淺談三維打印技術在數字藝術創作中的優勢

文 劉中遠

淺談三維打印技術在數字藝術創作中的優勢

文 劉中遠

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

三維打印技術雖然已經存在了三十多年，但直到近期才成為倍受關注的焦點。短短的幾年時間內，三維打印在美術與設計領域已經有很多應用，并取得了豐富的成果。本文作者從參與北京VULCAN裝置的創作實踐出發，分析三維打印在藝術領域如何同數字設計相結合，系統地介入整個創作和生產過程。也就是說：三維打印的技術性優勢為藝術創作與設計方案提供合理的后期解決方案的同時，更加使藝術構思、推敲、制作等整個創作過程成為一種高效的閉環優化的工作模式。

三維打印技術 數字藝術 創作過程與結果的對應 閉環系統

一、藝術創作的更新與數字媒介

藝術與技術在人類文化發展史上大體上是相伴而行的，雖然在一定時期內相對有一定的滯后。新技術帶來新的藝術創作手段會潛移默化地影響藝術的形式。與此同時，新的藝術創作手段促使技術更加成熟與完善。

視覺藝術作品一般是在二維或三維空間內的表達，例如油畫、浮雕、雕塑等等。傳統意義上的繪畫藝術（二維）是使用顏料、畫筆與畫布等材料，而現代繪畫已經越來越多地使用電腦與數位筆等數字工具進行創作，最后使用高分辨率的彩色打印機輸出作品。傳統的雕塑（三維）是雕塑家的手工作業，而當代雕塑藝術由于尺度和材料等多種因素，一般由藝術家手工制作小尺度模型后，再由工人放樣，最后由藝術家完成點睛之筆。建立在計算技術之上的現代工藝近年來得到迅速的發展，其一些技術性優勢吸引了很多探索者，萌發了一些全新的手段與形式。在這之中就有三維打印的身影。

二、三維打印對藝術創作的“閉環”優化

現代雕塑與裝置藝術越來越多地使用數字技術輔助設計，三維打印技術的運用則使這個過程變得更高效和直觀。在城市大型雕塑制作過程中，工人加工的成品與雕塑家的原型設計往往在放樣的環節產生大量無法避免的失真。從方法論上來講，這是一個“開環”的過程，即作品的原始信息在經非藝術家本人操作的過程中逐級地喪失精確性的系列環節。這一般是由于現實尺度與材料的處理能力的矛盾，導致藝術家不能全程獨立地完成作品。這是一個長期困擾藝術家的問題。

即使在創作過程中使用三維打印技術參與方案的修改，也無法避免最終結果與構想的偏差。創作材料由于工藝的限制，使其不能被加工成自由造型。藝術作品都不得不由于工藝的限制做出諸多讓步，導致在發展空間上受到束縛。使用三維打印這種手段進行最終結果的輸出，或多或少地會改變這一現象。這種方法在克服了傳統工藝的一些缺點的同時，可以充分地發揮計算機輔助設計的優勢，將一些特殊的設計風格和復雜的造型在工作室的空間內得以快速的呈現。而且三維打印的結果可以直觀進行有關于強度、結構、美學的測試與改進，節省傳統工藝所需的漫長的等待時間。“所見即所得”，這是一個由三維打印技術提供帶來的令人興奮的現象。由于三維打印技術的參與，創作過程將會由本文所述的“開環”的過程逐漸轉換成一個“閉環”的過程。這種轉換實際上正在悄悄地發生。隨著三維掃描等數字輸入技術的逐漸成熟，這些先進的技術也會很快讓一些依賴于傳統工藝的創作活動迅速地轉換角色。

Vulcan的最后拼裝過程 攝影：于

Vulcan 燈光效果 攝影：楊一

三、Vulcan裝置的設計實施與三維打印

Vulcan Pavilion[1]是ASW（Archi-solution Workshop）與LCD（Laboratory for Creative Design）在北京2015設計周期間通過三維打印技術創作的一個大型的空間裝置。這是三維打印技術在大尺度創作上的一個大膽的嘗試，并被吉尼斯世界紀錄官方機構認證為“最大的三維打印構筑物”。整個創作過程其實就是設計團隊同“三維打印機團隊”的一次協同工作。這是基于三維打印技術的一次大膽的嘗試，是一個以人為尺度單位的空間裝置。創作團隊在此之前已經擁有長期的技術與經驗的積累，所以也可以說Vulcan是為三維打印技術量身定做的。

