可以吃、穿、用的墨水：你所不知道的3D世界
什么是3D打印？所謂3D打印是“快速成型技術(Rapid?Prototyping，RP)”或者“增材制造（Additive?Manufacturing，AM）”的俗稱。與傳統的“減材制造”技術不同，3D打印技術是一種不再需要傳統的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀物件的制造技術。它是根據零件或物體的三維模型數據，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光或紫外光或熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料以及細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實物模型。3D打印技術可以自動、快速、直接和精確地將計算機中的設計模型轉化為實物模型，甚至直接制造零件或模具，從而有效地縮短加工周期、提高產品質量并減少約50%制造費用。
3D打印技術在文化創意設計領域的應用
飾品和服飾
現代飾品豐富多彩，琳瑯滿目。飾品分類的標準很多，但最主要的不外乎按材料、工藝手段、用途、裝飾部位等來劃分。按材料可分為金屬和非金屬類，按用途可分為流行飾品和藝術飾品類等等。
3D打印技術的不斷發展使其在飾品類的應用也越來越廣泛，尤其是在珠寶首飾設計領域。這種不同于以往純手工藝制作的生產模式，給傳統手工藝創作注入了新鮮血液，煥發出新的活力。
那么是怎樣通過3D打印實現首飾創意開發的呢？
首先，設計師根據自己的創意靈感繪制設計作品效果圖，主要以手繪圖以及電腦繪圖為主，根據寶石的大小，材質的顏色，部件的連接等具體繪制，尺寸比例盡可能1：1繪制，有些特征細節、微小部分結構以及特別連接方式需附加一些結構放大圖或者匹配相應的文字對其進一步說明（圖1）。
圖1 設計師手繪圖
其次，根據設計師的具體圖稿，專業首飾制作師會在電腦上建造立體模型，通過與設計師互相交流，對稿件整體造型進行修整和完善，以求使作品完美表現出設計師的設計意圖（圖2）。同時，制作師還需對稿件3D打印后所產生的效果，貴金屬余量的控制，澆鑄成品的好壞等進行一定范圍的預判。
圖2 CAD圖
再次，將首飾的三維數據輸入到3D打印機，進行產品打印。就國內而言，首飾打印的材料主要是蠟和光敏樹脂，經過一段時間的等待，一件高精度3D打印的模型就呈現在眼前。設計師還可根據蠟樣效果對設計圖稿重新調整和修改，進行重新打印。圖3為3D打印的飾品成品圖。
圖3 3D打印成品圖
第四步，將3D打印出來的模型進行植模、澆鑄、倒模等一系列工序后，制作成黃金、鉑金、白銀等不同材質的半成品（圖4）。
圖4 澆鑄及半成品
最后一步，經過手工修模，打磨，拋光，電鍍，鑲嵌等一系列工藝手段制作成成品。圖5是飾品成品圖。
圖5 成品圖
經過這一系列工序，呈現在大家面前的是一件融合3D打印技術與藝術，傳達設計師創意理念的作品，既精到又耐人尋味。并針對其作品在市場銷售以及反饋情況，對其進行一系列的衍生品開發。
在前期建模方面，除了在珠寶設計以及工業設計領域被廣泛應用的Rhino外，目前有三大主流軟件在珠寶首飾產業中應用，它們分別是法國公司Vision?mumeric所研發的3Design軟件、美國公司Gemvision所研發的Matrix軟件，以及香港公司所研發的Jewel?CAD軟件。這幾種軟件由于其軟件開發、設計都有其各自的目的性及思維，而且針對性強，特色各異，各有其優劣。單就現今國內市場來看，在珠寶制作方面應用Jewel?CAD以及Rhino相對較多，Matrix也有一定應用，還有一些比如珠寶軟件3Design、3D?觸覺式設計系統FreeForm、專業雕刻軟件JDpaint、Artform等軟件配套使用。
在2013上海首飾新銳設計大賽上，針對“摺”這一設計主題,《Cleopatra’s?EYES》（埃及艷后之眼）作品結合3D打印技術，呈現出高貴的氣質（圖6）。作品通過三角對稱的奇特形式，立體炫麗顏色和內壁精致的古埃及壁畫浮雕，形成一種時間和空間維度，暖色系（熱情，張揚）與冷色系（雋秀，冷艷）之間的強烈對比，呈現出超凡脫俗的個性魅力。
圖6 Cleopatra’s EYES
