创新课程│3D打印复原倒流壶

什么是倒流壶

倒流壶,又有倒装壶、倒灌壶、内管壶之称,这一名称的得来,与其独特的使用方式有关。倒流壶虽然具有壶的形貌,但壶盖却与器身连为一体,无法像普通壶那样从口部注水。原来,在这种壶的底部有一个小孔,使用时把壶倒转过来,才能注水入壶,所以有倒装之称。注水时,水不会从口部流出来;注满水后,将壶放正,也不用担心下边的小孔漏水。

图1

倒流壶的烧制过程

倒流壶在制作过程中也是要“倒”着做。需要先用陶泥拉出壶形;再将准备好的导管放进壶胎内部,然后再将成型壶口封上,进炉烧制。

烧制倒流壶的窑炉,体现出当时的陶瓷工匠掌握了先进技术。根据考古分析,在唐代,耀州窑的烧窑温度就已经达到了1310℃。能达到这样一种高温主要归功于一种窑顶完全封闭的马蹄窑。这种窑的先进之处在于,当火从火塘升起后先到窑顶,因为窑顶是封闭的,火只能沿着窑床往下运动。这样在火焰从窑底到窑顶的运动过程中,就可以对窑内的产品进行均匀烧制。最后的火从底部烟道排出。

倒流壶的历史

据有关资料记载,倒流壶在宋代时最为出名。到了元代,其工艺发展得更加炉火纯青。宋、辽、金时期,倒流壶较为流行。宋代制瓷业有较大发展,当时窑口林立,瓷器品种繁多,北方定窑的白瓷、耀州窑的刻花青瓷、磁州窑的白釉黑花瓷、钧窑的窑变瓷等,以其丰富的装饰技法构成了北方瓷器的独特风格。现藏陕西历史博物馆的一件五代耀州窑青釉剔刻花狮流倒装瓷壶,20世纪70年代初出土于陕西彬县,该壶集捏塑、剔刻、模印装饰于一体,技法运用纯熟老练,纹饰疏密有致,过渡自然。壶通体施青釉,釉色青绿深沉,素雅润泽,展示了五代耀州窑制瓷工艺的高超水平。

明清时期,制瓷业更加繁荣昌盛,制瓷工艺又有了改革创新,器形烧造富于变化,装饰技法与题材更为丰富多彩,釉色品种繁多,色彩纷呈,开创了中国制瓷史的新篇章。元明清时期,倒流壶一直都有制作,保留下来的实物尤以清代为多,其质地有彩瓷、紫砂以及锡壶等,较前代有较大发展。清代倒装壶很少再有早期带提梁的样式,而是将提梁改为执柄,造型一般都做成枝叶寿桃形,壶上多装饰蝙蝠、鹿、寿星、童子、松树等图案。

倒流壶的原理

图2

通过倒流壶的剖面图,可以看到壶里面设置有一个连接壶嘴的出水管和一个连接底部孔洞的注水管。而实现倒流壶“魔法”的关键,就在于壶中的这两个导管。当壶身倒过来时,可以将水沿着注水管倒进壶内,只要壶中水的高度不超过出水管的高度,水就不会从壶嘴流出。而当壶身正过来时,只要壶中水的高度不超过注水管的高度,水就不会从底部的孔洞中流出来。所以,虽然倒流壶底部有洞,但却能做到滴水不漏。

图3

倒流壶主要利用的是物理学中的“连通器”原理。其基本原理是:底部互相连通的容器,注入同一种液体,在液体不流动时连通器内各容器的液面总是保持在同一水平面上。因此,倒流壶之所以没有可以掀开的壶盖,却在壶底留有一个孔洞的问题也就迎刃而解了。

