浅谈三维打印技术在数字艺术创作中的优势

文 刘中远

浅谈三维打印技术在数字艺术创作中的优势

文 刘中远

A Brief Discussion on Advantages of Three-Dimensional Printing in Digital Artistic Creation

三维打印技术虽然已经存在了三十多年，但直到近期才成为倍受关注的焦点。短短的几年时间内，三维打印在美术与设计领域已经有很多应用，并取得了丰富的成果。本文作者从参与北京VULCAN装置的创作实践出发，分析三维打印在艺术领域如何同数字设计相结合，系统地介入整个创作和生产过程。也就是说：三维打印的技术性优势为艺术创作与设计方案提供合理的后期解决方案的同时，更加使艺术构思、推敲、制作等整个创作过程成为一种高效的闭环优化的工作模式。

三维打印技术 数字艺术 创作过程与结果的对应 闭环系统

一、艺术创作的更新与数字媒介

艺术与技术在人类文化发展史上大体上是相伴而行的，虽然在一定时期内相对有一定的滞后。新技术带来新的艺术创作手段会潜移默化地影响艺术的形式。与此同时，新的艺术创作手段促使技术更加成熟与完善。

视觉艺术作品一般是在二维或三维空间内的表达，例如油画、浮雕、雕塑等等。传统意义上的绘画艺术（二维）是使用颜料、画笔与画布等材料，而现代绘画已经越来越多地使用电脑与数位笔等数字工具进行创作，最后使用高分辨率的彩色打印机输出作品。传统的雕塑（三维）是雕塑家的手工作业，而当代雕塑艺术由于尺度和材料等多种因素，一般由艺术家手工制作小尺度模型后，再由工人放样，最后由艺术家完成点睛之笔。建立在计算技术之上的现代工艺近年来得到迅速的发展，其一些技术性优势吸引了很多探索者，萌发了一些全新的手段与形式。在这之中就有三维打印的身影。

二、三维打印对艺术创作的“闭环”优化

现代雕塑与装置艺术越来越多地使用数字技术辅助设计，三维打印技术的运用则使这个过程变得更高效和直观。在城市大型雕塑制作过程中，工人加工的成品与雕塑家的原型设计往往在放样的环节产生大量无法避免的失真。从方法论上来讲，这是一个“开环”的过程，即作品的原始信息在经非艺术家本人操作的过程中逐级地丧失精确性的系列环节。这一般是由于现实尺度与材料的处理能力的矛盾，导致艺术家不能全程独立地完成作品。这是一个长期困扰艺术家的问题。

即使在创作过程中使用三维打印技术参与方案的修改，也无法避免最终结果与构想的偏差。创作材料由于工艺的限制，使其不能被加工成自由造型。艺术作品都不得不由于工艺的限制做出诸多让步，导致在发展空间上受到束缚。使用三维打印这种手段进行最终结果的输出，或多或少地会改变这一现象。这种方法在克服了传统工艺的一些缺点的同时，可以充分地发挥计算机辅助设计的优势，将一些特殊的设计风格和复杂的造型在工作室的空间内得以快速的呈现。而且三维打印的结果可以直观进行有关于强度、结构、美学的测试与改进，节省传统工艺所需的漫长的等待时间。“所见即所得”，这是一个由三维打印技术提供带来的令人兴奋的现象。由于三维打印技术的参与，创作过程将会由本文所述的“开环”的过程逐渐转换成一个“闭环”的过程。这种转换实际上正在悄悄地发生。随着三维扫描等数字输入技术的逐渐成熟，这些先进的技术也会很快让一些依赖于传统工艺的创作活动迅速地转换角色。

Vulcan的最后拼装过程 摄影：于

Vulcan 灯光效果 摄影：杨一

三、Vulcan装置的设计实施与三维打印

Vulcan Pavilion[1]是ASW（Archi-solution Workshop）与LCD（Laboratory for Creative Design）在北京2015设计周期间通过三维打印技术创作的一个大型的空间装置。这是三维打印技术在大尺度创作上的一个大胆的尝试，并被吉尼斯世界纪录官方机构认证为“最大的三维打印构筑物”。整个创作过程其实就是设计团队同“三维打印机团队”的一次协同工作。这是基于三维打印技术的一次大胆的尝试，是一个以人为尺度单位的空间装置。创作团队在此之前已经拥有长期的技术与经验的积累，所以也可以说Vulcan是为三维打印技术量身定做的。