3D打印技術不但在珠寶首飾方面得以運用，在禮品設計方面也有所突破，針對3D打印的優勢開發出與眾不同的作品，真正將產品的設計理念、精細化程度，技術手段發揮到極致。圖7是珠寶首飾業龍頭企業老鳳祥結合3D打印技術開發的精致禮品和建筑微縮模型。
圖7 結合3D打印技術開發的精致禮品和建筑微縮模型
此外，自從3D打印技術在各個領域的運用范圍不斷擴大，個性化、定制化的生產模式逐漸顯現，在服飾上也有很廣泛應用。服飾，指衣裳服飾，今泛指身上穿的各種衣裳服裝及飾品搭配，統稱服飾。其中服飾包括：服裝、鞋、帽、襪子、手套、圍巾、領帶、提包、陽傘以及發飾等等。近來，3D技術在服裝行業頻繁閃現，無論是在巴黎時裝周上3D打印機制作的服飾，還是在鞋類的3D立體技術應用，3D技術已經漸漸“入席”鞋服行業。
圖8是著名建筑師Francis?Bitoni和服裝設計師Michael?Schmidt共同設計了全球首款3D打印裙裝。這件完全根據客戶的身材比例定制的裙裝上鑲嵌有13萬顆施華洛世奇水晶，主要部分有17個獨立結構，近3000個定制的鉸鏈結構組成。整件衣服共花費了3個多月的時間才制作完成。
圖8 全球首款3D打印裙裝
美國圣地亞哥的一個初創企業feetZ準備使用3D打印技術為消費者定制鞋子。他們致力于為用戶定制獨一無二的鞋子，將消費者腳部的數字模型與個性化的鞋子設計相結合，最終用3D打印技術完成成品定制，如圖9所示。feetZ制出的每一雙鞋都獨一無二的，用戶只需要從不同角度拍攝3張自己每只腳的照片發送給FeetZ，然后FeetZ使用專業的軟件將用戶傳來的圖像轉換成電腦三維數據模型，并由專業的設計團隊進行修整，利用新型材料和3D打印技術，制造出一雙牌子為SizeMe的鞋。3D打印的鞋子可以將定制化做到極致。另外，feetZ也為用戶設計一些鞋子的樣式和顏色供其挑選。
Nike發布全球第一雙3D打印跑鞋Vapor?Laser?Talon?Cleat，New?Balance也發布了品牌第一雙3D打印技術跑鞋，這款跑鞋在研發時融合了生物力學、動作捕捉、高速攝影等技術以保證提供良好的速度提升、平衡感和敏捷性，如圖10所示。
圖9 feetZ為消費者定制的鞋
圖10 New Balance發布的跑鞋
考古與文物保護
博物館內的文物具有很高的歷史價值，文化價值以及科學價值。為了防止其受到損害，通常會用很多復雜的替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害，同時這些復制品也能將藝術或文物廣泛普及而影響更多的人。雖然受法律的保護，一些作品不能隨意復制，但真正讓文物能夠傳承和發展，3D打印技術無疑是一條最有效的途徑之一，在考古、文物保護以及修復領域發揮了重要作用。
來自加州的Fathom工作室的設計師，聯手其他來自舊金山的當地公司來重建了著名的圣母憐子雕塑等米開朗基羅的一系列作品，用藝術的形式保護文藝復興時期時大師級的作品。米開朗基羅的作品完美的限量版復制品正在世界各地被重建。合作制作的公司還有金屬鑄造公司Artworks?Foundry和3D掃描公司Scansite，這幾家公司發揮各自的特長，將創造有史以來完成最先進的復制項目。3D掃描和3D打印的技術組合重現經典，讓世界矚目，比傳統制作方式更準確、更具可持續性。（圖11）
圖11 米開朗基羅的作品
建筑
3D打印建筑是通過3D打印技術建造起來的建筑物，由一個巨型的三維擠出機械構成，擠壓頭上使用齒輪傳動裝置來為房屋創建基礎和墻壁，直接制造出建筑物。3D打印建筑可以大大降低了制造的門檻和時間周期，同時也能夠更好地滿足消費者個性化、定制化的需求。建筑設計師設計的任何復雜的、高難度的、傳統制造方式不能或者不易生產的產品，利用3D打印都可以輕松地打印出來。
世界上首座打印建筑由荷蘭建筑師Janjaap?Ruijssenaars提出并打印完成，他受莫比烏斯環的啟發，將房屋設計成自環繞式，房屋的內壁面能夠扭轉成外壁面和拱背。該設計由Ruijssenaars和美術家、數學家、RinusRoelofs共同創作完成，并與D-Shape?3D打印機創始人、意大利發明家恩里克·迪尼（Enrico?Dini）合作，利用3D打印機逐塊打印出來，這些模塊由沙子和無機粘結劑組成，每一塊框架模塊的尺寸達到了6米×9米，使用鋼纖維混凝土填充，然后拼接成一個整體建筑。因其造型類似莫比烏斯環的外形與風景一樣都能予人柔順、流暢的感官享受，得名為Landscape?House（風景屋）。圖12為打印的建筑圖。?
