基于陶泥3D打印机的教学探索

于方军+夏侯洪涛

9月6日，在第15届中国（淄博）国际陶瓷博览会上，陶泥3D打印机及其陶瓷制品的展出引起了很多参展人员的注意。于方军老师告诉大家，这是一种新的技术，是手的延伸，最初的设计动机是为了用于制陶的教学工作，通过操作陶泥3D打印机，十几分钟就可以呈现出学生们设计好的陶瓷作品，便于指导教学。

在进行3D打印教学的过程中，用建模软件建好模型后，需要用切片软件切片，并最终通过3D打印机打印出作品，建模和切片过程都可以当堂完成，而打印过程由于PLA材料的打印机打印速度比较慢，一个几厘米高的作品就要打印几个小时，无法完成当堂反馈，学习效果就会大打折扣，我们是否可以在不影响学生对3D打印原理理解的情况下，提高成型速度，实现当堂反馈呢？陶泥3D打印机就可以实现这个功能。

陶泥3D打印机与PLA材料3D打印机异同点

PLA材料的3D打印机是根据FDM（Fused Deposition Modeling）熔融沉积成型原理工作的，工作过程为丝状材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，最后成型。这种材料的3D打印方式在教学中存在几个不足：一是成型速度慢，由于喷嘴直径限制，用这种打印方式进行打印时每一层的层高很小（不能大于喷嘴直径，一般为0.2mm或0.4mm），导致成型速度慢；二是喷头需要加热丝状材料，所以要加热到200摄氏度左右，这一点对充满好奇心的学生来说是个不安全因素；三是作品一次成型，学生的创意只能体现在建模阶段。

陶泥材料的3D打印机是根据半流体沉积成型原理工作的，国外有个团队称之为Liquid Deposition Modeling，工作过程为半流体的陶泥通过设备挤压入喷头，无需加热过程，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，与周围的材料粘接到一起成型。这种方式的优势有：一是成型速度快，陶泥喷头可以做得较粗，每一层打印的层高就可以很高，打印速度就能提高，在不影响学生对3D打印原理理解的情况下，可以实现学生设计作品当堂打印当堂完成，能实现教学的及时反馈；二是不需要高温加热，安全性得到保障；三是原材料可以重复利用；四是原材料价格便宜容易获得；五是作品打印完成后，由于陶泥的特性还可以在打印基础上进行二次加工，实现艺术与技术的完美结合。

从文化传承和发展的层面看陶泥3D打印机

瓷器是古代中国人民的伟大发明，是中华民族对人类文明的杰出贡献。很多学校都开设了陶艺课，如何让这门古老的艺术焕发出新的活力，现代的科技能否与它结合？陶泥3D打印机就提供了这样一条传承历史，面向未来的途径。

传统的陶瓷制作工艺需要经过练泥、拉坯、印坯、利坯、晒坯、刻花、施釉、烧窑、彩绘、釉变等步骤，其中拉坯的环节决定着产品的基本形状，因此要制作一个什么样的外形，就需要先拉出一个相应的形状，才能进行后期的制作处理。而传统的拉坯拉出的大都是中规中矩的圆形，要想制作外形迥异的造型就只能靠模具加工了。但是很多异形的造型就是采用模具也不能生产，只能靠手工雕刻，工艺要求高，耗费工时长，生产效率低。

如果传统陶瓷材料能用3D打印机打印出来，那么很多奇特的造型就能直接从计算机中的文件变成真实的陶瓷器件了。对于教学而言，它既可以使学生认识和了解3D打印，又可以和传统的陶艺技术相融合，一举两得。对于工业生产而言，则可以提高生产效率，节省大量人力资源，最重要的是它可以突破传统陶瓷生产技术的限制，充分发挥制作者的想象能力。

将陶泥作为打印的原材料输送到打印机进行打印，解决了奇特外形瓷器的初加工，使得陶瓷艺术能更加便捷地体现，更加快捷地发展进步，给传统的陶瓷生产提供了一种新的解决方案，也给其他形式的半流体材料打印成型提供了参考的依据。

陶泥3D打印的课例设计

在进行3D打印的课程设计时，要注意把难点和耗时的过程分解，合理搭配。例如，在入门阶段的课程设计中，我们可以通过对一个圆面的简单推拉生成一个圆柱体（如果时间允许还可以进一步推拉生成一个杯体），把重点放到切片和打印上，如果打印机数量有限，可以采用逐级递进方式，具体操作可参照如下方式：如谁先画好杯子，教师可以帮忙切片；正好用这个过程演示切片操作过程。下一步操作可以谁先切好自己画的杯子，就先给他打印，如果下课之前打印完成，可以带走。用这种类似于比赛的分段教学方式，可以很好地吸引学生注意力，同时能有效分解操作难度和解决操作时间问题。

进阶阶段的课程设计，因为学生已经熟悉了基本的建模和切片操作，我们可以适当融入学科知识。例如，画一个“心形杯”课例设计，我们可以融入相关数学的知识，如图1～4所示：我们利用SketchUp先画一个正六边形，接着连接正六边形的三个端点形成一个正三角形，然后借助三角形和六边形的点线面作对称的弧，擦除多余线后就能得到一个规则的心形。在这个过程中，用一种近乎于游戏的方式，可以让学生对正多边形有一个直观理解，不用刻意说明角度关系，只要求学生把心形画得美观、对称即可。而这些在传统陶艺课程中是无法渗透的。

打印完成后还可以加入一些后期创意，如可以把自己的指印留到刚打印出来的杯子上，还可以刻上喜欢的名言，挂上不同釉色……学生作品如图5所示。

陶泥3D打印的特殊要求

1.杯型物体设计

由于陶泥3D打印机用的陶泥原材料较重，需要干燥定型，所以成型有些特殊要求。例如，对于一些口大底小的杯状物体的成型，如果按照常规打印方式进行，很容易因为自身重力导致坍塌而难以成型，所以在建模或切片过程中可以将杯型物体倒置打印。

2.花瓶型物体设计

要设计花瓶等薄壁空心物体，有两种方式。第一种方式可以在建模时按照常规方式设计为薄壁结构，但这种设计的缺点是打印机会分为内壁和外壁两次打印，造成打印物体表面不光滑；还有一种方式是采用实心建模，在切片过程中将物体填充设置为0，壁厚设计为要求厚度，将通用挤出机设置为“螺旋外变界”（专为实心物体打印单层墙壳体设计，特别适合于打印花瓶类物体）。

3.填充与支撑

陶泥3D打印也可以设置填充与支撑，特别是对于打印一些异形物体，如打印人像等，要注意切片时填充不宜过于密集，一般选用方格填充，支撑可以用方格支撑，并且支撑角度也不宜设置过大，要考虑陶泥重力。

以上只是我们在3D打印课程中的一些尝试，陶泥3D打印课程设计还有一些更有创意的课程期待更多有陶艺课程开发经验的教师参与，只有这样才能实现技术和艺术的完美结合。