淺談三維打印技術(shù)在數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作中的優(yōu)勢(shì)

文 劉中遠(yuǎn)

淺談三維打印技術(shù)在數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作中的優(yōu)勢(shì)

文 劉中遠(yuǎn)

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

三維打印技術(shù)雖然已經(jīng)存在了三十多年，但直到近期才成為倍受關(guān)注的焦點(diǎn)。短短的幾年時(shí)間內(nèi)，三維打印在美術(shù)與設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)有很多應(yīng)用，并取得了豐富的成果。本文作者從參與北京VULCAN裝置的創(chuàng)作實(shí)踐出發(fā)，分析三維打印在藝術(shù)領(lǐng)域如何同數(shù)字設(shè)計(jì)相結(jié)合，系統(tǒng)地介入整個(gè)創(chuàng)作和生產(chǎn)過(guò)程。也就是說(shuō)：三維打印的技術(shù)性優(yōu)勢(shì)為藝術(shù)創(chuàng)作與設(shè)計(jì)方案提供合理的后期解決方案的同時(shí)，更加使藝術(shù)構(gòu)思、推敲、制作等整個(gè)創(chuàng)作過(guò)程成為一種高效的閉環(huán)優(yōu)化的工作模式。

三維打印技術(shù) 數(shù)字藝術(shù) 創(chuàng)作過(guò)程與結(jié)果的對(duì)應(yīng) 閉環(huán)系統(tǒng)

一、藝術(shù)創(chuàng)作的更新與數(shù)字媒介

藝術(shù)與技術(shù)在人類文化發(fā)展史上大體上是相伴而行的，雖然在一定時(shí)期內(nèi)相對(duì)有一定的滯后。新技術(shù)帶來(lái)新的藝術(shù)創(chuàng)作手段會(huì)潛移默化地影響藝術(shù)的形式。與此同時(shí)，新的藝術(shù)創(chuàng)作手段促使技術(shù)更加成熟與完善。

視覺藝術(shù)作品一般是在二維或三維空間內(nèi)的表達(dá)，例如油畫、浮雕、雕塑等等。傳統(tǒng)意義上的繪畫藝術(shù)（二維）是使用顏料、畫筆與畫布等材料，而現(xiàn)代繪畫已經(jīng)越來(lái)越多地使用電腦與數(shù)位筆等數(shù)字工具進(jìn)行創(chuàng)作，最后使用高分辨率的彩色打印機(jī)輸出作品。傳統(tǒng)的雕塑（三維）是雕塑家的手工作業(yè)，而當(dāng)代雕塑藝術(shù)由于尺度和材料等多種因素，一般由藝術(shù)家手工制作小尺度模型后，再由工人放樣，最后由藝術(shù)家完成點(diǎn)睛之筆。建立在計(jì)算技術(shù)之上的現(xiàn)代工藝近年來(lái)得到迅速的發(fā)展，其一些技術(shù)性優(yōu)勢(shì)吸引了很多探索者，萌發(fā)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(duì)藝術(shù)創(chuàng)作的“閉環(huán)”優(yōu)化

現(xiàn)代雕塑與裝置藝術(shù)越來(lái)越多地使用數(shù)字技術(shù)輔助設(shè)計(jì)，三維打印技術(shù)的運(yùn)用則使這個(gè)過(guò)程變得更高效和直觀。在城市大型雕塑制作過(guò)程中，工人加工的成品與雕塑家的原型設(shè)計(jì)往往在放樣的環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量無(wú)法避免的失真。從方法論上來(lái)講，這是一個(gè)“開環(huán)”的過(guò)程，即作品的原始信息在經(jīng)非藝術(shù)家本人操作的過(guò)程中逐級(jí)地喪失精確性的系列環(huán)節(jié)。這一般是由于現(xiàn)實(shí)尺度與材料的處理能力的矛盾，導(dǎo)致藝術(shù)家不能全程獨(dú)立地完成作品。這是一個(gè)長(zhǎng)期困擾藝術(shù)家的問題。

