可以吃、穿、用的墨水：你所不知道的3D世界

科学出版社 2016-05-30

　　什么是3D打印？所谓3D打印是“快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)”或者“增材制造（Additive Manufacturing，AM）”的俗称。与传统的“减材制造”技术不同，3D打印技术是一种不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状物件的制造技术。它是根据零件或物体的三维模型数据，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光或紫外光或热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料以及细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实物模型。3D打印技术可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计模型转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短加工周期、提高产品质量并减少约50%制造费用。

　　3D打印技术在文化创意设计领域的应用

　　饰品和服饰

　　现代饰品丰富多彩，琳琅满目。饰品分类的标准很多，但最主要的不外乎按材料、工艺手段、用途、装饰部位等来划分。按材料可分为金属和非金属类，按用途可分为流行饰品和艺术饰品类等等。

　　3D打印技术的不断发展使其在饰品类的应用也越来越广泛，尤其是在珠宝首饰设计领域。这种不同于以往纯手工艺制作的生产模式，给传统手工艺创作注入了新鲜血液，焕发出新的活力。

　　那么是怎样通过3D打印实现首饰创意开发的呢？

　　首先，设计师根据自己的创意灵感绘制设计作品效果图，主要以手绘图以及电脑绘图为主，根据宝石的大小，材质的颜色，部件的连接等具体绘制，尺寸比例尽可能1：1绘制，有些特征细节、微小部分结构以及特别连接方式需附加一些结构放大图或者匹配相应的文字对其进一步说明（图1）。

　　图1　设计师手绘图

　　其次，根据设计师的具体图稿，专业首饰制作师会在电脑上建造立体模型，通过与设计师互相交流，对稿件整体造型进行修整和完善，以求使作品完美表现出设计师的设计意图（图2）。同时，制作师还需对稿件3D打印后所产生的效果，贵金属余量的控制，浇铸成品的好坏等进行一定范围的预判。

　　图2　CAD图

　　再次，将首饰的三维数据输入到3D 打印机，进行产品打印。就国内而言，首饰打印的材料主要是蜡和光敏树脂，经过一段时间的等待，一件高精度3D打印的模型就呈现在眼前。设计师还可根据蜡样效果对设计图稿重新调整和修改，进行重新打印。图3为3D打印的饰品成品图。

　　图3　3D打印成品图

　　第四步，将3D打印出来的模型进行植模、浇铸、倒模等一系列工序后，制作成黄金、铂金、白银等不同材质的半成品（图4）。

　　图4　浇铸及半成品

　　最后一步，经过手工修模，打磨，抛光，电镀，镶嵌等一系列工艺手段制作成成品。图5是饰品成品图。

　　图5　成品图

　　经过这一系列工序，呈现在大家面前的是一件融合3D打印技术与艺术，传达设计师创意理念的作品，既精到又耐人寻味。并针对其作品在市场销售以及反馈情况，对其进行一系列的衍生品开发。

　　在前期建模方面，除了在珠宝设计以及工业设计领域被广泛应用的Rhino外，目前有三大主流软件在珠宝首饰产业中应用，它们分别是法国公司Vision mumeric所研发的3Design软件、美国公司Gemvision所研发的Matrix软件，以及香港公司所研发的Jewel CAD软件。这几种软件由于其软件开发、设计都有其各自的目的性及思维，而且针对性强，特色各异，各有其优劣。单就现今国内市场来看，在珠宝制作方面应用Jewel CAD以及Rhino相对较多，Matrix也有一定应用，还有一些比如珠宝软件3Design、3D 触觉式设计系统FreeForm、专业雕刻软件JDpaint、Artform等软件配套使用。

　　在2013上海首饰新锐设计大赛上，针对“摺”这一设计主题，《Cleopatra’s EYES》（埃及艳后之眼）作品结合3D打印技术，呈现出高贵的气质（图6）。作品通过三角对称的奇特形式，立体炫丽颜色和内壁精致的古埃及壁画浮雕，形成一种时间和空间维度，暖色系（热情，张扬）与冷色系（隽秀，冷艳）之间的强烈对比，呈现出超凡脱俗的个性魅力。

　　图6　Cleopatra‘s EYES

　　3D打印技术不但在珠宝首饰方面得以运用，在礼品设计方面也有所突破，针对3D打印的优势开发出与众不同的作品，真正将产品的设计理念、精细化程度，技术手段发挥到极致。图7是珠宝首饰业龙头企业老凤祥结合3D打印技术开发的精致礼品和建筑微缩模型。

　　图7　结合3D打印技术开发的精致礼品和建筑微缩模型

　　此外，自从3D打印技术在各个领域的运用范围不断扩大，个性化、定制化的生产模式逐渐显现，在服饰上也有很广泛应用。服饰，指衣裳服饰，今泛指身上穿的各种衣裳服装及饰品搭配，统称服饰。其中服饰包括：服装、鞋、帽、袜子、手套、围巾、领带、提包、阳伞以及发饰等等。近来，3D技术在服装行业频繁闪现，无论是在巴黎时装周上3D打印机制作的服饰，还是在鞋类的3D立体技术应用，3D技术已经渐渐“入席”鞋服行业。

　　图8是著名建筑师Francis Bitoni和服装设计师Michael Schmidt共同设计了全球首款3D打印裙装。这件完全根据客户的身材比例定制的裙装上镶嵌有13万颗施华洛世奇水晶，主要部分有17个独立结构，近3000个定制的铰链结构组成。整件衣服共花费了3个多月的时间才制作完成。

