打印時(shí)代的綠色設(shè)計(jì)造物理念

崔棟

摘 要：3D打印技術(shù)作為一種新型技術(shù)進(jìn)入社會(huì)公眾的視野，促使更多新的設(shè)計(jì)概念將走出虛擬世界進(jìn)入現(xiàn)實(shí)生活，探討3D打印技術(shù)的綠色理念，以及如何利用3D打印技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)造物的綠色創(chuàng)造。

關(guān)鍵字：3D打印技術(shù) 生態(tài)理念 設(shè)計(jì)造物 藝術(shù)創(chuàng)作

在過(guò)去的幾年時(shí)間里，3D打印業(yè)界進(jìn)入了高度活躍期，與3D打印相關(guān)的新聞和概念頻頻出現(xiàn)在公眾視野中。3D（Three Dimensions）打印是一種通過(guò)材料逐層添加制造三維物體的變革性、數(shù)字化增材制造技術(shù)，它將信息、材料、生物、控制技術(shù)融合滲透，將對(duì)未來(lái)制造業(yè)生產(chǎn)模式與人類生活方式產(chǎn)生重大影響。①

一、3D打印——設(shè)計(jì)造物的新紀(jì)元

大部分西方的設(shè)計(jì)歷史記錄都把自然和科技看成極性。自然之力是隨性且不可預(yù)知的，是一種被馴服的力。設(shè)計(jì)就是從自然的混沌中進(jìn)行創(chuàng)作的過(guò)程，將人類理性的標(biāo)記印刻到原材料上。幾十年前，現(xiàn)代建筑就包含有機(jī)和自然啟發(fā)的形狀。然而，并不是每一個(gè)人都同意建筑師應(yīng)扮演的創(chuàng)意角色，將引導(dǎo)和協(xié)調(diào)基于生物算法的應(yīng)用當(dāng)成一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。這就是生成設(shè)計(jì)之所以引起爭(zhēng)議和破裂的原因。

計(jì)算機(jī)生成的三維分形藝術(shù)已經(jīng)存在了幾十年，但是直到最近仍只存在于虛擬世界中。設(shè)計(jì)師們多年以來(lái)都在使用常規(guī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。有機(jī)設(shè)計(jì)作為一種新模式方興未艾，3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了把復(fù)雜抽象的模型從虛擬世界中轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實(shí)世界中。隨著3D打印將數(shù)學(xué)模型和自然規(guī)律從抽象的束縛中解放出來(lái)，各種以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)正逐步一一呈現(xiàn)出來(lái)。

1.計(jì)算機(jī)如同大自然的造物者

大自然的制造過(guò)程是重復(fù)的。所有的生物，從一株植物到人類胚胎，通常都是從一個(gè)簡(jiǎn)單的生殖細(xì)胞或種子開(kāi)始，遵從一套相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展“規(guī)律”重復(fù)進(jìn)行。由算法或公式產(chǎn)生的圖形通過(guò)人為的方式產(chǎn)生多種變化。利用數(shù)據(jù)和算法的結(jié)合，設(shè)計(jì)師們可以創(chuàng)造出多種二維和三維的形狀和圖案。一些算法可以生成分支結(jié)構(gòu)，一些可以生成曲面形狀，設(shè)計(jì)師通過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)和3D打印技術(shù)來(lái)呈現(xiàn)這一進(jìn)化過(guò)程。設(shè)計(jì)師能夠使一套設(shè)計(jì)規(guī)則自動(dòng)運(yùn)行并監(jiān)測(cè)由此產(chǎn)生的形狀，使其展開(kāi)成為一個(gè)模式。同時(shí)，設(shè)計(jì)師還能夠應(yīng)用相同的規(guī)律多次重復(fù)設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)師還可以改變?cè)O(shè)計(jì)規(guī)則，選擇那些能夠生成更好外觀或是更有趣圖形的設(shè)計(jì)規(guī)則。新技術(shù)的發(fā)展使設(shè)計(jì)師、藝術(shù)家和建筑師的水平和設(shè)計(jì)理念均獲得提升。

