打印時代的綠色設計造物理念

崔棟

摘 要：3D打印技術作為一種新型技術進入社會公眾的視野，促使更多新的設計概念將走出虛擬世界進入現實生活，探討3D打印技術的綠色理念，以及如何利用3D打印技術的獨特優勢實現設計造物的綠色創造。

關鍵字：3D打印技術 生態理念 設計造物 藝術創作

在過去的幾年時間里，3D打印業界進入了高度活躍期，與3D打印相關的新聞和概念頻頻出現在公眾視野中。3D（Three Dimensions）打印是一種通過材料逐層添加制造三維物體的變革性、數字化增材制造技術，它將信息、材料、生物、控制技術融合滲透，將對未來制造業生產模式與人類生活方式產生重大影響。①

一、3D打印——設計造物的新紀元

大部分西方的設計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知的，是一種被馴服的力。設計就是從自然的混沌中進行創作的過程，將人類理性的標記印刻到原材料上。幾十年前，現代建筑就包含有機和自然啟發的形狀。然而，并不是每一個人都同意建筑師應扮演的創意角色，將引導和協調基于生物算法的應用當成一個設計問題。這就是生成設計之所以引起爭議和破裂的原因。

計算機生成的三維分形藝術已經存在了幾十年，但是直到最近仍只存在于虛擬世界中。設計師們多年以來都在使用常規軟件進行設計。有機設計作為一種新模式方興未艾，3D打印技術實現了把復雜抽象的模型從虛擬世界中轉化到現實世界中。隨著3D打印將數學模型和自然規律從抽象的束縛中解放出來，各種以前無法實現的設計正逐步一一呈現出來。

1.計算機如同大自然的造物者

大自然的制造過程是重復的。所有的生物，從一株植物到人類胚胎，通常都是從一個簡單的生殖細胞或種子開始，遵從一套相對穩定的發展“規律”重復進行。由算法或公式產生的圖形通過人為的方式產生多種變化。利用數據和算法的結合，設計師們可以創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構，一些可以生成曲面形狀，設計師通過計算機的計算能力、數據和3D打印技術來呈現這一進化過程。設計師能夠使一套設計規則自動運行并監測由此產生的形狀，使其展開成為一個模式。同時，設計師還能夠應用相同的規律多次重復設計過程。設計師還可以改變設計規則，選擇那些能夠生成更好外觀或是更有趣圖形的設計規則。新技術的發展使設計師、藝術家和建筑師的水平和設計理念均獲得提升。

2.蔓延至日常生活的各個角落

3D打印技術的運用已不再為設計師和科學家所專屬，它已從實驗室和工廠逐漸走出來，并且走入學校和家庭，與我們每個普通人的生活休戚相關。3D打印的衣服和鞋子已經多次出現在全球時裝展。3D打印的餅干和蛋糕已經成為一些家庭餐桌上受歡迎的小點心。3D打印的咖啡桌和個性家具頗受年輕人喜愛，3D打印技術在交通工具的設計中也頻頻出現。目前，3D技術正逐步從打印物體外形過渡到打印物體結構，再到可以打印物體的高級功能與行為的階段。由此，我們相信，在不遠的將來3D打印技術在生活中隨處可見。

二、3D打印的綠色理念——讓制造業不再有污染

3D打印技術為我們提供了一種更清潔、更環保的產品制造方法。沒有一項技術天生就是環保的，重要的是如何使用它。能否實現更綠色環保的制造關鍵在于能否全面開發3D打印獨有的制造能力。3D打印技術具有如下取代大規模生產制造的潛力：其一3D打印機制造出的產品外形能夠根據應用或環境進行優化；其二儲存隨時可以打印的設計圖紙或者數字化的產品清單更經濟環保；其三分布式的3D打印制造可以使各公司就近進行本地生產；其四3D打印技術還可以進一步開發其潛力，使用可回收利用的或環保的打印材料進行生產。

1.低碳制造

在制造業里，低碳意味著“低碳排放”，一種更有效節能的設計生產方法。制造過程僅僅是設計創作過程的一部分，垃圾是大規模生產對環境造成的另一種災難性副作用。低碳制造意味著降低整個產品生命周期內的碳足跡，包括從產品設計到產品生產、部件組裝、運輸分配以及最終的報廢處理。諾丁堡大學教授理查德？黑格和幾位同事對3D打印與傳統制造所留下的碳足跡進行了深入的對比研究，結果較為復雜，但總體而言3D打印制造對環境的益處是微妙的，其中至關重要的是設計優化。這種設計的優化不單單是指原材料本身的再造，而是貫穿于設計過程始終的對于生態環境的全面關照。

