3D打印技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析與展望

楊茜婷　周峰越

摘要：為了分析3D技術(shù)如何在室內(nèi)設(shè)計(jì)中應(yīng)用，提出這項(xiàng)技術(shù)的節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，并指出未來的發(fā)展方向和研究意義。通過介紹3D技術(shù)，結(jié)合實(shí)際成功的應(yīng)用案例，對該技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。研究表明3D打印技術(shù)確實(shí)具有綠色環(huán)保高效節(jié)能的優(yōu)勢，未來與人工智能結(jié)合對室內(nèi)設(shè)計(jì)行業(yè)有很大的應(yīng)用價值。3D打印技術(shù)是一項(xiàng)環(huán)境友好型的新型科技，不僅可以幫助設(shè)計(jì)師解決室內(nèi)外產(chǎn)品特殊曲面角度問題，更可以節(jié)約人力物力財(cái)力，創(chuàng)造出新穎多元化的產(chǎn)品，未來與人工智能結(jié)合后可以更加方便，智能地為設(shè)計(jì)師服務(wù)，為更多人提供舒適、自由和人性化的環(huán)境空間。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 室內(nèi)設(shè)計(jì) 人工智能

中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）08-0140-02

前言

當(dāng)前人類所面對的最為重要的技術(shù)社會變革，就是人工智能的發(fā)展，也可以認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)誕生以來第二次技術(shù)社會形態(tài)在全球的萌芽，從2017年智能社交機(jī)器人Sophia被授予沙特公民開始，Alpha Go戰(zhàn)勝人類圍棋比賽已經(jīng)成為過去。人工智能（AI）賦予了機(jī)器一定的視聽感知和思考能力，不僅會促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，而且也會對經(jīng)濟(jì)與社會的運(yùn)行方式產(chǎn)生積極作用。在未來幾年內(nèi)，人工智能和機(jī)器人給世界帶來的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過個人計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)在過去30年間已經(jīng)對世界造成的改變。本文主要探討未來3D打印技術(shù)與人工智能結(jié)合以后，對室內(nèi)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的影響，以及對未來即將發(fā)生在室內(nèi)設(shè)計(jì)行業(yè)的改變進(jìn)行大膽的假設(shè)和猜想。

一、3D打印技術(shù)的概述

（一）定義

3D打印技術(shù)（3 Dimensional Printing），是一種以三維數(shù)字模型文件為前提基礎(chǔ)，運(yùn)用多種粉末狀、線狀或液態(tài)的金屬、塑料等具有高可塑性、可黏性材料，通過逐層疊加打印的方式，最終將計(jì)算機(jī)上的虛擬三維模型實(shí)現(xiàn)實(shí)體制造的技術(shù)。

（二）3D基本打印類型及對應(yīng)原材料

1.熔融沉積型（FDM）：FDM（Fused Deposition Modeling），這項(xiàng)3D打印技術(shù)于1988年被美國學(xué)者Scott Crump研制成功。即利用高溫將材料融化成液態(tài)，通過可在X-Y方向上移動的噴嘴噴出，最后在立體空間上排列形成立體實(shí)物。FDM使用的原材料主要有聚丙烯、ABS鑄造石蠟等。

2.噴墨沉積型（3DP）：也被稱為黏合噴射、噴墨粉末打印，工作方式和傳統(tǒng)的二維噴墨打印最為接近。和選擇性激光燒結(jié)型（SLS）工藝相似，3DP技術(shù)也是通過將粉末黏結(jié)成整體來制作零部件，但是它不是通過激光熔融的方式黏結(jié)，而是通過噴頭噴出的黏結(jié)劑來完成黏結(jié)工作。

3.分層實(shí)體制造（LOM）：這是一種薄片材料疊加工藝，又稱為層疊法成形，一般以紙片、復(fù)合材料或金屬薄板為原料，由激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化數(shù)據(jù)，將涂有熱熔膠的材料用激光切割出內(nèi)外輪廓。

二、3D打印技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析

（一）3D打印技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的優(yōu)勢

近幾年來，3D打印類產(chǎn)品越來越多地出現(xiàn)在大眾視野中，這些產(chǎn)品跳出了原有材料及規(guī)整幾何形態(tài)的束縛，給予消費(fèi)者強(qiáng)烈的視覺沖擊感，改變了我們千篇一律的生活居住空間。不僅如此，3D打印技術(shù)還具備著傳統(tǒng)制造業(yè)沒有的優(yōu)勢：

1.高效率與低成本：3D打印技術(shù)能大幅度提高了生產(chǎn)效率并且降低生產(chǎn)成本，傳統(tǒng)制造業(yè)成本的高低和所加工的商品造型及結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，受到直接影響，3D打印技術(shù)能夠通過一層層堆積成型，采用“增材成型”的方式，節(jié)約了材料，減少了資金的投入。