2.蔓延至日常生活的各個(gè)角落

3D打印技術(shù)的運(yùn)用已不再為設(shè)計(jì)師和科學(xué)家所專屬，它已從實(shí)驗(yàn)室和工廠逐漸走出來(lái)，并且走入學(xué)校和家庭，與我們每個(gè)普通人的生活休戚相關(guān)。3D打印的衣服和鞋子已經(jīng)多次出現(xiàn)在全球時(shí)裝展。3D打印的餅干和蛋糕已經(jīng)成為一些家庭餐桌上受歡迎的小點(diǎn)心。3D打印的咖啡桌和個(gè)性家具頗受年輕人喜愛(ài)，3D打印技術(shù)在交通工具的設(shè)計(jì)中也頻頻出現(xiàn)。目前，3D技術(shù)正逐步從打印物體外形過(guò)渡到打印物體結(jié)構(gòu)，再到可以打印物體的高級(jí)功能與行為的階段。由此，我們相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)3D打印技術(shù)在生活中隨處可見(jiàn)。

二、3D打印的綠色理念——讓制造業(yè)不再有污染

3D打印技術(shù)為我們提供了一種更清潔、更環(huán)保的產(chǎn)品制造方法。沒(méi)有一項(xiàng)技術(shù)天生就是環(huán)保的，重要的是如何使用它。能否實(shí)現(xiàn)更綠色環(huán)保的制造關(guān)鍵在于能否全面開(kāi)發(fā)3D打印獨(dú)有的制造能力。3D打印技術(shù)具有如下取代大規(guī)模生產(chǎn)制造的潛力：其一3D打印機(jī)制造出的產(chǎn)品外形能夠根據(jù)應(yīng)用或環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化；其二儲(chǔ)存隨時(shí)可以打印的設(shè)計(jì)圖紙或者數(shù)字化的產(chǎn)品清單更經(jīng)濟(jì)環(huán)保；其三分布式的3D打印制造可以使各公司就近進(jìn)行本地生產(chǎn)；其四3D打印技術(shù)還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其潛力，使用可回收利用的或環(huán)保的打印材料進(jìn)行生產(chǎn)。

1.低碳制造

在制造業(yè)里，低碳意味著“低碳排放”，一種更有效節(jié)能的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方法。制造過(guò)程僅僅是設(shè)計(jì)創(chuàng)作過(guò)程的一部分，垃圾是大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的另一種災(zāi)難性副作用。低碳制造意味著降低整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的碳足跡，包括從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品生產(chǎn)、部件組裝、運(yùn)輸分配以及最終的報(bào)廢處理。諾丁堡大學(xué)教授理查德？黑格和幾位同事對(duì)3D打印與傳統(tǒng)制造所留下的碳足跡進(jìn)行了深入的對(duì)比研究，結(jié)果較為復(fù)雜，但總體而言3D打印制造對(duì)環(huán)境的益處是微妙的，其中至關(guān)重要的是設(shè)計(jì)優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)化不單單是指原材料本身的再造，而是貫穿于設(shè)計(jì)過(guò)程始終的對(duì)于生態(tài)環(huán)境的全面關(guān)照。