即使在創(chuàng)作過(guò)程中使用三維打印技術(shù)參與方案的修改，也無(wú)法避免最終結(jié)果與構(gòu)想的偏差。創(chuàng)作材料由于工藝的限制，使其不能被加工成自由造型。藝術(shù)作品都不得不由于工藝的限制做出諸多讓步，導(dǎo)致在發(fā)展空間上受到束縛。使用三維打印這種手段進(jìn)行最終結(jié)果的輸出，或多或少地會(huì)改變這一現(xiàn)象。這種方法在克服了傳統(tǒng)工藝的一些缺點(diǎn)的同時(shí)，可以充分地發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，將一些特殊的設(shè)計(jì)風(fēng)格和復(fù)雜的造型在工作室的空間內(nèi)得以快速的呈現(xiàn)。而且三維打印的結(jié)果可以直觀進(jìn)行有關(guān)于強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、美學(xué)的測(cè)試與改進(jìn)，節(jié)省傳統(tǒng)工藝所需的漫長(zhǎng)的等待時(shí)間?！八娂此谩?，這是一個(gè)由三維打印技術(shù)提供帶來(lái)的令人興奮的現(xiàn)象。由于三維打印技術(shù)的參與，創(chuàng)作過(guò)程將會(huì)由本文所述的“開環(huán)”的過(guò)程逐漸轉(zhuǎn)換成一個(gè)“閉環(huán)”的過(guò)程。這種轉(zhuǎn)換實(shí)際上正在悄悄地發(fā)生。隨著三維掃描等數(shù)字輸入技術(shù)的逐漸成熟，這些先進(jìn)的技術(shù)也會(huì)很快讓一些依賴于傳統(tǒng)工藝的創(chuàng)作活動(dòng)迅速地轉(zhuǎn)換角色。

Vulcan的最后拼裝過(guò)程 攝影：于

Vulcan 燈光效果 攝影：楊一

三、Vulcan裝置的設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)計(jì)周期間通過(guò)三維打印技術(shù)創(chuàng)作的一個(gè)大型的空間裝置。這是三維打印技術(shù)在大尺度創(chuàng)作上的一個(gè)大膽的嘗試，并被吉尼斯世界紀(jì)錄官方機(jī)構(gòu)認(rèn)證為“最大的三維打印構(gòu)筑物”。整個(gè)創(chuàng)作過(guò)程其實(shí)就是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)同“三維打印機(jī)團(tuán)隊(duì)”的一次協(xié)同工作。這是基于三維打印技術(shù)的一次大膽的嘗試，是一個(gè)以人為尺度單位的空間裝置。創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)在此之前已經(jīng)擁有長(zhǎng)期的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的積累，所以也可以說(shuō)Vulcan是為三維打印技術(shù)量身定做的。

Vulcan的創(chuàng)作過(guò)程可分為4個(gè)階段：方案的數(shù)字生成與模擬、原型測(cè)試、實(shí)際生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)搭建。[2]

（1）方案生成與計(jì)算模擬

方案的初衷是創(chuàng)作一個(gè)如蠶絲般的包裹空間。整體方案由RhinoVault（RV）生成一個(gè)適應(yīng)重力作用的自然形態(tài)，這種手段體現(xiàn)著創(chuàng)作方法同科學(xué)技術(shù)的一種合理的關(guān)聯(lián)。Vulcan的初心就是一個(gè)以人為尺度的大型空間作品，它的跨度達(dá)到12米，內(nèi)部?jī)舾哌_(dá)3米，在滿足空間形式美的同時(shí)，也要保證結(jié)構(gòu)的安全度。RV是一個(gè)工程學(xué)設(shè)計(jì)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(duì)自由的空間形體。而之所以采用拱券這種結(jié)構(gòu)體系，是因?yàn)樗耆怯墒軌簶?gòu)件組成，正好適用于我們?nèi)S打印的主材——塑料。

大量地使用計(jì)算圖形軟件是這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)鮮明特點(diǎn)，比如Kangaroo[3]這個(gè)力學(xué)模擬軟件被用來(lái)求得適用于三維打印的模塊，并保證每一個(gè)模塊都在打印機(jī)的工作范圍內(nèi)。軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用一方面是為了替代重復(fù)繁雜的操作，另一方面是在各個(gè)操作環(huán)節(jié)之間進(jìn)行技術(shù)性銜接。如果沒有強(qiáng)大的程序插件，Vulcan在一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上早就夭折了。與此同時(shí)，只有人機(jī)之間高效地轉(zhuǎn)換，Vulcan才能在短短的兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成從誕生到被銷毀的輪回。

