数字雕塑实体化造型初探
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摘要：从雕塑工具发展的角度简述了数字雕塑实体化的发展过程，论述了在不同发展阶段数字雕塑实体模型呈现的造型特点，介绍了用3D打印机和数控雕刻机制作雕塑的两种方法和各自产生的艺术效果。数字雕塑的实体化技术正在发展中，科技的发展会使雕塑实体模型的写实还原度越来越高，也会更加符合传统艺术审美标准。
关键词：数字雕塑;实体模型;造型艺术
中图分类号：J3文献标识码：A文章编号：CN61-1487-（2019）07-0134-03
一、数字雕塑及其实体化
科技的进步影响着各行各业的发展，艺术创作从来没有像今天这样同科技的进步紧密结合。尤其是当科技发展到信息化时代，科学与艺术变得越来越不可分割，二者相伴相生的关系决定了艺术领域的科学化发展趋势。传统的雕塑艺术也不可避免地受到数字技术的冲击，于是，数字雕塑应运而生。
数字雕塑作为新生事物，最开始并没有被雕塑界所接受，可以说数字雕塑是在不断的争议和质疑声中发展起来的，其原因在于雕塑家崇尚眼见为实和触手可及的切身感受，而早期的计算机技术在软硬件方面都不能满足雕塑家对作品的要求。雕塑家直接面对传统材料所展现出来的质感变化在数字模型中得不到应有的体现，那时的软件只能呈现一些简单的基本几何形体，而且在表现上也仅仅满足于平面的展示。这种方式的雕塑只能通过渲染图来表现，所以这个阶段的数字雕塑基本就是以虚拟的方式示人。
在2010年前后，国内一些科技公司将自己生产的微型3D打印机在网上销售，试图吸引一些具有前瞻思维的雕塑家尝试使用3D打印機制作雕塑。但当时的3D打印技术能实现的精度很低，只能达到0.3mm的打印厚度，而且打印质量粗糙，远远不能满足雕塑家对形体质量的要求。这个阶段的打印机一般使用的都是不环保的ABS材料。由于精度低，模型表面有明显的梯田效应，材料相对坚硬，需要人工花大量的精力打磨抛光，因而失去了数字化的优势。此外，由于精度的限制，3D打印雕塑对细节的呈现也不够细致，肌理效果展示不出来，模型的效果只能体现雕塑的基本形态、大面转折关系和基础构造，对于细节的刻画基本实现不了，雕塑模型只能被称为粗稿。这个阶段的3D打印雕塑模型依然不被看好，雕塑家们觉得数字技术还是没有传统的方法和材料容易控制。但是一些独特风格的雕塑作品用计算机创作已经可以被雕塑家所接受，比如极少主义的作品和抽象概念性的作品。这些作品都具有现代风格，偏向几何造型特点，这些特点恰好适合使用数字成型方法。相对于传统制造工艺来说，此类作品采用数字雕塑的实体化技术既省时省力，而且艺术还原度很高，达到了现代风格的审美要求。
绝大多数的传统雕塑呈现有机生动自由的造型和细腻的表面质感，而这阶段的实体化技术呈现的雕塑缺乏人性化和传统艺术的味道，距离雕塑家的要求相去甚远。传统雕塑家追求的是一种传统材料（比如粘土和石材）静态的美感，对材料产生的塑痕感有很高的要求。塑痕感是艺术家所追求的能够表达情感的重要语言，靠材料和雕塑家的雕塑技巧组合产生，并形成雕塑家自己的个性特征。可以说，雕塑家的审美、技艺和材料的组合形成自己独特的艺术风格。当人们要欣赏这种风格的时候，必须共同面对一个雕塑实体，这是一种直接的沟通方式。如果在实体上看不到雕塑效果，艺术家们就无法评价，创作出来的东西就不会被承认。当时的打印机技术确实达不到这种要求，因此数字雕塑没有得到艺术家的普遍认可。
近5年间，随着3D打印技术的不断提高，FDM打印机的精度可以达到低于0.1mm的层厚，其价格也非常亲民。与此同时，类似ZBrush等雕塑软件推出了强大的雕刻功能，支持在2D数位板上实施3D雕刻，方法上产生了飞跃式的进步，使雕刻技巧更加贴近于手塑的效果。这个时期的3D打印机的材料也更加丰富，可以很好地表现出细腻的雕塑肌理，满足了雕塑家对实体造型的基本要求。3D打印机在打印的尺寸上，雕塑模型高度也可以达到1米以上，打印大型雕塑整体效果更好。精度更高的像SLA打印机技术开始普及，很多大中专院校都配备了工业级的光敏树脂打印机。这类打印机不仅精度高，打印速度快，而且是一体成型、无缝对接。3D技术的打印质量发生了翻天覆地的变化，打印出来的雕塑符合了艺术家的审美要求。此时，数字雕塑实体化的条件基本具备了。