2.清潔的制造過(guò)程

由于3D打印獨(dú)特的制造工藝，能夠通過(guò)一次打印完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。如果未來(lái)的制造商能夠打印經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化而簡(jiǎn)化組裝過(guò)程的零部件，那么就可以降低對(duì)環(huán)境的污染。如果能夠利用3D打印的獨(dú)特能力，那么就可以使制造過(guò)程清潔化。傳統(tǒng)制造過(guò)程是通過(guò)全球供應(yīng)鏈來(lái)運(yùn)作的，原料被運(yùn)到工廠，然后再到流水線，最后到達(dá)消費(fèi)者手中。我們的生活歷來(lái)是以這種全球供應(yīng)鏈的流通方式為主的。生活中我們購(gòu)買、消費(fèi)以及最終丟棄的每個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)線的產(chǎn)品，幾乎都是這一漫長(zhǎng)而曲折的全球供應(yīng)鏈的產(chǎn)品。由于工業(yè)運(yùn)輸隊(duì)伍（卡車、輪船、飛機(jī)）燃燒燃料會(huì)產(chǎn)生大量排放物，供應(yīng)鏈的碳排放量驚人。而存儲(chǔ)未銷售和未使用的庫(kù)存產(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)需要進(jìn)行照明，加熱或冷卻，該過(guò)程消耗電能。以數(shù)字化庫(kù)存代替實(shí)際庫(kù)存將會(huì)使供應(yīng)鏈更加綠色環(huán)保。實(shí)際庫(kù)存貨物不僅需要運(yùn)輸，而且在等待銷售的過(guò)程中也占用了大量的貨架空間。相反，3D打印的數(shù)字化庫(kù)存或設(shè)計(jì)圖紙成本相對(duì)較低，且易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，也使得設(shè)計(jì)造物的過(guò)程變得簡(jiǎn)潔而環(huán)保。

3.優(yōu)化設(shè)計(jì)資源

計(jì)算機(jī)生成的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了新的產(chǎn)品類型，減重就是一種能顯著降低產(chǎn)品碳足跡的方法。產(chǎn)品優(yōu)化的形式多種多樣，由于是專門針對(duì)周圍環(huán)境設(shè)計(jì)的，所以一個(gè)巧妙設(shè)計(jì)的零部件可以使用更長(zhǎng)時(shí)間，也更能節(jié)約能源。另一種優(yōu)化產(chǎn)品的方法就是盡量減少零部件，最好做成一個(gè)整體。生產(chǎn)制造的一般經(jīng)驗(yàn)法則就是：一個(gè)產(chǎn)品的零部件越多，它消耗的資源就越多；一個(gè)產(chǎn)品需要組裝的零部件越多，產(chǎn)品的供應(yīng)鏈就越長(zhǎng)，產(chǎn)品的庫(kù)存就越大。由于3D打印獨(dú)特的制造工藝，所以能夠通過(guò)一次打印完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。如果未來(lái)的制造商能夠打印經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化而簡(jiǎn)化組裝過(guò)程的零部件，那么就可以降低對(duì)環(huán)境的污染。一條現(xiàn)代化流水線制造過(guò)程需要運(yùn)輸或裝配的零部件將有所減少。

4.變廢為寶

3D打印的開(kāi)創(chuàng)者和預(yù)言家喬瑞斯？皮爾斯指出，“如果我們繼續(xù)按照現(xiàn)在的全球消費(fèi)率消耗和丟棄物品，我們將會(huì)在自己丟棄的廢物里窒息”。②就環(huán)保而言，3D打印船（如圖1）是一項(xiàng)令人振奮的項(xiàng)目，因?yàn)樗C明了可回收牛奶盒可以回收利用并打印成真正有用的物品。塑料牛奶盒由高密度聚乙烯塑料制成，這是一種廣泛應(yīng)用的，可回收利用的石油熱塑性塑料。可回收塑料是一個(gè)好的開(kāi)始，想要利用3D打印技術(shù)改善生活，我們需要想方設(shè)法利用廢棄產(chǎn)品、食物副產(chǎn)品、可循環(huán)利用的玻璃和沙子，甚至泥土進(jìn)行3D打印。因此探討3D打印的可持續(xù)原料發(fā)掘與應(yīng)用是亟待解決的課題。