Vulcan的创作过程可分为4个阶段：方案的数字生成与模拟、原型测试、实际生产、现场搭建。[2]

（1）方案生成与计算模拟

方案的初衷是创作一个如蚕丝般的包裹空间。整体方案由RhinoVault（RV）生成一个适应重力作用的自然形态，这种手段体现着创作方法同科学技术的一种合理的关联。Vulcan的初心就是一个以人为尺度的大型空间作品，它的跨度达到12米，内部净高达3米，在满足空间形式美的同时，也要保证结构的安全度。RV是一个工程学设计插件，它的核心功能就是灵活地利用“拱券”这种古老的原型相对自由的空间形体。而之所以采用拱券这种结构体系，是因为它完全是由受压构件组成，正好适用于我们三维打印的主材——塑料。

大量地使用计算图形软件是这个项目的一个鲜明特点，比如Kangaroo[3]这个力学模拟软件被用来求得适用于三维打印的模块，并保证每一个模块都在打印机的工作范围内。软件在设计过程中的应用一方面是为了替代重复繁杂的操作，另一方面是在各个操作环节之间进行技术性衔接。如果没有强大的程序插件，Vulcan在一些关键节点上早就夭折了。与此同时，只有人机之间高效地转换，Vulcan才能在短短的两个月时间内完成从诞生到被销毁的轮回。

（2）原型测试阶段

对原型的测试与反馈分为3个方向，分别为：美学测试、强度测试、安装误差测试。因为采取了FDM（Fused Deposition Modeling 热熔挤压堆积）打印技术，如果把打印喷头当作画笔，拉出的塑料视为颜料，则可以用三维打印机“绘制”出一幅具有立体层次的画作。始于对笔触的理解，用计算的原则生成运笔的路径，用热熔挤出技术模拟蚕丝的空间构成，每一个局部都具有强烈的装饰效果。每一个模块的边缘采用折线路径填充，并根据受力的不同需求调整的疏密程度，起到了增加模块整体刚度并降低自重的作用。在创作手法上，随机计算原则体现出复杂地处理肌理技巧，在有序与无序、虚实对比中传递深刻的印象。计算代码成为过程中沟通的媒介，艺术与审美是判断的准则， 技术手段提供想象力的支撑。三维打印技术在这个环节表现为一个高效的“设计代理”，自动地完成一系列复杂的几何图形到实体的转换。组成Vulcan的1000多块模块，每一个都是唯一的，而且它们之间的空间拓扑关系也是唯一的。利用三维打印机输出的模块可以精确地传递这种拓扑关系。只有严格地遵循这种关系，1000多块平面单元积聚后才能完美地还原设计的形态。

强度测试采用超出自身重量数十倍的配重（上图）打印模块优化找平前后拓扑关系图（下图）

蚕丝混凝土展亭 2015（Vulcan之前的一次大尺度三维打印尝试） 摄影：史纪

Vulcan“蚕丝”包裹的空间形态 摄影：于雷

计算机模拟的三维打印生成路径与打印后的真实效果

在美学测试过程中，根据反复悬空“画”线的强度与粗细等，对参数进行调整，直至打印出具有复杂并具有秩序美感的效果。由于每一个单元在力学的作用下已经优化成符合表面曲率的平面六边形，每个六边形单元都具有相对的肌理参数，目的就是为了描绘出一个具有“笔触”、符合自然受力特质的空间网络。

力学测试则着重调试“笔触”强度的合理性。最后安装测试是根据整体结构跨度和安装特性判断模块之间的交接方式与消化施工误差的数据关系，即预留合理的安装缝以消解模块组合后产生的误差积累。我们最后将安装误差定为1毫米的量级单位，这其实是建立在对于三维打印精度的自信之上的。