（2）原型測(cè)試階段

對(duì)原型的測(cè)試與反饋分為3個(gè)方向，分別為：美學(xué)測(cè)試、強(qiáng)度測(cè)試、安裝誤差測(cè)試。因?yàn)椴扇×薋DM（Fused Deposition Modeling 熱熔擠壓堆積）打印技術(shù)，如果把打印噴頭當(dāng)作畫筆，拉出的塑料視為顏料，則可以用三維打印機(jī)“繪制”出一幅具有立體層次的畫作。始于對(duì)筆觸的理解，用計(jì)算的原則生成運(yùn)筆的路徑，用熱熔擠出技術(shù)模擬蠶絲的空間構(gòu)成，每一個(gè)局部都具有強(qiáng)烈的裝飾效果。每一個(gè)模塊的邊緣采用折線路徑填充，并根據(jù)受力的不同需求調(diào)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(chuàng)作手法上，隨機(jī)計(jì)算原則體現(xiàn)出復(fù)雜地處理肌理技巧，在有序與無(wú)序、虛實(shí)對(duì)比中傳遞深刻的印象。計(jì)算代碼成為過(guò)程中溝通的媒介，藝術(shù)與審美是判斷的準(zhǔn)則， 技術(shù)手段提供想象力的支撐。三維打印技術(shù)在這個(gè)環(huán)節(jié)表現(xiàn)為一個(gè)高效的“設(shè)計(jì)代理”，自動(dòng)地完成一系列復(fù)雜的幾何圖形到實(shí)體的轉(zhuǎn)換。組成Vulcan的1000多塊模塊，每一個(gè)都是唯一的，而且它們之間的空間拓?fù)潢P(guān)系也是唯一的。利用三維打印機(jī)輸出的模塊可以精確地傳遞這種拓?fù)潢P(guān)系。只有嚴(yán)格地遵循這種關(guān)系，1000多塊平面單元積聚后才能完美地還原設(shè)計(jì)的形態(tài)。

強(qiáng)度測(cè)試采用超出自身重量數(shù)十倍的配重（上圖）打印模塊優(yōu)化找平前后拓?fù)潢P(guān)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(jì)

Vulcan“蠶絲”包裹的空間形態(tài) 攝影：于雷

計(jì)算機(jī)模擬的三維打印生成路徑與打印后的真實(shí)效果

在美學(xué)測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)反復(fù)懸空“畫”線的強(qiáng)度與粗細(xì)等，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至打印出具有復(fù)雜并具有秩序美感的效果。由于每一個(gè)單元在力學(xué)的作用下已經(jīng)優(yōu)化成符合表面曲率的平面六邊形，每個(gè)六邊形單元都具有相對(duì)的肌理參數(shù)，目的就是為了描繪出一個(gè)具有“筆觸”、符合自然受力特質(zhì)的空間網(wǎng)絡(luò)。

力學(xué)測(cè)試則著重調(diào)試“筆觸”強(qiáng)度的合理性。最后安裝測(cè)試是根據(jù)整體結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)關(guān)系，即預(yù)留合理的安裝縫以消解模塊組合后產(chǎn)生的誤差積累。我們最后將安裝誤差定為1毫米的量級(jí)單位，這其實(shí)是建立在對(duì)于三維打印精度的自信之上的。

（3）生產(chǎn)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(gè)空間裝置的復(fù)雜程度。這種由機(jī)器和設(shè)計(jì)代碼結(jié)合的創(chuàng)作方式也具有一定的“寫意性”，這在一定程度上同藝術(shù)家的創(chuàng)作行為是相似的。其區(qū)別也很明顯，設(shè)計(jì)代碼是需要嚴(yán)格的程序邏輯，而藝術(shù)家更強(qiáng)的是個(gè)人的主觀和經(jīng)驗(yàn)。