目前，3D打印机可供选择的技术参数级别有很多，不同参数的打印机能实现的艺术效果也不同。使用者可以通过选择和组合来定制属于自己的打印机，满足艺术家个人的审美需求。越来越多的雕塑家不再满足于传统手工方式，开始关注数字雕塑的发展和进步，并选择向数字化雕塑领域进军。一些传统雕塑家对数字雕塑非常向往，普遍使用3D扫描仪进行数字化处理。他们先用传统泥塑的方式创作雕塑稿，利用由3D扫描仪数字化处理后形成的虚拟模型，再进行实体放大等操作，从而节省了用泥塑放大的过程。实体化技术沟通了传统雕塑和数字雕塑，一些真正意义的数字雕塑家开始完全使用计算机软件来创作雕塑作品，他们对实体化输出越来越关注。所以，3D输出设备的技术参数也成为艺术家关注的指标。
数字雕塑实体化的目标是要高度还原数字雕塑虚拟模型的造型结构，充分表现数字雕塑创作的优势特点。这种实物模型检验了雕塑设计者对造型结构的把握，表达了雕塑设计者的创作思想和情感，符合艺术的审美标准和雕塑的构成特点，从而避免因为输入设备的局限性导致的3D模型的视觉偏差。
二、实体化数字雕塑的几种方法和造型特点
目前，实体化数字雕塑方法分为增材和减材两种，对应的设备是3D打印机和数控雕刻机床。下面对比这两种成型的方式和各自产生的造型特点。
计算机数字控制机床简称数控机床，是一种装有程序控制系统的自动化机床，能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序并将其译码，从而驱动机床产生动作加工零件。它能精确地反应数字模型所表达的信息。数控雕刻机的精度与轴数、刀具的大小长短、设置的步距有关。雕刻机的轴数越多，雕刻刀具的姿态就越丰富，能达到的效果就越好。雕刻机的刀具越长，刀具直径越小，雕刻的效果就越细致。而步距设置得越小，雕刻得就越精细，但雕刻速度却相对降低了。对于雕塑模型来说，对艺术作品雕刻得越细，精度越高，还原度越好。这种雕刻机的优势是，在路径上可以根据雕塑造型的形体方向规划刀具的运动路径和间距，并利用不同规格的刀路产生类似手工雕刻的肌理，同时具备手工难以达到的规范效果。同时，雕刻一个作品可以在不同时段使用不同规格的刀具，从粗雕刻到细雕刻过程可以单独控制，这些特质无疑使雕刻的作品更具丰富感。 数控雕刻机床是用刀具对硬质材料雕刻，是一种减材性质的冷加工方式。这种方式的优点是成型尺寸大、精度高、表面质量高、强度和韧度高、还原度好，对于雕刻效果的实现最为理想。数控机床可以加工传统的雕刻材料，比如石材、木材、金属等等。当然，使用数控机床的方法也存在明显的缺点。一是材料利用率低，因为是减材性质的操作，必然会造成材料的浪费。二是复杂造型结构需要多次加工，太复杂的结构无法实现。由于数控机床是对一个实体材料进行由外向内的雕刻，如果外部造型产生限制，刀具就无法进入内部进行雕刻。因此就需要對虚拟模型进行切割，分别加工。而且，雕塑模型加工必须有固定的部分，才能起到固定和支撑作用，而这部分是不能被雕刻到的。这些不能被雕刻的固定部分也需要单独雕刻，所以就产生了最后的整体拼接步骤。雕塑的整体拼接过程中必然要手工干预，从而造成雕刻精度下降和后期修补的现象。这个缺点决定了数控机床是个半自动的方法。三是对操作人员有较高的技术要求。操作者要了解机床的机械结构：构造组成部件、数控轴的分布和方向、零件的作用、辅助单元的功能;要掌握各按钮功能和操作方法：功能的执行、暂停、恢复、停止等;要懂得数控系统的控制原理、报警语句、指令输入等，熟练使用机床的操作系统和加工软件。机床操作人员的技术水平直接影响了雕塑模型是否能顺利完成，因此十分重要。
另外还有一种适合于加工大型工件的CNC机械手臂，具有7个轴，有着很高的灵活度。机械手臂能雕刻出更多的面，能以特殊的角度深入到材料进行雕刻，跟数控机床相比，更容易在狭小的空间里进行多角度操作，从而实现更多变的造型效果。但是它在刚度和精度上不如数控机床，加工越硬的材料精度也越差，尤其像钢材之类的材料是完全雕刻不了的，所以一般加工材料多以质地较软的泡沫苯板为主。