Vulcan的創作過程可分為4個階段：方案的數字生成與模擬、原型測試、實際生產、現場搭建。[2]

（1）方案生成與計算模擬

方案的初衷是創作一個如蠶絲般的包裹空間。整體方案由RhinoVault（RV）生成一個適應重力作用的自然形態，這種手段體現著創作方法同科學技術的一種合理的關聯。Vulcan的初心就是一個以人為尺度的大型空間作品，它的跨度達到12米，內部凈高達3米，在滿足空間形式美的同時，也要保證結構的安全度。RV是一個工程學設計插件，它的核心功能就是靈活地利用“拱券”這種古老的原型相對自由的空間形體。而之所以采用拱券這種結構體系，是因為它完全是由受壓構件組成，正好適用于我們三維打印的主材——塑料。

大量地使用計算圖形軟件是這個項目的一個鮮明特點，比如Kangaroo[3]這個力學模擬軟件被用來求得適用于三維打印的模塊，并保證每一個模塊都在打印機的工作范圍內。軟件在設計過程中的應用一方面是為了替代重復繁雜的操作，另一方面是在各個操作環節之間進行技術性銜接。如果沒有強大的程序插件，Vulcan在一些關鍵節點上早就夭折了。與此同時，只有人機之間高效地轉換，Vulcan才能在短短的兩個月時間內完成從誕生到被銷毀的輪回。

（2）原型測試階段

對原型的測試與反饋分為3個方向，分別為：美學測試、強度測試、安裝誤差測試。因為采取了FDM（Fused Deposition Modeling 熱熔擠壓堆積）打印技術，如果把打印噴頭當作畫筆，拉出的塑料視為顏料，則可以用三維打印機“繪制”出一幅具有立體層次的畫作。始于對筆觸的理解，用計算的原則生成運筆的路徑，用熱熔擠出技術模擬蠶絲的空間構成，每一個局部都具有強烈的裝飾效果。每一個模塊的邊緣采用折線路徑填充，并根據受力的不同需求調整的疏密程度，起到了增加模塊整體剛度并降低自重的作用。在創作手法上，隨機計算原則體現出復雜地處理肌理技巧，在有序與無序、虛實對比中傳遞深刻的印象。計算代碼成為過程中溝通的媒介，藝術與審美是判斷的準則， 技術手段提供想象力的支撐。三維打印技術在這個環節表現為一個高效的“設計代理”，自動地完成一系列復雜的幾何圖形到實體的轉換。組成Vulcan的1000多塊模塊，每一個都是唯一的，而且它們之間的空間拓撲關系也是唯一的。利用三維打印機輸出的模塊可以精確地傳遞這種拓撲關系。只有嚴格地遵循這種關系，1000多塊平面單元積聚后才能完美地還原設計的形態。

強度測試采用超出自身重量數十倍的配重（上圖）打印模塊優化找平前后拓撲關系圖（下圖）

蠶絲混凝土展亭 2015（Vulcan之前的一次大尺度三維打印嘗試） 攝影：史紀

Vulcan“蠶絲”包裹的空間形態 攝影：于雷

計算機模擬的三維打印生成路徑與打印后的真實效果

在美學測試過程中，根據反復懸空“畫”線的強度與粗細等，對參數進行調整，直至打印出具有復雜并具有秩序美感的效果。由于每一個單元在力學的作用下已經優化成符合表面曲率的平面六邊形，每個六邊形單元都具有相對的肌理參數，目的就是為了描繪出一個具有“筆觸”、符合自然受力特質的空間網絡。

力學測試則著重調試“筆觸”強度的合理性。最后安裝測試是根據整體結構跨度和安裝特性判斷模塊之間的交接方式與消化施工誤差的數據關系，即預留合理的安裝縫以消解模塊組合后產生的誤差積累。我們最后將安裝誤差定為1毫米的量級單位，這其實是建立在對于三維打印精度的自信之上的。

