三维数字化技术在陶瓷产品设计中的应用

刘倩

摘要：本文旨在探究三维数字化技术如何应用于陶瓷设计。通过对传统陶瓷设计方法与三维数字化设计方式做对比，凸显三维数字化技术的优势和先进性。文中着重阐述三维数字化技术的工作流程，以Rhino建模软件、3D打印技术作为应用案例，进一步探讨传统设计方式在向三维数字化设计方式转变过程中的诸多问题，为合理应用三维数字化技术服务陶瓷设计，提出技术参考和理论支持。

关键词：三维数字化技术 陶瓷设计 NURBs曲面

中图分类号：J50-05

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2015）10-0118-02

一 传统设计方法与三维数字化技术的比较

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、天气等因素的限制。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，设计周期长是普遍现象。在陶瓷设计方案的推进过程当中，设计师需要就产品本身与各方人员进行交流与探讨，设计表达就显得尤为重要。一方面，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。另一方面，实物模型表达虽然有一定的直观性，但石膏模型、石膏模具受天气、设备、技术水平的制约，造成制作不便捷，耗时耗力。

数字化技术的应用使得产品研发阶段的设计表达更加直观清晰，利用虚拟现实、动画演示等数字化方式，能够全方位、立体化的展示产品的整体面貌。设计师利用互联网能够轻松快速地与客户、生产企业、目标消费群体进行交流。正是基于三维数字化技术的灵活性，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要远远少于手工绘制静态图和制作实物模型。由于采用计算机制作，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，大大降低了能源消耗。

二 三维数字化设计方式的应用

2.1三维数字化设计方式的工作流程

利用三维数字化技术进行陶瓷设计，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。设计师根据建立的模型能够更加直观地审视作品的造型特征，快速便捷地优化设计方案，为进一步的生产制造提供一系列的生产数据以及技术保障。设计师创建三维模型的一般工作流程可分为：前期准备阶段、设计实施制作阶段、方案优化阶段、设计深入阶段。1、前期准备阶段：设计师根据前期的设计概念草图，绘制陶瓷产品的三视图，这里的尺寸标注不需要像工程制图要求那样严格，能够为下一步的模型制作提供参照即可。2、设计实施阶段：设计师根据不同的设计要求，需要设计师选用相应的三维软件进行制作，Rhino作为一款优秀的建模软件，经常被设计师用来制作产品外观模型。前期准备的三视图为三维模型的制作提供参照，结合陶瓷产品造型特点，选用相应的建模方式和工具。陶瓷产品的不同造型也有与之相对应的建模方式，不同的建模方式一方面取决于产品造型的特点，另一方面取决于设计师自身的建模思维，只要能够合理地表达设计目的，无论哪种建模思维都是可取的。3：设计方案优化阶段：设计师针对设计方案进行设计评价，优化方案模型。通过对作品造型、釉色、材质、装饰等方面进行测试和效果模拟，依据高度数据化验算和直观视觉化表现形式，能够快速准确地评判出最合理的设計方案，为方案的最终确定提供了保障。在这一阶段，设计师可以利用渲染器进行产品效果图的制作，模拟烧成后的实际效果。这一类的渲染器有KeyShot、V-Ray for Rhino，笔者正是利用KeyShot模拟钧瓷窑变效果（图一）。4、设计深入阶段：在这一阶段主要是为下一步的生产环节做最后的准备工作。设计师需要针对优化阶段评判出的最佳方案进一步完善，根据数字化的三维模型计算出产品所需要的泥料体积；成型制品与烧成品之间的收缩比值；成型工艺的选用；模具的制作；流水线的模拟演示；创建工程制图等一系列工作。

2.2 Rhino建模软件在陶瓷设计中的应用

应用于陶瓷设计的三维软件主要分为两类：一类是以辅助设计创意的软件，另一类是以辅助设计的各类数据、资料库。在产品设计创意阶段，设计师接触最多的是辅助设计创意的软件，Rhino作为典型代表被广泛应用于产品设计。随着RhinoGold、T-spline、Grasshopper等相关插件的开发，Rhino也被应用于珠宝、玩具、鞋品、陶瓷、建筑设计等行业。基于犀牛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。大多数陶瓷产品都属于回转体，或者在回转体的基础上进行曲面组合、拆分、穿插。（图二）犀牛软件中的旋转成型工具正是契合了陶瓷成型的特点，只要利用曲线工具绘制出作品的截面曲线，沿中心轴进行旋转就能够得到一个类似拉坯成型的作品。陶瓷作品的造型多种多样，几何形、有机形、动植物造型、人物造型、抽象具象不一而足。了解并掌握Rhino软件的各种工具和插件特性，进而合理运用相关工具是构建陶瓷丰富造型的关键。犀牛插件T-spline将NURBS建模与多边形建模思路进行了有机的结合，制作一些有机形态的产品更加得心应手。近现代世界范围内出现的各种设计风格对陶瓷设计风格产生了或多或少的影响，使得现代陶瓷产品呈现出更加多元化的造型特征。其中流线型风格（20世纪30—40年代最流行的产品风格）对后世产品风格产生了深远影响，这种设计风格的风靡极大丰富了现代陶瓷设计语义。以流线型设计风格著称的德国设计大师科拉尼曾经为Rosenthal公司设计的泪珠状陶瓷茶具，平衡的设计与不对称的形状，使其成为有机设计产品中的经典之作，他为Tachikichi公司设计的卵形体茶具同样也具有流畅的外形和极佳的手持感。类似的这些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，虽然陶瓷产品的曲率规格并不像汽车外观要求那样严格，但是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，这就需要借助犀牛软件强大的曲面造型工具进行仔细认真的设计。犀牛软件的曲面工具能够很好地完成曲面造型，保障陶瓷产品的表面达到光顺的效果。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，然而设计师借助犀牛软件，在处理一些复杂曲面时就变得灵活简便。