圖12 首座打印建筑Landscape House（風景屋）
上海盈創裝飾設計工程有限公司已經完成了目前全球最高的3D打印建筑，一棟5層高的住宅樓，以及全球首個3D打印的別墅，該別墅建筑面積達1100平米，如圖13所示。建筑的墻體由大型3D打印機噴繪而成，呈現出年輪蛋糕般的螺紋結構，而打印使用的“油墨”則用回收的建筑垃圾、玻璃纖維和水泥的混合物制成的。采用3D打印機打印建筑也使得生產效率成倍提高，甚至同時可以在生產過程中降低30％-70％的能耗，節約人工成本以及縮短工期。這種在提高生產效率，降低能耗，不影響質量的同時，也使得建筑施工變得干凈、緊湊、環保。
圖13 3D打印別墅
食品領域
3D食物打印機，是一款將食物“打印”出來的機器。它使用的并不是傳統意義上的墨盒，而是把食物的材料和配料預先放入容器內，再輸入食譜，直接打印即可，余下的烹制程序也會由它去做，輸出來的不是一張又一張的文件，而是真正可以吃下肚的食物。它采用的是一種全新的電子藍圖系統，不僅方便打印食物，同時也可以幫助人們根據自己的需求，設計出不同樣式，不同種類的食物。打印機所使用的“墨水”均為可食用性的原料，如巧克力汁、面糊、奶酪等等。在電腦上畫好食物的樣式圖并配好原料，電子藍圖系統便會顯示出打印機的操作步驟，完成食物的整個打印過程，方便快捷。
3D食物打印機具備很多優點：讓廚師開發出更多的新菜品，制作個性美食，滿足不同消費者的需求。打印機的“墨水”由于是液化的原材料，能夠得到很好地保存。可以根據自己的口味，愛好，需要營養的攝取對食譜做不同程度的調整，按照自己的需求打印相對應的食物。還可隨心所欲“打印”出不同形態的食物，簡化食物的制作過程，同時能夠制作出更加營養、健康而且有趣地食品。打印機制作食物可以大幅縮減從原材料到成品的環節，從而避免食物加工、運輸、包裝等環節的不利影響。
2015年4月21日，第一屆3D食品打印大會在荷蘭舉行。圖14所示為部分打印出的食品。
圖14 各式各樣的3D打印美食
總的來說，3D打印在文化創意產業領域的應用才剛剛起步，仍有很大的發展空間，也有很多問題需要解決和改進，但相信在不久的將來，隨著科技發展，3D打印技術能真正融入到我們生活中的各個方面。
本文摘編自周偉民、閔國全編《3D打印技術》（2016年5月，第一版），內容略有刪節改動。
近年來，3D打印技術發展迅猛，在全球掀起一股新浪潮。《3D打印技術》系統地介紹了3D打印技術的發展史、主流打印技術、相關工藝、打印耗材、裝備商、服務商及應用領域等。
全書共10章，第1章闡述了3D打印技術的研究現狀；第2章介紹了3D打印前處理工藝，即3D建模與數據處理；第3章主要介紹了目前幾種主流的3D打印技術（SLA、SLS、FDM、3DP、DLP、LOM等）；第4章介紹了國內外知名的3D打印裝備商；第5章介紹了3D打印材料特點；第6章介紹了國內外知名3D打印服務公司和網站；第7-10章分別闡述了3D打印技術在醫學、航空航天、汽車家電以及文化創意領域的應用。
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