倒流壶的优点

由于倒流壶没有可掀开的盖,因此比起生活中我们常用的壶,密封的更严实,灰尘不能落入壶内,也就更卫生。

3D建模

图4

图4为我的三维设计最终渲染图,原型为寿桃型倒流壶。壶的主体为红色的桃子和底座,水嘴和壶把儿为黑色的树枝,配以装饰性的树叶组成整个作品。三维设计时这个作品由壶体、水嘴、壶把儿、上水的空心锥形、装饰性树叶五部分组成。三维设计中,我以3DOne为设计工具,主要原因是该软件可以快速完成叶子部分的弯折,同时可以快速地完成整体作品的设计。倒流壶作品的设计难点有三个:一是整个作品需要一体式打印,且这个物件只有两个非常小的开口,这就要求作品打印环节不能给壶内部添加支撑。二是如何使这个作品打印完之后真的能放水,且不漏水。三是ABS和PLA的材料选择问题。

解决第一个问题,作品设计阶段需要保证整个作品都是成向上的角度,避免出现向下弯曲的面。如图5,A处在打印过程中如果不带支撑,一定会出现坍塌的问题。在整个作品的设计过程中,一定要要缓慢地扩张与收缩,设计过程中就要努力设计保证作品的打印质量。

图5

第二个问题,常规打印作品时不必考虑水的密封性,但打印的作品需要保证作品的强度,我们在常规作品中经常以2.5mm作为壳的厚度。倒流壶这个作品在设计阶段我们选择3.0mm作为壳的厚度。第三个问题,材料选择也是一门学问。PLA在打印过程中虽然无味道,且为食品级材料,貌似适合作为壶的材质。但PLA却有溶于水,特别是热水的缺点。考虑作品的多次使用性,我们只能摒弃PLA的材料。ABS材料具有耐水性,但不是食品级材料,这个模型使用ABS打印,只能作为一个原理演示之用,不能把它当成一个真正的壶,用来喝水泡茶。

下面,简单地介绍一下产品设计步骤:

(1)壶体设计。3DOne只有xy基本面,需要先建立辅助几何体在z空间参考作图,使用曲线工具画出半个桃子形状(如图6、图7),然后使用旋转360度的方式形成实体,最后抽-3mm的壳,完成壶体的制作。

图6

图7

(2)壶嘴的设计。壶嘴设计主要采用扫略的方式完成,首先通过辅助几何体在壶的中心平面绘制曲线,曲线大小如图8,然后在曲线上画半径为12mm的圆,通过扫略操作形成实体。然后进行-3mm的抽壳操作,开放面需选择上下两个底面。当然使用放样操作效果会更好。

图8

图9

(3)壶把的设计。壶把的设计与壶嘴类似,不同点是抽壳的时候,无需开放两个底面。

图10

(4)装饰性树叶的设计。制作树叶的要点是采用草图绘制,先绘制树叶的形状,然后用特殊功能的圆柱弯折,弯曲出叶子的曲度。通过基本编辑中移动的动态移动,将叶子摆放到合适位置。

图11

(5)倒水管的设计。设计倒水管前,需要在壶底面挖出孔洞,以孔洞半径加3mm,为半径设计实体中锥形,在壶内设计锥体,并对锥体进行-3mm的抽壳,同时选择上下两面为开放面。为方便操作,可以隐藏壶的主体。

图12

(6)打通壶嘴与壶体的隔断,去除壶嘴多余部分。使用减操作,去除壶嘴与壶体的隔断,否则水就不能从壶嘴流出了。

(7)组合倒流壶的各个部件。使用组合操作时,加运算将各个部件组合为一个整体,组合之后可以快速判定壶是否为一个整体,方法是通过鼠标单击壶的任意部分查看。若整体变色,则说明组合成功。

3D打印过程

本作品打印时需保证作品内部无支撑,且有足够的水密封性。以我们现在使用的太尔时代打印机的up stduio为例,在打印作品前需要进行以下特殊设置:打印参数中,密封层数由默认的3调整为6,仅底部支撑两个选项。密封层数变为6的作用是增加封密性。仅底部支撑,可以保证壶体内部不存在支撑,这两个参数是倒流壶能否成功打印的关键所在。

图13

当然,设计过程中的微小失误,都有可能造成作品的打印失败。在此我们发布一个已经经过实际打印的作品原型供大家参考,网址为http://www.i3done.com/u/9883464。

倒流壶的含义

古人设计制造的倒流壶有着很深的含义,倒的终点为正,正的终点为倒。这样一个看起来匪夷所思的道理,其实就是告诉众人:做任何事情都不要超越限度。

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