3D打印技术在陶瓷产品设计中的应用

2019-04-23 版权声明 举报文章

3D打印技术在陶瓷产品设计中的应用

摘 要:从陶瓷产品设计的流程的视角分析了3D打印技术的应用,通过传统方法与3D打印技术的比较,得出了3D打印技术在陶瓷产品设计中的优势,即提高设计效率,减少设计周期与制作成本。在此基础上,详细分析了3D打印在陶瓷设计中的工作流程,提出了各流程中的关键问题和解决办法。最后在分析陶瓷产品设计实际案例的基础上,得出3D打印在陶瓷产品设计中的应用价值和发展趋势。

关键词:3D打印;陶瓷;产品设计;建模

1 传统设计方法与3D打印技术的比较

在传统陶瓷产品设计过程中,绘制效果图、制作模型、绘制加工图纸等设计任务主要靠手绘和手工制作完成,这些工作受设计者的经验,材料、成本等因素的限制。传统陶瓷设计基本以手工制作为主,由手工绘制的图纸向立体模型转换的过程中,匹配精度不高,反复修改方案不仅加大了工作量,而且会严重影响设计项目的整体进度,制作周期长是普遍现象。在陶瓷设计方案的推进过程中,设计师需要就产品本身与各方人员进行交流,设计表达显得尤为重要。仅依靠手绘效果图的表达方式不能很好地传达立体效果,这种二维的展示形式与最终的产品有一定的差距。传统方式制作实物模型需要石膏模具翻制,石膏模具受天气、设备、技术水平的制约,制作不便捷,耗时耗力。

3D打印技术的应用使得产品研发阶段的设计表达更加直观清晰,利用3D打印技术、3维扫描技术等数字化方式,能够全方位、立体化的展示产品的整体面貌。由于3D打印技术的灵活性,数字模型高度的可编辑性,设计人员能够在设计过程中的任何阶段根据新的问题进行调整、修改,制作数字模型所耗费的时间远远少于手工绘制静态图和制作实物模型。由于采用计算机绘制,减少了大量的人力和材料的耗费,制作周期和制作成本都得到了有效控制,大大降低了能耗[1]。

2 3D打印在陶瓷设计中的工作流程

2.1 三维模型的制作

利用3D技术进行陶瓷设计,数字模型的构建对于整个设计阶段起到了至关重要的作用。设计师根据数字模型和3D打印的实物能够更加直观地审视作品的造型特征,快捷地优化设计方案,为生产制造提供生产数据以及技术保障。如图1所示,利用三维建模软件Rhino设计一个多面体,前期设计师根据概念草图,绘制陶瓷产品的三视图,为模型建造提供参照。然后,设计师根据不同的设计要求,选用相应的三维软件进行制作,结合陶瓷产品造型特点,选用相应的建模方式和工具。陶瓷3D打印机推荐使用的三维建模软件包括了Rhino、3DS MAX、Inventor、Sketchup等,这些软件具有强大的曲面建模工具,并且设计的模型可以快速的转化为STL文件格式,可以被3D打印切片软件识别的常见格式。得益于三维建模软件强大的曲面造型能力,为陶瓷产品的设计开发提供了技术支持,使设计师能够完成形体造型更为复杂的陶瓷产品。

对于造型复杂的陶瓷产品拥有很多变化的曲面,这就对曲线的曲率规格要求很严格,为了保障陶瓷产品拥有光顺的视觉效果和完美的手持舒适感,这就需要借助三维建模软件强大的曲面造型工具进行仔细认真的设计,并通过3D打印机实现验证,如图2所示,通过3D打印机完成首版的制作,设计师针对设计方案进行设计评价,优化方案模型,可以快速进行造型比较和分析,从而减少了工作环节,提高了生产效率[2]。传统设计方式在处理陶瓷造型上的双曲面和自由曲面方面存在很多技术难点,然而设计师借助数字化技术,在处理一些复杂曲面时就变得灵活简便。

2.2 3D打印泥胚的制作

陶瓷3D打印机与传统的塑料打印机在原理上是相同的,都是基于降低维度的设计理念,从原有的三维物体通过软件的处理为二维的图形,同时生成不同的直角坐标点,而不同的直角坐标点又有不同的G代码,从而驱动电机的运转,生成一层层堆积的三维形态,如图3所示。陶瓷3D打印机往往都是使用湿黏土作为打印材料,湿黏土不够结实,无法制作出更多有趣的形状,而硬质黏土可以完美的解决这个问题,因此通常的陶瓷打印机都在使用硬质黏土。

