3D打印技術在室內設計中的應用分析與展望

楊茜婷　周峰越

摘要：為了分析3D技術如何在室內設計中應用，提出這項技術的節能環保的優勢，并指出未來的發展方向和研究意義。通過介紹3D技術，結合實際成功的應用案例，對該技術在室內設計中的應用進行分析。研究表明3D打印技術確實具有綠色環保高效節能的優勢，未來與人工智能結合對室內設計行業有很大的應用價值。3D打印技術是一項環境友好型的新型科技，不僅可以幫助設計師解決室內外產品特殊曲面角度問題，更可以節約人力物力財力，創造出新穎多元化的產品，未來與人工智能結合后可以更加方便，智能地為設計師服務，為更多人提供舒適、自由和人性化的環境空間。

關鍵詞：3D打印技術 室內設計 人工智能

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）08-0140-02

前言

當前人類所面對的最為重要的技術社會變革，就是人工智能的發展，也可以認為是互聯網誕生以來第二次技術社會形態在全球的萌芽，從2017年智能社交機器人Sophia被授予沙特公民開始，Alpha Go戰勝人類圍棋比賽已經成為過去。人工智能（AI）賦予了機器一定的視聽感知和思考能力，不僅會促進生產力的發展，而且也會對經濟與社會的運行方式產生積極作用。在未來幾年內，人工智能和機器人給世界帶來的影響將遠遠超過個人計算和互聯網在過去30年間已經對世界造成的改變。本文主要探討未來3D打印技術與人工智能結合以后，對室內設計領域的影響，以及對未來即將發生在室內設計行業的改變進行大膽的假設和猜想。

一、3D打印技術的概述

（一）定義

3D打印技術（3 Dimensional Printing），是一種以三維數字模型文件為前提基礎，運用多種粉末狀、線狀或液態的金屬、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，最終將計算機上的虛擬三維模型實現實體制造的技術。

（二）3D基本打印類型及對應原材料

1.熔融沉積型（FDM）：FDM（Fused Deposition Modeling），這項3D打印技術于1988年被美國學者Scott Crump研制成功。即利用高溫將材料融化成液態，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，工作方式和傳統的二維噴墨打印最為接近。和選擇性激光燒結型（SLS）工藝相似，3DP技術也是通過將粉末黏結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，而是通過噴頭噴出的黏結劑來完成黏結工作。

3.分層實體制造（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、復合材料或金屬薄板為原料，由激光切割系統按照計算機內的數字化數據，將涂有熱熔膠的材料用激光切割出內外輪廓。

二、3D打印技術在室內設計的應用分析

（一）3D打印技術在室內設計中應用的優勢

近幾年來，3D打印類產品越來越多地出現在大眾視野中，這些產品跳出了原有材料及規整幾何形態的束縛，給予消費者強烈的視覺沖擊感，改變了我們千篇一律的生活居住空間。不僅如此，3D打印技術還具備著傳統制造業沒有的優勢：

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

2.高品質與低耗時：3D打印技術還能做到省時省力的同時保證高質量的產品輸出，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級產品制造的精度要求，尤其是在航空航天、核電等精密儀器制作行業。隨著3D打印逐步多元化，“所印即所需”在未來將會變成現實，無需了解復雜制造工藝和產品加工技能，只需要一臺3D打印機就能實現定制化設計。

（二）3D打印在室內設計中不同打印范圍

1.建筑物打印：3D建筑打印是利用工業機器人通過逐層累積最終形成一個自由形式的建筑結構成品的新興技術。其構成和傳統打印機基本一樣，都是由控制系統、機械系統、打印噴頭、建筑打印材料組成的。根據電腦上設計的完整三圍模型數據，通過運行程序將材料分層打印輸出并疊加，最終將計算機上的三維模型變成建筑實物。以往的3D打印技術只能進行打印，無法自動識別難點，進行糾錯分析，但是現在最新的科技已經將3D建筑打印技術和人工智能相結合，使機器能像人類一樣“自主”打印并“發現錯誤”和“糾正錯誤”，AI Build公司就是這方面的創新者。

2016年10月，AI Build公司創建了一個長“眼睛”的人工智能3D打印機器人，如圖1所示。這個機器人打印出一個長寬各5米，高4.5米的建筑結構，建筑名稱叫作Daedalus亭，其體積大到足以容納幾個咖啡桌，造型優美而充滿科幻感，如圖2所示。而且這個機器可以自己監測打印過程，并自行進行錯誤糾正。AI Build的創始人認為，“一方面，我們擁有全自動化的生產管道，另一方面，我們卻要完全依賴人類勞動力。”坎姆認為如果打印技術變得更高效，這個問題可以解決，“我們想要根除障礙，利用計算機設計某些產品，然后通過3D打印的方式制造它們。”