2.高品質(zhì)與低耗時：3D打印技術(shù)還能做到省時省力的同時保證高質(zhì)量的產(chǎn)品輸出，2016年5月，迪拜推出了全球首座3D打印辦公室，這幢建筑是以一種特別的水泥混合物為原材料，使用一臺6×36×12米的3D打印機(jī)建造，占地面積250平方米，耗時僅用了17天建成，削減了50%至70%的建造時間，節(jié)省了50%至80%的人力成本。

3.高精度與多元化：除此之外，3D打印技術(shù)在近幾年在制造精度上飛速提升，制造精度已從早期的毫米級逐步提升至20mm以下，已能夠滿足大部分工業(yè)級產(chǎn)品制造的精度要求，尤其是在航空航天、核電等精密儀器制作行業(yè)。隨著3D打印逐步多元化，“所印即所需”在未來將會變成現(xiàn)實(shí)，無需了解復(fù)雜制造工藝和產(chǎn)品加工技能，只需要一臺3D打印機(jī)就能實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)。

（二）3D打印在室內(nèi)設(shè)計(jì)中不同打印范圍

1.建筑物打?。?D建筑打印是利用工業(yè)機(jī)器人通過逐層累積最終形成一個自由形式的建筑結(jié)構(gòu)成品的新興技術(shù)。其構(gòu)成和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、打印噴頭、建筑打印材料組成的。根據(jù)電腦上設(shè)計(jì)的完整三圍模型數(shù)據(jù)，通過運(yùn)行程序?qū)⒉牧戏謱哟蛴≥敵霾B加，最終將計(jì)算機(jī)上的三維模型變成建筑實(shí)物。以往的3D打印技術(shù)只能進(jìn)行打印，無法自動識別難點(diǎn)，進(jìn)行糾錯分析，但是現(xiàn)在最新的科技已經(jīng)將3D建筑打印技術(shù)和人工智能相結(jié)合，使機(jī)器能像人類一樣“自主”打印并“發(fā)現(xiàn)錯誤”和“糾正錯誤”，AI Build公司就是這方面的創(chuàng)新者。

2016年10月，AI Build公司創(chuàng)建了一個長“眼睛”的人工智能3D打印機(jī)器人，如圖1所示。這個機(jī)器人打印出一個長寬各5米，高4.5米的建筑結(jié)構(gòu)，建筑名稱叫作Daedalus亭，其體積大到足以容納幾個咖啡桌，造型優(yōu)美而充滿科幻感，如圖2所示。而且這個機(jī)器可以自己監(jiān)測打印過程，并自行進(jìn)行錯誤糾正。AI Build的創(chuàng)始人認(rèn)為，“一方面，我們擁有全自動化的生產(chǎn)管道，另一方面，我們卻要完全依賴人類勞動力?！笨材氛J(rèn)為如果打印技術(shù)變得更高效，這個問題可以解決，“我們想要根除障礙，利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)某些產(chǎn)品，然后通過3D打印的方式制造它們?！?/p>

AI Build公司通過三個方面的創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)3D打印昂貴耗時的缺點(diǎn)，增加了打印的精度和范圍。首先，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將3D打印頭綁在KUKA機(jī)器人的機(jī)械臂上，同時利用編程控制機(jī)械臂，從而完成一些復(fù)雜部分的打印。其次，團(tuán)隊(duì)采用了他們采用了網(wǎng)格狀的疊層式設(shè)計(jì)，這樣便能在耗材較少情況下，保證支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，從而降低打印成本和時間。最后，cam和他的團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人身上加裝了攝像頭，并使用NVIDIA GPU計(jì)算平臺來運(yùn)行視覺學(xué)習(xí)算法和計(jì)算機(jī)深度，來分析3D打印對象的結(jié)構(gòu)。Cam表示：“我們的目標(biāo)是，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境和數(shù)字環(huán)境中打造一個有效的反饋回路?！睆某晒Φ陌咐浑y看出，3D打印技術(shù)可以完成建筑外部及內(nèi)部梁柱等支撐結(jié)構(gòu)的打印，這為設(shè)計(jì)師天馬行空的想象力提供了良好的輸出平臺，并降低了建筑成本。