陶瓷3D打印机由于也是使用分层堆积成型方式,因此其表面也会出现层状纹理。通常陶瓷3D打印机的打印层厚是10毫米,这样的设置可以兼顾到打印速度与表面质量,如果要想得到更好的表面质量就需要将打印层厚调整为0.3毫米,但是大型打印作品通常不需要这样的精度。最后将打印好的陶胚进行表面光滑处理,然后放置于阴凉处进行风干。

2.3 陶胚表面处理

由于3D打印的逐层打印的工作原理,打印出来的陶胚模型表面不是非常光滑,打印的精确度也没有达到和原始设计模型完全一致,同时在打印过程中会有残缺或多余的拉丝现象,打印出来的模型还要通过相应的打磨技术进行表面处理,最终成为光滑可用的模型样板。对于打印精度在0.3毫米的高精度的模型,可用细砂纸进行表面轻微打磨,对于打印层厚在0.3毫米以上的模型,可用中粗砂纸进行模型打印[1]。对于打印好的模型需要将表面浮灰吹扫干净,然后在表面施加彩绘,待晾干后进行表面上釉处理,最后放入窑中烧制。

3 3D打印技术在陶瓷设计中的应用案例

3D打印技术作为一种增材制造技术被广泛的应用于产品样板的设计中,在3D陶瓷打印出现之前,人们通过手工将陶胚不断的修正,已达到自己所想要的造型设计。但是传统的方法完全依赖于手工创作者的经验,而且产品样板的制作通常需要耗费很长的时间完成。陶瓷3D打印机则是通过的三维软件对设计稿进行三维数据的成型,人们可以直接在电脑软件中对模型进行修改,方便创作者不断修改完善,在完成三维模型的制作后,通过连接陶瓷3D打印机对三维数据进行打印,可以把三维数据的模型很快的转换为实体样板。如图6所示,这是一些瓶子的样板模型,从打印的效果中可以看出来层层堆积的纹理,而设计者正是利用了这种一层一层的效果,并没有对表面进行抛光和打磨,反而使产品看起来很特别,最后通过窑炉的烧制,形成最终的产品。不仅节省了大量的成本和时间,还为陶瓷模型的制作提供了便利的可修改性、实验性和创造性,对于产业未来的发展具有极大的推动力。

3D打印技术在陶瓷产品开发设计阶段起着关键作用,并且是一个重要的环节,对于传统手工无法实现的样板模型,在陶瓷3D打印机中也可以实现。如图7所示,对于一个杯子造型的器物,在其表面镂空的雕刻出很多的网洞造型。这样的造型通常需要高超造型手艺才能制作出来,并且如果其中的一个网洞雕刻坏了,整体造型也就失败。但是借助陶瓷3D打印机就可以很轻松的实现这一造型,只要将陶瓷3D打印机的打印精度调整到0.3毫米左右的高精度打印,在软件的设计制作中也是非常容易完成。

4 结束语

通过对陶瓷3D打印技术与传统陶瓷设计方法比较,可以看到陶瓷3D打印机的优势,它缩短了陶瓷产品开发的环节,大幅度提高了效率和质量。当然任何事物都有两面性,在其应用流程中,也看到了陶瓷3D打印机也存在者先天的不足,就是表面质量不高,会出现层状纹理,需要后续加工打磨,同时打印材料也收到一些限制。随着3D打印技术的成熟和陶瓷材料研发的突破,会使陶瓷产品开发中运用 3D打印技术变得更加普及和趋于民用化,为陶瓷产品开发领域带来了新的发展机遇,它有着巨大的市场潜力,能带来高额的经济效益。

参考文献

[1]周兴海.基于3D打印技术的陶瓷造型制作的研究[J].文化创意,2015(11):108-109.

[2]杨连科.基于3D打印技术的容器设计与制造[J].科技创新与应用,2015(6):26.

[3]王超.3D 打印技术在传统陶瓷领域的应用进展[J].中国陶瓷,2015(12):6-11.

[4]苏珂,王熙.3D打印技术的工业产品应用研究[J].河北企业,2015(3):97-98.

[5]刘欣灵.3D打印机及其工作原理[J].网络与信息,2012(2):30.

作者简介:杨涛(1982-),男,汉族,宁夏银川市人,蚌埠学院艺术设计系,助教,硕士。

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