打印时代的绿色设计造物理念

摘 要：3D打印技术作为一种新型技术进入社会公众的视野，促使更多新的设计概念将走出虚拟世界进入现实生活，探讨3D打印技术的绿色理念，以及如何利用3D打印技术的独特优势实现设计造物的绿色创造。

关键字：3D打印技术 生态理念 设计造物 艺术创作

在过去的几年时间里，3D打印业界进入了高度活跃期，与3D打印相关的新闻和概念频频出现在公众视野中。3D（Three Dimensions）打印是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术，它将信息、材料、生物、控制技术融合渗透，将对未来制造业生产模式与人类生活方式产生重大影响。①

一、3D打印——设计造物的新纪元

大部分西方的设计历史记录都把自然和科技看成极性。自然之力是随性且不可预知的，是一种被驯服的力。设计就是从自然的混沌中进行创作的过程，将人类理性的标记印刻到原材料上。几十年前，现代建筑就包含有机和自然启发的形状。然而，并不是每一个人都同意建筑师应扮演的创意角色，将引导和协调基于生物算法的应用当成一个设计问题。这就是生成设计之所以引起争议和破裂的原因。

计算机生成的三维分形艺术已经存在了几十年，但是直到最近仍只存在于虚拟世界中。设计师们多年以来都在使用常规软件进行设计。有机设计作为一种新模式方兴未艾，3D打印技术实现了把复杂抽象的模型从虚拟世界中转化到现实世界中。随着3D打印将数学模型和自然规律从抽象的束缚中解放出来，各种以前无法实现的设计正逐步一一呈现出来。

1.计算机如同大自然的造物者

大自然的制造过程是重复的。所有的生物，从一株植物到人类胚胎，通常都是从一个简单的生殖细胞或种子开始，遵从一套相对稳定的发展“规律”重复进行。由算法或公式产生的图形通过人为的方式产生多种变化。利用数据和算法的结合，设计师们可以创造出多种二维和三维的形状和图案。一些算法可以生成分支结构，一些可以生成曲面形状，设计师通过计算机的计算能力、数据和3D打印技术来呈现这一进化过程。设计师能够使一套设计规则自动运行并监测由此产生的形状，使其展开成为一个模式。同时，设计师还能够应用相同的规律多次重复设计过程。设计师还可以改变设计规则，选择那些能够生成更好外观或是更有趣图形的设计规则。新技术的发展使设计师、艺术家和建筑师的水平和设计理念均获得提升。

2.蔓延至日常生活的各个角落

3D打印技术的运用已不再为设计师和科学家所专属，它已从实验室和工厂逐渐走出来，并且走入学校和家庭，与我们每个普通人的生活休戚相关。3D打印的衣服和鞋子已经多次出现在全球时装展。3D打印的饼干和蛋糕已经成为一些家庭餐桌上受欢迎的小点心。3D打印的咖啡桌和个性家具颇受年轻人喜爱，3D打印技术在交通工具的设计中也频频出现。目前，3D技术正逐步从打印物体外形过渡到打印物体结构，再到可以打印物体的高级功能与行为的阶段。由此，我们相信，在不远的将来3D打印技术在生活中随处可见。

二、3D打印的绿色理念——让制造业不再有污染

3D打印技术为我们提供了一种更清洁、更环保的产品制造方法。没有一项技术天生就是环保的，重要的是如何使用它。能否实现更绿色环保的制造关键在于能否全面开发3D打印独有的制造能力。3D打印技术具有如下取代大规模生产制造的潜力：其一3D打印机制造出的产品外形能够根据应用或环境进行优化；其二储存随时可以打印的设计图纸或者数字化的产品清单更经济环保；其三分布式的3D打印制造可以使各公司就近进行本地生产；其四3D打印技术还可以进一步开发其潜力，使用可回收利用的或环保的打印材料进行生产。

1.低碳制造

在制造业里，低碳意味着“低碳排放”，一种更有效节能的设计生产方法。制造过程仅仅是设计创作过程的一部分，垃圾是大规模生产对环境造成的另一种灾难性副作用。低碳制造意味着降低整个产品生命周期内的碳足迹，包括从产品设计到产品生产、部件组装、运输分配以及最终的报废处理。诺丁堡大学教授理查德？黑格和几位同事对3D打印与传统制造所留下的碳足迹进行了深入的对比研究，结果较为复杂，但总体而言3D打印制造对环境的益处是微妙的，其中至关重要的是设计优化。这种设计的优化不单单是指原材料本身的再造，而是贯穿于设计过程始终的对于生态环境的全面关照。