AI Build公司通過三個方面的創新，改變了傳統3D打印昂貴耗時的缺點，增加了打印的精度和范圍。首先，研發團隊將3D打印頭綁在KUKA機器人的機械臂上，同時利用編程控制機械臂，從而完成一些復雜部分的打印。其次，團隊采用了他們采用了網格狀的疊層式設計，這樣便能在耗材較少情況下，保證支撐結構的穩固，從而降低打印成本和時間。最后，cam和他的團隊在機器人身上加裝了攝像頭，并使用NVIDIA GPU計算平臺來運行視覺學習算法和計算機深度，來分析3D打印對象的結構。Cam表示：“我們的目標是，在現實環境和數字環境中打造一個有效的反饋回路。”從成功的案例不難看出，3D打印技術可以完成建筑外部及內部梁柱等支撐結構的打印，這為設計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.室內家具打印：建筑事務所DUS是建筑3D打印的專家，目前，DUS設計的定制家具將3D打印與新舊材料相結合，配合傳統工藝，從而帶來擁有全新功能和觸覺體驗的家具。“景觀”桌這個設計將3D打印的結構與環氧樹脂結合，形成了從半透明桌面偶然浮現的立體波紋景觀，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年成立于德國的設計工作室，世界各地的博物館都有他們的作品收藏。Gernot和Jan善于用3D設計結合有機造型，給予產品美好的邏輯語言，實現完美工藝和人機工學。數學方法計算的分形模式被Fractal.MGX用來模擬家具設計，通過讓相似地方不斷復制，實現有機生長。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。整個設計高度復雜又條理清晰，是過去的制造技術難以做到的。另外，3D打印技術對于傳統家具修復還原、對于設計師在此基礎上進行現代家具的創新和文化的傳承有重大的實踐指導意義。

3.室內裝飾品打印：3D打印技術可以幫助設計師解決家居裝飾產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，應用廣泛，而且擁有良好的光澤性和透明度及良好的抗拉強度及延展度，如圖4所示。還有陶瓷材料可以利用3D打印技術，應用在炊具、餐具（杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊）和燭臺、瓷磚、藝術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、無毒但是強度不高，如圖5。

三、3D打印技術未來發展前景

從整體建筑方面來看，隨著技術和市場的成熟，3D打印可能會變成現在建筑技術的狀態，如預制一承包商可根據需要從專業分包商那里獲得，或者重點可能落在專門的設備上，承包商可以從設備供應商租用或租賃。未來，3D打印技術將會結合人工智能，使得打印機不僅能夠“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的創始人和CEO Daghan Cam提出的最終愿景是解決現階段3D打印技術小規模生產和大規模工程建設間存在脫節現象，把人工智能引入建造環境來徹底改變建筑業。從局部室內空間來看，未來設計師可以利用機器人恨據圖紙方案和設計意圖自主建造房屋復雜的結構，家具、地板、墻面以及陳設品的室內裝飾產品設計，創造出更加新穎獨特的定制化陳設產品，做到設計過程省時、省力和省材，高效率、高精度和高環保，讓每個人都能擁有高品質的生活家居。

而且現在還有了“云分享”平臺，是依托互聯網各個終端的用戶為一個數據庫云，在將來設計師們可以用一種共同的方式將自己的設計資源上傳到“云分享”，利用各種設計視頻、音頻、圖片、文字與他人互動，真正實現設計的全球化。而且作為數據庫云一端的用戶不用擔心網絡安全問題，他所提供的分享資源通過某一協議具有保護的作用。值得注意的是，云端分享需要考慮保障消費者權益責任和設計師的設計產權不受到侵犯等問題。

總結

現階段，綠色建筑與室內設計中材料的環保性被設計師和消費者廣泛的關注，3D打印技術的發展能夠從原材料開始就做到綠色環保，這是在傳統的家居制造業中不能實現的。3D打印技術以其環保高效，省時省力的工作特點，一定能夠在未來引起一場室內設計的創新革命。設計師應合理利用原材料，結合3D打印原理，創造出更多元化的室外建筑構件和室內家具裝飾作品，實現室內設計綠色環保、可持續的發展。