2.3 3D打印技术在陶瓷设计中的应用

目前炙手可热的3D打印技术（3D-Print）是基于三维数字化技术的一种快速成型方式。通过对特殊材料的逐层堆积、黏合、快速烧结、固化等方式，3D打印机能够直接“打印”出立体产品。目前这项技术主要服务于科研、航空航天、军工、精密仪器、医疗等高科技领域。随着3D打印技术的普及，3D打印技术逐步拓展到设计制造各个行业，在产品设计、首饰设计、工艺品设计、服装设计等领域已经崭露头角。在这之前由于3D打印技术在材料方面的局限性，不能够直接生产制作最终产品，只能利用替代材质对产品原型进行模型制作，随着3D打印技术的成熟，该项技术已经步入真正意义上的生产制作阶段。2013年由英国国家人文艺术研究会（Thearts and humanities research council简称AHRC）提供资金用来研究开发3D打印技术。设计师Stephen Hoskins带领他的团队尝试利用3D打印技术创造出一种新的陶瓷作品，他们在英国登比的一家陶瓷厂进行创新实验并取得成功。Stephen Hoskins利用一种特殊的陶瓷粉末作为打印材料，通过选择性激光烧结（SLS）方式，打印出造型极为复杂的陶瓷坯体，这项新的陶瓷成型工艺使得传统方式不可能完成的陶瓷造型变得十分容易。打印成型后的陶瓷坯体经过表面处理，像传统陶瓷制作一样将陶瓷坯体施釉后进行烧造，最终得到真正意义上的陶瓷作品。这种技术实际上是取代了陶瓷制作中的成型工艺，无论是手工捏塑、拉坯、还是模具灌浆成型，传统成型工艺都是一项耗时耗力的工作。尤其对于灌浆成型工艺来说，哪怕制作一件造型简单的茶壶，也必须分别制作四五件模具，灌浆脱模后，再将各个部件黏合、修整，最终才能得到想要的坯体。目前Stephen Hoskins和他的设计团队正在进行新的研究开发，他们希望能够利用3D打印技术制作出“自动上釉”的陶瓷制品（陶瓷表面实现釉化），这样一来就不需要二次加工就能得到完整的陶瓷制品。这种一次成型的陶瓷制作方式对于陶瓷艺术家、设计师、和手工艺人来说，无疑会激发他们更大的创作热情，那些不可能创造出来的作品将会——诞生。

三 传统陶瓷设计向三维数字化设计方式的转变

三维数字化技术的应用转变了传统的陶瓷设计方式，使得陶瓷设计由单一的设计形式变得更加多元化。传统的陶瓷设计方式由平面绘图方式和立体模型方式组成，平面方式无非就是平面化的草图表现，色彩效果图表现，工程制图。这种设计方式显得过于单一，对复杂形体的表现又显得的很無力。立体化的模型制作，耗时耗力，又不便修改。然而，利用计算机三维数字化技术辅助日用陶瓷产品设计，通过创建三维模型，能够快速方便的得到完美的视觉效果和所需要的产品数据。数字化技术不仅解决了传统设计视觉效果上的不足，而且通过对产品的数据进行分析能够为下一步的生产制作提供依据。借助三维数字化技术，传统的设计方式正在向着“无纸化”设计、绿色设计、“轻量化设计”转变。

三维数字化技术的运用，使得设计师对陶瓷产品的造型设计表达变得更加流畅，设计师不受自身绘画能力的技术限制，三维软件的强大功能为表达和反映设计师的创意提供了形象化的手段。在设计构思阶段，设计师通过修改参数可以产生各种各样在现实中或在传统思维方法不可能预想到的效果，这些由计算机自动生成的参数化设计方案为设计提供了一种可能性，触发了设计师更多的创作灵感，有时候这种不确定性和随机性正是设计师所期望的效果。当然这只是借助三维数字化技术所能得到的优势之一，对于大多数预想的设计方案来说，每一件作品都是精心思索后的产物。三维数字化技术在陶瓷设计中的应用，将“垂直”单一的设计思维方式向着“发散式”、“多元化”的设计思维方式转变。

四 结语

计算机辅助设计使得陶瓷设计插上了理想的翅膀，但是对于设计师而言，在陶瓷创意过程中不能只是天马星空般的创意，更需要设计师在设计阶段就要充分考虑到设计作品的成型工艺，充分了解加工工艺的特性，保障设计与接下来的生产制造的完美衔接。随着数字信息化时代的到来，计算机辅助设计以其独特的优势进入设计领域，三维数字化技术作为计算机辅助设计的重要组成部分，与快速成型技术的相得益彰，加速了制造业向着“集约化”、“智能化”发展。三维数字化技术为陶瓷设计提供了更为广阔的发展空间，无论对于日用陶瓷行业，还是艺术陶瓷的发展，三维数字化技术的有效利用加速了陶瓷设计向着多元化发展。传统陶瓷产品设计面对大工业设计势不可挡的趋势，突出诟病的也亟待解决。三维数字化技术的日益成熟将解决当前陶瓷产品设计中遇到的困难，对陶瓷设计的良性发展起到了积极的推动作用。