2.清潔的制造過程

由于3D打印獨特的制造工藝，能夠通過一次打印完成產品的生產。如果未來的制造商能夠打印經過設計優化而簡化組裝過程的零部件，那么就可以降低對環境的污染。如果能夠利用3D打印的獨特能力，那么就可以使制造過程清潔化。傳統制造過程是通過全球供應鏈來運作的，原料被運到工廠，然后再到流水線，最后到達消費者手中。我們的生活歷來是以這種全球供應鏈的流通方式為主的。生活中我們購買、消費以及最終丟棄的每個大規模生產線的產品，幾乎都是這一漫長而曲折的全球供應鏈的產品。由于工業運輸隊伍（卡車、輪船、飛機）燃燒燃料會產生大量排放物，供應鏈的碳排放量驚人。而存儲未銷售和未使用的庫存產品倉庫需要進行照明，加熱或冷卻，該過程消耗電能。以數字化庫存代替實際庫存將會使供應鏈更加綠色環保。實際庫存貨物不僅需要運輸，而且在等待銷售的過程中也占用了大量的貨架空間。相反，3D打印的數字化庫存或設計圖紙成本相對較低，且易于儲存和運輸，也使得設計造物的過程變得簡潔而環保。

3.優化設計資源

計算機生成的設計創造了新的產品類型，減重就是一種能顯著降低產品碳足跡的方法。產品優化的形式多種多樣，由于是專門針對周圍環境設計的，所以一個巧妙設計的零部件可以使用更長時間，也更能節約能源。另一種優化產品的方法就是盡量減少零部件，最好做成一個整體。生產制造的一般經驗法則就是：一個產品的零部件越多，它消耗的資源就越多；一個產品需要組裝的零部件越多，產品的供應鏈就越長，產品的庫存就越大。由于3D打印獨特的制造工藝，所以能夠通過一次打印完成產品的生產。如果未來的制造商能夠打印經過設計優化而簡化組裝過程的零部件，那么就可以降低對環境的污染。一條現代化流水線制造過程需要運輸或裝配的零部件將有所減少。

4.變廢為寶

3D打印的開創者和預言家喬瑞斯？皮爾斯指出，“如果我們繼續按照現在的全球消費率消耗和丟棄物品，我們將會在自己丟棄的廢物里窒息”。②就環保而言，3D打印船（如圖1）是一項令人振奮的項目，因為它證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，這是一種廣泛應用的，可回收利用的石油熱塑性塑料。可回收塑料是一個好的開始，想要利用3D打印技術改善生活，我們需要想方設法利用廢棄產品、食物副產品、可循環利用的玻璃和沙子，甚至泥土進行3D打印。因此探討3D打印的可持續原料發掘與應用是亟待解決的課題。

“綠色3D打印看起來似乎是一個令人驚訝的研究方向，變廢為寶或許聽起來猶如童話，但這的確是一個值得我們努力實現的想法。3D打印技術給環境帶來希望的同時，事實上也帶來了風險。3D打印技術不可能天生就是綠色環保的技術，我們必須積極努力地打造并改善3D打印技術，如果能夠在開發3D打印技術獨特能力的同時，也開發更綠色環保的打印材料，那么我們將給環境帶來更多益處，產品的供應鏈會縮短，從而形成新一代的優化產品。

三、3D打印時代的審美——機器制造機器

眾所周知，人猿相揖別，是因為古人能夠手工制造工具。今人區別于古人，是因為能夠使用機器制造工具。人類進化至今，一個嶄新的文明標志就是能夠用機器制造機器。從狹義上來講，當前被賦予無限想象力的3D打印機是這種能夠制造機器的機器。而未來，人們將不再花時間起草和測試可能的設計方案。相反，我們將擁有對設計目的、設計約束和設計內容具備較高水準的機器人設計師，而人類設計師只需要定義目標解決方案的參數。未來，設計師、藝術家和建筑師不會被新工具淘汰，而是達到一個嶄新的創作高度。

設計軟件是3D打印的核心，正像基于紙筆的手繪圖一樣。3D打印設計中最大的挑戰是如何使人類設計師和計算機創造性地、完美地協同工作。而這其中至關重要的是，為了更好地發揮3D打印機的生產能力，計算機需要知道如何更好地設計形狀。設計軟件不用語言，而是通過捕捉和追蹤描述物體的數據分析來記錄外部世界。這種以數字化形式描述物體的方式，專業上稱之為“幾何描述”。因此，3D打印的設計工具能否有效直接取決于我們能否創造出針對當前設計問題能夠快速準確地改進幾何表達方式的軟件。同樣，專業設計軟件處理內部幾何表示的方式也決定了軟件控制設計的好壞。3D打印機問世之前，任何有關形狀的復雜構想都只是幻想，理論數學和計算機圖形學的素材。隨著3D打印技術的發展，更多新的設計概念將最終走出虛擬世界進入現實生活中。

結語

我們剝去3D打印技術神話般的外衣，就會發現3D打印實質上是制造業向智能化不斷演進的歷程。當前，信息化與工業化的深度融合為這一進程提供了前所未有的機遇。在這個機遇中，我們除了發掘掌握3D打印技術的開發運用，更應該利用3D打印技術關照自然，營造人類綠色的生存空間。

注釋：

①胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼.3D打印從想象到現實[M].北京：中信出版社，2013.

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

作者單位：河南牧業經濟學院