“綠色3D打印看起來(lái)似乎是一個(gè)令人驚訝的研究方向，變廢為寶或許聽(tīng)起來(lái)猶如童話，但這的確是一個(gè)值得我們努力實(shí)現(xiàn)的想法。3D打印技術(shù)給環(huán)境帶來(lái)希望的同時(shí)，事實(shí)上也帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。3D打印技術(shù)不可能天生就是綠色環(huán)保的技術(shù)，我們必須積極努力地打造并改善3D打印技術(shù)，如果能夠在開(kāi)發(fā)3D打印技術(shù)獨(dú)特能力的同時(shí)，也開(kāi)發(fā)更綠色環(huán)保的打印材料，那么我們將給環(huán)境帶來(lái)更多益處，產(chǎn)品的供應(yīng)鏈會(huì)縮短，從而形成新一代的優(yōu)化產(chǎn)品。

三、3D打印時(shí)代的審美——機(jī)器制造機(jī)器

眾所周知，人猿相揖別，是因?yàn)楣湃四軌蚴止ぶ圃旃ぞ?。今人區(qū)別于古人，是因?yàn)槟軌蚴褂脵C(jī)器制造工具。人類進(jìn)化至今，一個(gè)嶄新的文明標(biāo)志就是能夠用機(jī)器制造機(jī)器。從狹義上來(lái)講，當(dāng)前被賦予無(wú)限想象力的3D打印機(jī)是這種能夠制造機(jī)器的機(jī)器。而未來(lái)，人們將不再花時(shí)間起草和測(cè)試可能的設(shè)計(jì)方案。相反，我們將擁有對(duì)設(shè)計(jì)目的、設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)內(nèi)容具備較高水準(zhǔn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)師，而人類設(shè)計(jì)師只需要定義目標(biāo)解決方案的參數(shù)。未來(lái)，設(shè)計(jì)師、藝術(shù)家和建筑師不會(huì)被新工具淘汰，而是達(dá)到一個(gè)嶄新的創(chuàng)作高度。

設(shè)計(jì)軟件是3D打印的核心，正像基于紙筆的手繪圖一樣。3D打印設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)是如何使人類設(shè)計(jì)師和計(jì)算機(jī)創(chuàng)造性地、完美地協(xié)同工作。而這其中至關(guān)重要的是，為了更好地發(fā)揮3D打印機(jī)的生產(chǎn)能力，計(jì)算機(jī)需要知道如何更好地設(shè)計(jì)形狀。設(shè)計(jì)軟件不用語(yǔ)言，而是通過(guò)捕捉和追蹤描述物體的數(shù)據(jù)分析來(lái)記錄外部世界。這種以數(shù)字化形式描述物體的方式，專業(yè)上稱之為“幾何描述”。因此，3D打印的設(shè)計(jì)工具能否有效直接取決于我們能否創(chuàng)造出針對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)問(wèn)題能夠快速準(zhǔn)確地改進(jìn)幾何表達(dá)方式的軟件。同樣，專業(yè)設(shè)計(jì)軟件處理內(nèi)部幾何表示的方式也決定了軟件控制設(shè)計(jì)的好壞。3D打印機(jī)問(wèn)世之前，任何有關(guān)形狀的復(fù)雜構(gòu)想都只是幻想，理論數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的素材。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，更多新的設(shè)計(jì)概念將最終走出虛擬世界進(jìn)入現(xiàn)實(shí)生活中。

結(jié)語(yǔ)

我們剝?nèi)?D打印技術(shù)神話般的外衣，就會(huì)發(fā)現(xiàn)3D打印實(shí)質(zhì)上是制造業(yè)向智能化不斷演進(jìn)的歷程。當(dāng)前，信息化與工業(yè)化的深度融合為這一進(jìn)程提供了前所未有的機(jī)遇。在這個(gè)機(jī)遇中，我們除了發(fā)掘掌握3D打印技術(shù)的開(kāi)發(fā)運(yùn)用，更應(yīng)該利用3D打印技術(shù)關(guān)照自然，營(yíng)造人類綠色的生存空間。

注釋：

①胡迪·利普森，梅爾芭·庫(kù)曼.3D打印從想象到現(xiàn)實(shí)[M].北京：中信出版社，2013.

②Christopher Barnatt，3D printing[M].BeiJing：Posts&Telecom Press，2014.

作者單位：河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院