　　图8　全球首款3D打印裙装

　　美国圣地亚哥的一个初创企业feetZ准备使用3D打印技术为消费者定制鞋子。他们致力于为用户定制独一无二的鞋子，将消费者脚部的数字模型与个性化的鞋子设计相结合，最终用3D打印技术完成成品定制，如图9所示。feetZ制出的每一双鞋都独一无二的，用户只需要从不同角度拍摄3张自己每只脚的照片发送给FeetZ，然后FeetZ使用专业的软件将用户传来的图像转换成电脑三维数据模型，并由专业的设计团队进行修整，利用新型材料和3D打印技术，制造出一双牌子为SizeMe的鞋。3D打印的鞋子可以将定制化做到极致。另外，feetZ也为用户设计一些鞋子的样式和颜色供其挑选。

　　Nike发布全球第一双3D打印跑鞋Vapor Laser Talon Cleat，New Balance也发布了品牌第一双3D打印技术跑鞋，这款跑鞋在研发时融合了生物力学、动作捕捉、高速摄影等技术以保证提供良好的速度提升、平衡感和敏捷性，如图10所示。

　　图9　feetZ为消费者定制的鞋

　　图10　New Balance发布的跑鞋

　　考古与文物保护

　　博物馆内的文物具有很高的历史价值，文化价值以及科学价值。为了防止其受到损害，通常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时这些复制品也能将艺术或文物广泛普及而影响更多的人。虽然受法律的保护，一些作品不能随意复制，但真正让文物能够传承和发展，3D打印技术无疑是一条最有效的途径之一，在考古、文物保护以及修复领域发挥了重要作用。

　　来自加州的Fathom工作室的设计师，联手其他来自旧金山的当地公司来重建了著名的圣母怜子雕塑等米开朗基罗的一系列作品，用艺术的形式保护文艺复兴时期时大师级的作品。米开朗基罗的作品完美的限量版复制品正在世界各地被重建。合作制作的公司还有金属铸造公司Artworks Foundry和3D扫描公司Scansite，这几家公司发挥各自的特长，将创造有史以来完成最先进的复制项目。3D扫描和3D打印的技术组合重现经典，让世界瞩目，比传统制作方式更准确、更具可持续性。（图11）

　　图11　米开朗基罗的作品

　　建筑

　　3D打印建筑是通过3D打印技术建造起来的建筑物，由一个巨型的三维挤出机械构成，挤压头上使用齿轮传动装置来为房屋创建基础和墙壁，直接制造出建筑物。3D打印建筑可以大大降低了制造的门槛和时间周期，同时也能够更好地满足消费者个性化、定制化的需求。建筑设计师设计的任何复杂的、高难度的、传统制造方式不能或者不易生产的产品，利用3D打印都可以轻松地打印出来。

　　世界上首座打印建筑由荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars提出并打印完成，他受莫比乌斯环的启发，将房屋设计成自环绕式，房屋的内壁面能够扭转成外壁面和拱背。该设计由Ruijssenaars和美术家、数学家、RinusRoelofs共同创作完成，并与D-Shape 3D打印机创始人、意大利发明家恩里克·迪尼（Enrico Dini）合作，利用3D打印机逐块打印出来，这些模块由沙子和无机粘结剂组成，每一块框架模块的尺寸达到了6米×9米，使用钢纤维混凝土填充，然后拼接成一个整体建筑。因其造型类似莫比乌斯环的外形与风景一样都能予人柔顺、流畅的感官享受，得名为Landscape House（风景屋）。图12为打印的建筑图。

　　图12　首座打印建筑Landscape House（风景屋）

　　上海盈创装饰设计工程有限公司已经完成了目前全球最高的3D打印建筑，一栋5层高的住宅楼，以及全球首个3D打印的别墅，该别墅建筑面积达1100平米，如图13所示。建筑的墙体由大型3D打印机喷绘而成，呈现出年轮蛋糕般的螺纹结构，而打印使用的“油墨”则用回收的建筑垃圾、玻璃纤维和水泥的混合物制成的。采用3D打印机打印建筑也使得生产效率成倍提高，甚至同时可以在生产过程中降低30％-70％的能耗，节约人工成本以及缩短工期。这种在提高生产效率，降低能耗，不影响质量的同时，也使得建筑施工变得干净、紧凑、环保。

　　图13　3D打印别墅

　　食品领域

　　3D食物打印机，是一款将食物“打印”出来的机器。它使用的并不是传统意义上的墨盒，而是把食物的材料和配料预先放入容器内，再输入食谱，直接打印即可，余下的烹制程序也会由它去做，输出来的不是一张又一张的文件，而是真正可以吃下肚的食物。它采用的是一种全新的电子蓝图系统，不仅方便打印食物，同时也可以帮助人们根据自己的需求，设计出不同样式，不同种类的食物。打印机所使用的“墨水”均为可食用性的原料，如巧克力汁、面糊、奶酪等等。在电脑上画好食物的样式图并配好原料，电子蓝图系统便会显示出打印机的操作步骤，完成食物的整个打印过程，方便快捷。

　　3D食物打印机具备很多优点：让厨师开发出更多的新菜品，制作个性美食，满足不同消费者的需求。打印机的“墨水”由于是液化的原材料，能够得到很好地保存。可以根据自己的口味，爱好，需要营养的摄取对食谱做不同程度的调整，按照自己的需求打印相对应的食物。还可随心所欲“打印”出不同形态的食物，简化食物的制作过程，同时能够制作出更加营养、健康而且有趣地食品。打印机制作食物可以大幅缩减从原材料到成品的环节，从而避免食物加工、运输、包装等环节的不利影响。

　　2015年4月21日，第一届3D食品打印大会在荷兰举行。图14所示为部分打印出的食品。