机会，参与并改进这个不断发展的领域。

五、结语

随着国家数字化和绿色低碳的政策发展，传统陶瓷制造面临资源浪费、能源消耗和环境影响等挑战。引入3D打印技术，实现更精确的材料控制、个性化设计、可再生材料的使用和能源效率的提高。技术创新可以大幅度改进生态陶瓷的可持续性。3D打印技术是生态陶瓷制造中的关键角色，为陶瓷制造业带来了新的机遇和前景，它不仅改进了生产方法，还创新了设计和定制化制造，减少资源浪费和能源消耗。

生态陶瓷的未来将充满潜力，数字化制造技术、生物打印技术、可持续认证和跨学科合作将共同推动生态陶瓷制造进入新时代。这有助于创造更具创新性、可持续性和环保的陶瓷产品，以满足未来社会的需求。未来的研究将进一步探索3D打印技术的应用、生物打印技术，开发更多的可持续设计原则和标准，研究数字化制造技术和可持续认证对生态陶瓷市场的影响，有助于推动生态陶瓷制造向可持续和创新的未来发展。

参考文献：

[1]张雨明，吴锐. 我国3D打印技术研究及产业化发展現状[J].中国材料进展，2018（3）：237-240.

[2]赵值，宋建文，李轶军，等.基于OSG平台的虚拟陶艺创作与仿真研究[J].系统仿真学报，2017（11）： 2804-2810.

[3]孙剑锋，张红，梁金生，等.生态环境功能材料领域的研究进展及学科发展展望[J].材料导报，2021（13）：13075-13084.

[4]宋发成，刘元义，王橙，等.3d打印技术在陶瓷制造中的应用[J].山东理工大学学报（自然科学版），2018（5）：11-16，25.

作者简介：李伟，博士，内江师范学院张大千美术学院讲师。研究方向：数字媒体艺术、虚拟现实、增强现实、混合现实。

通讯作者：程诗婧，博士，景德镇学院陶瓷美术与设计艺术学院讲师。研究方向：新媒体艺术、公共艺术、雕塑。