（3）生產與精確組裝

每一單元的唯一性及其蠶絲狀的裝飾肌理決定了這個空間裝置的復雜程度。這種由機器和設計代碼結合的創作方式也具有一定的“寫意性”，這在一定程度上同藝術家的創作行為是相似的。其區別也很明顯，設計代碼是需要嚴格的程序邏輯，而藝術家更強的是個人的主觀和經驗。

數字設計成果是通過數據作為存儲和傳遞方式。數據庫具備精準的描述性。在三維打印環節中，數據庫是精度控制的驅動力。這種控制在創作主旨與整體手法的整合下形成了數字設計作品的風格。也就是說：藝術家通過計算所創作的虛擬形象通過數據精確地描述與傳遞，在流程末端通過諸如三維打印機這種數字化加工工具生成。這個過程是基本無損的，而且整個創作過程因為三維打印等技術的早期介入形成了“閉環”的信息反饋系統，達到了全生命周期的反復推敲與高度優化作用。這個過程為Vulcan帶來的“福利”就是：精確的結果輸出使我們設定誤差控制在規定的范圍之內。這個12米跨度的作品，最大安裝誤差積累小于5毫米。這對于一個有1000多塊單元組合的龐然大物來說非常理想。與此同時，作品所追求的復雜但又不繁亂的“蠶絲筆觸”層次豐富、主次清晰。身臨其境可以感受到一種親切的包裹感。這個空間裝置不僅是北京設計周開幕式分會場的主展臺，也是北京設計周期間令人矚目的作品之一，更是一個讓大眾可以身臨其境的空間。

四、數字藝術與三維打印

Vulcan的創作團隊不僅僅熟練地運用了數字設計的方法，同時更是掌握了三維打印的核心技術，因為所有三維打印機均是獨立生產。在創作過程整合了更多的科技內容的同時，也讓創作者能夠更直觀地控制結果和產能，對生產能力的把控在設計初始階段就充分地考慮過。這是數字藝術相對于傳統藝術形式的明顯區別和優勢。雖然目前三維打印技術所支持的材料還是相當有限，但是我們看到這種技術所帶來的方法論上的革新，會讓藝術的形式與成果更加多樣。我們相信，數字藝術也會由于新生代的熟練掌握與運用，逐漸成為一個獨立的流派。

三維打印技術對數字藝術的復雜性的支持，使其從加工工具上升為創作媒介。但其過程中也會忽視一些傳統手段所具有的優勢。例如通過手工創作作品會有很多由潛意識控制的“意外”與“隨意”，或者說瞬間閃現的藝術靈感通過手工的模式更易于及時地呈現。數字技術目前還很難完美地具備這些特質。這些偶然性和機器加工模式在一定程度上是對抗的，要化解這種矛盾，只有在最初的構思與計算性能模擬中就考慮這些因素，但是目前還沒有非常有效的干預機制。

雖然三維打印技術還存在成本高昂、材料有限等諸多不足，但是在藝術家和科學家孜孜不倦地實踐與探索下，這種新興的創作方法必定會釋放出獨特的魅力。經過Vulcan這個項目的實踐，我們強烈地意識到這種技術所傳達的藝術風范既能榮登典雅之堂，亦能自然地融入公眾視野，并建立了一種親切的藝術體驗。

（劉中遠/魯迅美術學院環藝系研究生；Vulcan的主創成員之一）

組稿/劉竟艷 責編/劉竟艷

注 釋

[1] Vulcan Pavilion 2015年北京設計周期間由LCD（Laboratory for Creative Design 設計創意實驗室）主持設計及建造的大型三維打印空間裝置，并被世界吉尼斯紀錄機構認定為“時間上最大的三維打印構筑物”。主創團隊：于雷、徐豐、劉中遠、肖賽、王延鑫等

[2] RhinoVault（RV）是Dr. Matthias Rippmann等人在Rhino平臺上的基于力學網格分析的力學找形插件，它可以根據要求創建出符合受力結構的拱形網架。（http://block.arch.ethz.ch/tools/rhinovault）

[3] Kangaroo是Daniel Piker為grasshopper平臺編寫的動態力學引擎插件，可以進行交互式模擬、找形、優化與約束求解等。（http:// kangaroo3d.com/）