2.室內(nèi)家具打?。航ㄖ聞?wù)所DUS是建筑3D打印的專家，目前，DUS設(shè)計(jì)的定制家具將3D打印與新舊材料相結(jié)合，配合傳統(tǒng)工藝，從而帶來擁有全新功能和觸覺體驗(yàn)的家具?！熬坝^”桌這個設(shè)計(jì)將3D打印的結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹脂結(jié)合，形成了從半透明桌面偶然浮現(xiàn)的立體波紋景觀，用來展示小冊子、雜志或小物品可以放在雕刻出的立體圖案上，如圖3所示。Werteloberfell是2007年成立于德國的設(shè)計(jì)工作室，世界各地的博物館都有他們的作品收藏。Gernot和Jan善于用3D設(shè)計(jì)結(jié)合有機(jī)造型，給予產(chǎn)品美好的邏輯語言，實(shí)現(xiàn)完美工藝和人機(jī)工學(xué)。數(shù)學(xué)方法計(jì)算的分形模式被Fractal.MGX用來模擬家具設(shè)計(jì)，通過讓相似地方不斷復(fù)制，實(shí)現(xiàn)有機(jī)生長。茶桌是由樹干狀的桌腿來支撐，桌腿向上延伸形成樹枝狀的支架撐起桌面。整個設(shè)計(jì)高度復(fù)雜又條理清晰，是過去的制造技術(shù)難以做到的。另外，3D打印技術(shù)對于傳統(tǒng)家具修復(fù)還原、對于設(shè)計(jì)師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)代家具的創(chuàng)新和文化的傳承有重大的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

3.室內(nèi)裝飾品打?。?D打印技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師解決家居裝飾產(chǎn)品特殊曲面角度問題，例如利用PLA塑料制作的花瓶，這是一種利用可再生的植物資源所提取出的淀粉原料制成的新型生物降解材料，加工方便，應(yīng)用廣泛，而且擁有良好的光澤性和透明度及良好的抗拉強(qiáng)度及延展度，如圖4所示。還有陶瓷材料可以利用3D打印技術(shù)，應(yīng)用在炊具、餐具（杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊）和燭臺、瓷磚、藝術(shù)品等家具裝飾材料中，3D打印的陶瓷制品不透水、耐熱、可回收、無毒但是強(qiáng)度不高，如圖5。

三、3D打印技術(shù)未來發(fā)展前景

從整體建筑方面來看，隨著技術(shù)和市場的成熟，3D打印可能會變成現(xiàn)在建筑技術(shù)的狀態(tài)，如預(yù)制一承包商可根據(jù)需要從專業(yè)分包商那里獲得，或者重點(diǎn)可能落在專門的設(shè)備上，承包商可以從設(shè)備供應(yīng)商租用或租賃。未來，3D打印技術(shù)將會結(jié)合人工智能，使得打印機(jī)不僅能夠“昕瞳”人的指令，還能自動“感受”人的需求，識別打印過程中的錯誤并糾正。就像AI Build的創(chuàng)始人和CEO Daghan Cam提出的最終愿景是解決現(xiàn)階段3D打印技術(shù)小規(guī)模生產(chǎn)和大規(guī)模工程建設(shè)間存在脫節(jié)現(xiàn)象，把人工智能引入建造環(huán)境來徹底改變建筑業(yè)。從局部室內(nèi)空間來看，未來設(shè)計(jì)師可以利用機(jī)器人恨據(jù)圖紙方案和設(shè)計(jì)意圖自主建造房屋復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，家具、地板、墻面以及陳設(shè)品的室內(nèi)裝飾產(chǎn)品設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出更加新穎獨(dú)特的定制化陳設(shè)產(chǎn)品，做到設(shè)計(jì)過程省時、省力和省材，高效率、高精度和高環(huán)保，讓每個人都能擁有高品質(zhì)的生活家居。

而且現(xiàn)在還有了“云分享”平臺，是依托互聯(lián)網(wǎng)各個終端的用戶為一個數(shù)據(jù)庫云，在將來設(shè)計(jì)師們可以用一種共同的方式將自己的設(shè)計(jì)資源上傳到“云分享”，利用各種設(shè)計(jì)視頻、音頻、圖片、文字與他人互動，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的全球化。而且作為數(shù)據(jù)庫云一端的用戶不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)安全問題，他所提供的分享資源通過某一協(xié)議具有保護(hù)的作用。值得注意的是，云端分享需要考慮保障消費(fèi)者權(quán)益責(zé)任和設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)產(chǎn)權(quán)不受到侵犯等問題。

總結(jié)

現(xiàn)階段，綠色建筑與室內(nèi)設(shè)計(jì)中材料的環(huán)保性被設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者廣泛的關(guān)注，3D打印技術(shù)的發(fā)展能夠從原材料開始就做到綠色環(huán)保，這是在傳統(tǒng)的家居制造業(yè)中不能實(shí)現(xiàn)的。3D打印技術(shù)以其環(huán)保高效，省時省力的工作特點(diǎn)，一定能夠在未來引起一場室內(nèi)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新革命。設(shè)計(jì)師應(yīng)合理利用原材料，結(jié)合3D打印原理，創(chuàng)造出更多元化的室外建筑構(gòu)件和室內(nèi)家具裝飾作品，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)綠色環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展。