（3）生产与精确组装

每一单元的唯一性及其蚕丝状的装饰肌理决定了这个空间装置的复杂程度。这种由机器和设计代码结合的创作方式也具有一定的“写意性”，这在一定程度上同艺术家的创作行为是相似的。其区别也很明显，设计代码是需要严格的程序逻辑，而艺术家更强的是个人的主观和经验。

数字设计成果是通过数据作为存储和传递方式。数据库具备精准的描述性。在三维打印环节中，数据库是精度控制的驱动力。这种控制在创作主旨与整体手法的整合下形成了数字设计作品的风格。也就是说：艺术家通过计算所创作的虚拟形象通过数据精确地描述与传递，在流程末端通过诸如三维打印机这种数字化加工工具生成。这个过程是基本无损的，而且整个创作过程因为三维打印等技术的早期介入形成了“闭环”的信息反馈系统，达到了全生命周期的反复推敲与高度优化作用。这个过程为Vulcan带来的“福利”就是：精确的结果输出使我们设定误差控制在规定的范围之内。这个12米跨度的作品，最大安装误差积累小于5毫米。这对于一个有1000多块单元组合的庞然大物来说非常理想。与此同时，作品所追求的复杂但又不繁乱的“蚕丝笔触”层次丰富、主次清晰。身临其境可以感受到一种亲切的包裹感。这个空间装置不仅是北京设计周开幕式分会场的主展台，也是北京设计周期间令人瞩目的作品之一，更是一个让大众可以身临其境的空间。

四、数字艺术与三维打印

Vulcan的创作团队不仅仅熟练地运用了数字设计的方法，同时更是掌握了三维打印的核心技术，因为所有三维打印机均是独立生产。在创作过程整合了更多的科技内容的同时，也让创作者能够更直观地控制结果和产能，对生产能力的把控在设计初始阶段就充分地考虑过。这是数字艺术相对于传统艺术形式的明显区别和优势。虽然目前三维打印技术所支持的材料还是相当有限，但是我们看到这种技术所带来的方法论上的革新，会让艺术的形式与成果更加多样。我们相信，数字艺术也会由于新生代的熟练掌握与运用，逐渐成为一个独立的流派。

三维打印技术对数字艺术的复杂性的支持，使其从加工工具上升为创作媒介。但其过程中也会忽视一些传统手段所具有的优势。例如通过手工创作作品会有很多由潜意识控制的“意外”与“随意”，或者说瞬间闪现的艺术灵感通过手工的模式更易于及时地呈现。数字技术目前还很难完美地具备这些特质。这些偶然性和机器加工模式在一定程度上是对抗的，要化解这种矛盾，只有在最初的构思与计算性能模拟中就考虑这些因素，但是目前还没有非常有效的干预机制。

虽然三维打印技术还存在成本高昂、材料有限等诸多不足，但是在艺术家和科学家孜孜不倦地实践与探索下，这种新兴的创作方法必定会释放出独特的魅力。经过Vulcan这个项目的实践，我们强烈地意识到这种技术所传达的艺术风范既能荣登典雅之堂，亦能自然地融入公众视野，并建立了一种亲切的艺术体验。

（刘中远/鲁迅美术学院环艺系研究生；Vulcan的主创成员之一）

组稿/刘竟艳 责编/刘竟艳

注 释

[1] Vulcan Pavilion 2015年北京设计周期间由LCD（Laboratory for Creative Design 设计创意实验室）主持设计及建造的大型三维打印空间装置，并被世界吉尼斯纪录机构认定为“时间上最大的三维打印构筑物”。主创团队：于雷、徐丰、刘中远、肖赛、王延鑫等

[2] RhinoVault（RV）是Dr. Matthias Rippmann等人在Rhino平台上的基于力学网格分析的力学找形插件，它可以根据要求创建出符合受力结构的拱形网架。（http://block.arch.ethz.ch/tools/rhinovault）

[3] Kangaroo是Daniel Piker为grasshopper平台编写的动态力学引擎插件，可以进行交互式模拟、找形、优化与约束求解等。（http:// kangaroo3d.com/）