3D打印技术是一种增材性质的热加工方式，通过打印路径编程软件与数控系统，将专用的材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品。其打印原理就是，在三维模型垂直方向上单位高度内对2D的投影切片进行对齐罗列。这种造型原理突破了传统制造方式的束缚，能够实现任何复杂结构的三维造型，优点不言而喻。目前比较普及的3D打印机类型就是FDM打印机与SLA打印机。FDM打印机主要使用ABS和PLA材料，特点是价格低廉，普及率高，速度较慢，打印精度一般，但是可以被大众接受。SLA打印机主要材料是光敏树脂，具有价格适中、速度更快、打印精度高等优点，其效果更加细腻，但是打印出来的模型体积小，是小型数字雕塑的首选。要进行大模型的制作，只能分割打印、手工拼接。其他像3DP打印机、SLS打印机、LOM打印机等，不同打印机的材料、精度、速度不同，打印模型的效果和带来的艺术体验也不同。
数字雕塑要转化为实体雕塑，需要根据模型的尺寸和设备的精度来选择合适的实体化方法。一般来说，比较大型的雕塑应该用数控雕刻机的方法实现，材料选用泡沫苯板。开初阶段用直径16mm的大刀来雕刻基本的大形关系;然后用直径10mm的圆刀精雕刻，其效果基本可以满足正常距离下的造型要求;再精细化可以用6mm的刀具来实现肌理效果。但是，雕塑家对于一些细节表达有特殊要求时，比如写实人物的面部和手部，可以将这些部位单独完成，选择0.3mm的层厚的FDM打印机完成局部的雕刻，然后把几个部分拼接，完成整体作品。最后再用传统的方法对雕塑进行喷色，使其色调统一，就可以检查雕塑的完整性了。虽然在数字实体化方法结束以后，还是用到传统的手工修复方法，但是相比整个制作雕塑的过程都用传统方法来看，数字化的方法使工作量大幅度减少，提高了效率。
对于体量比较小（1m高左右）的数字雕塑，可以全部采用FDM的3D打印方式，打印精度可以锁定在0.2mm，其表面可以很细腻，能够表达出丰富的塑痕效果。虽然不能避免出现梯田纹理，但效果绝对可以被雕塑家接受。此外，可以通过打磨有效去除梯田效应。FDM还有一个现象就是随着打印高度的增加，会出现晃动现象，从而影响高位的形体精度，加大梯田效应的杂乱度，破坏表面造型效果，而写实雕塑重要的面部往往位于雕塑形体的高位。解决的方法是将高位部分单独分割，放在低位打印，然后用传统方法连接。用SLA技术打印小型的数字雕塑是最好的选择。尽管精度达到0.025mm还是避免不了梯田效应，但是已经非常不明显了，在细节的表达上还是非常到位的。一些具备可以同时打印多种材料功能的SLA打印机，还能实现多彩的效果，艺术色彩表现更丰富。
三、实体化数字雕塑的发展方向
实体化数字雕塑现正处于起步阶段，很多技术还处于试验阶段，所以未来的技术一定会在已有的基础上呈现重大的飞跃。比如用沙子等廉价材料一次性打印大型雕塑;突破垂直方向的层打印模式，采用更加灵活的曲面打印实现曲面对打印轨迹的控制，以便达到通过表面肌理加强形体的效果;可以实现多打印头同时打印;不同精度的打印模式并存;在一台机器上实现增材、减材技术，从而更好地实现用金属材料复杂造型的一体化成型，从而彻底实现计算机自动完成数字雕塑最终材料的实体化进程。
实体化技术是数字雕塑由虚拟到现实的重要手段，它不同于严格的工业零件标准。数字雕塑有自身对实体化设备的要求：首先，满足艺术家要求的打印精度即可，视觉距离、尺度和时间决定了对设备精度的要求。尤其在大型雕塑的实体化过程中更应该把握精度和尺度的协调关系。其次，充分利用实体化设备产生的痕迹效应，将其转化成雕塑语言的一部分，把工业不能接受的缺陷问题转化为数字雕塑艺术语言的独特特征，可以理解为刻意追求设备产生的肌理效果。所以，实际上用于数字雕塑实体化的成型技术，并不一定非得出自高精尖的高档设备，而根据实际情况选择，就可以满足数字雕塑家的实体化要求。
技术的发展会使雕塑实体模型的还原度越来越高，数字雕塑以其巨大的创作优势和瞩目的实用功能，已经成为雕塑领域重要的一部分。实体化过程成为数字雕塑与传统雕塑沟通的桥梁，将起到越来越重要的作用。
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作者简介：邓威（1969—），男，汉族，辽宁大连人，硕士，大连理工大学建筑与艺术学院教授、硕士研究生导师，研究方向为数字雕塑与虚拟艺术。
隋荣婷（1984—），女，汉族，辽宁大连人，大连理工大学建筑与艺术学院硕士研究生在读，研究方向为数字雕塑与虚拟艺术。
（责任编辑：朱希良）
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