2.清洁的制造过程

由于3D打印独特的制造工艺，能够通过一次打印完成产品的生产。如果未来的制造商能够打印经过设计优化而简化组装过程的零部件，那么就可以降低对环境的污染。如果能够利用3D打印的独特能力，那么就可以使制造过程清洁化。传统制造过程是通过全球供应链来运作的，原料被运到工厂，然后再到流水线，最后到达消费者手中。我们的生活历来是以这种全球供应链的流通方式为主的。生活中我们购买、消费以及最终丢弃的每个大规模生产线的产品，几乎都是这一漫长而曲折的全球供应链的产品。由于工业运输队伍（卡车、轮船、飞机）燃烧燃料会产生大量排放物，供应链的碳排放量惊人。而存储未销售和未使用的库存产品仓库需要进行照明，加热或冷却，该过程消耗电能。以数字化库存代替实际库存将会使供应链更加绿色环保。实际库存货物不仅需要运输，而且在等待销售的过程中也占用了大量的货架空间。相反，3D打印的数字化库存或设计图纸成本相对较低，且易于储存和运输，也使得设计造物的过程变得简洁而环保。

3.优化设计资源

计算机生成的设计创造了新的产品类型，减重就是一种能显著降低产品碳足迹的方法。产品优化的形式多种多样，由于是专门针对周围环境设计的，所以一个巧妙设计的零部件可以使用更长时间，也更能节约能源。另一种优化产品的方法就是尽量减少零部件，最好做成一个整体。生产制造的一般经验法则就是：一个产品的零部件越多，它消耗的资源就越多；一个产品需要组装的零部件越多，产品的供应链就越长，产品的库存就越大。由于3D打印独特的制造工艺，所以能够通过一次打印完成产品的生产。如果未来的制造商能够打印经过设计优化而简化组装过程的零部件，那么就可以降低对环境的污染。一条现代化流水线制造过程需要运输或装配的零部件将有所减少。

4.变废为宝

3D打印的开创者和预言家乔瑞斯？皮尔斯指出，“如果我们继续按照现在的全球消费率消耗和丢弃物品，我们将会在自己丢弃的废物里窒息”。②就环保而言，3D打印船（如图1）是一项令人振奋的项目，因为它证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，这是一种广泛应用的，可回收利用的石油热塑性塑料。可回收塑料是一个好的开始，想要利用3D打印技术改善生活，我们需要想方设法利用废弃产品、食物副产品、可循环利用的玻璃和沙子，甚至泥土进行3D打印。因此探讨3D打印的可持续原料发掘与应用是亟待解决的课题。

“绿色3D打印看起来似乎是一个令人惊讶的研究方向，变废为宝或许听起来犹如童话，但这的确是一个值得我们努力实现的想法。3D打印技术给环境带来希望的同时，事实上也带来了风险。3D打印技术不可能天生就是绿色环保的技术，我们必须积极努力地打造并改善3D打印技术，如果能够在开发3D打印技术独特能力的同时，也开发更绿色环保的打印材料，那么我们将给环境带来更多益处，产品的供应链会缩短，从而形成新一代的优化产品。

三、3D打印时代的审美——机器制造机器

众所周知，人猿相揖别，是因为古人能够手工制造工具。今人区别于古人，是因为能够使用机器制造工具。人类进化至今，一个崭新的文明标志就是能够用机器制造机器。从狭义上来讲，当前被赋予无限想象力的3D打印机是这种能够制造机器的机器。而未来，人们将不再花时间起草和测试可能的设计方案。相反，我们将拥有对设计目的、设计约束和设计内容具备较高水准的机器人设计师，而人类设计师只需要定义目标解决方案的参数。未来，设计师、艺术家和建筑师不会被新工具淘汰，而是达到一个崭新的创作高度。

设计软件是3D打印的核心，正像基于纸笔的手绘图一样。3D打印设计中最大的挑战是如何使人类设计师和计算机创造性地、完美地协同工作。而这其中至关重要的是，为了更好地发挥3D打印机的生产能力，计算机需要知道如何更好地设计形状。设计软件不用语言，而是通过捕捉和追踪描述物体的数据分析来记录外部世界。这种以数字化形式描述物体的方式，专业上称之为“几何描述”。因此，3D打印的设计工具能否有效直接取决于我们能否创造出针对当前设计问题能够快速准确地改进几何表达方式的软件。同样，专业设计软件处理内部几何表示的方式也决定了软件控制设计的好坏。3D打印机问世之前，任何有关形状的复杂构想都只是幻想，理论数学和计算机图形学的素材。随着3D打印技术的发展，更多新的设计概念将最终走出虚拟世界进入现实生活中。

结语

我们剥去3D打印技术神话般的外衣，就会发现3D打印实质上是制造业向智能化不断演进的历程。当前，信息化与工业化的深度融合为这一进程提供了前所未有的机遇。在这个机遇中，我们除了发掘掌握3D打印技术的开发运用，更应该利用3D打印技术关照自然，营造人类绿色的生存空间。

注释：

①胡迪·利普森，梅尔芭·库曼.3D打印从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.

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

作者单位：河南牧业经济学院

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