數(shù)字設(shè)計(jì)成果是通過(guò)數(shù)據(jù)作為存儲(chǔ)和傳遞方式。數(shù)據(jù)庫(kù)具備精準(zhǔn)的描述性。在三維打印環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)庫(kù)是精度控制的驅(qū)動(dòng)力。這種控制在創(chuàng)作主旨與整體手法的整合下形成了數(shù)字設(shè)計(jì)作品的風(fēng)格。也就是說(shuō)：藝術(shù)家通過(guò)計(jì)算所創(chuàng)作的虛擬形象通過(guò)數(shù)據(jù)精確地描述與傳遞，在流程末端通過(guò)諸如三維打印機(jī)這種數(shù)字化加工工具生成。這個(gè)過(guò)程是基本無(wú)損的，而且整個(gè)創(chuàng)作過(guò)程因?yàn)槿S打印等技術(shù)的早期介入形成了“閉環(huán)”的信息反饋系統(tǒng)，達(dá)到了全生命周期的反復(fù)推敲與高度優(yōu)化作用。這個(gè)過(guò)程為Vulcan帶來(lái)的“福利”就是：精確的結(jié)果輸出使我們?cè)O(shè)定誤差控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。這個(gè)12米跨度的作品，最大安裝誤差積累小于5毫米。這對(duì)于一個(gè)有1000多塊單元組合的龐然大物來(lái)說(shuō)非常理想。與此同時(shí)，作品所追求的復(fù)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(gè)空間裝置不僅是北京設(shè)計(jì)周開幕式分會(huì)場(chǎng)的主展臺(tái)，也是北京設(shè)計(jì)周期間令人矚目的作品之一，更是一個(gè)讓大眾可以身臨其境的空間。

四、數(shù)字藝術(shù)與三維打印

Vulcan的創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)不僅僅熟練地運(yùn)用了數(shù)字設(shè)計(jì)的方法，同時(shí)更是掌握了三維打印的核心技術(shù)，因?yàn)樗腥S打印機(jī)均是獨(dú)立生產(chǎn)。在創(chuàng)作過(guò)程整合了更多的科技內(nèi)容的同時(shí)，也讓創(chuàng)作者能夠更直觀地控制結(jié)果和產(chǎn)能，對(duì)生產(chǎn)能力的把控在設(shè)計(jì)初始階段就充分地考慮過(guò)。這是數(shù)字藝術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)藝術(shù)形式的明顯區(qū)別和優(yōu)勢(shì)。雖然目前三維打印技術(shù)所支持的材料還是相當(dāng)有限，但是我們看到這種技術(shù)所帶來(lái)的方法論上的革新，會(huì)讓藝術(shù)的形式與成果更加多樣。我們相信，數(shù)字藝術(shù)也會(huì)由于新生代的熟練掌握與運(yùn)用，逐漸成為一個(gè)獨(dú)立的流派。

三維打印技術(shù)對(duì)數(shù)字藝術(shù)的復(fù)雜性的支持，使其從加工工具上升為創(chuàng)作媒介。但其過(guò)程中也會(huì)忽視一些傳統(tǒng)手段所具有的優(yōu)勢(shì)。例如通過(guò)手工創(chuàng)作作品會(huì)有很多由潛意識(shí)控制的“意外”與“隨意”，或者說(shuō)瞬間閃現(xiàn)的藝術(shù)靈感通過(guò)手工的模式更易于及時(shí)地呈現(xiàn)。數(shù)字技術(shù)目前還很難完美地具備這些特質(zhì)。這些偶然性和機(jī)器加工模式在一定程度上是對(duì)抗的，要化解這種矛盾，只有在最初的構(gòu)思與計(jì)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(yù)機(jī)制。

雖然三維打印技術(shù)還存在成本高昂、材料有限等諸多不足，但是在藝術(shù)家和科學(xué)家孜孜不倦地實(shí)踐與探索下，這種新興的創(chuàng)作方法必定會(huì)釋放出獨(dú)特的魅力。經(jīng)過(guò)Vulcan這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，我們強(qiáng)烈地意識(shí)到這種技術(shù)所傳達(dá)的藝術(shù)風(fēng)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(shù)體驗(yàn)。

（劉中遠(yuǎn)/魯迅美術(shù)學(xué)院環(huán)藝系研究生；Vulcan的主創(chuàng)成員之一）

組稿/劉竟艷 責(zé)編/劉竟艷

注 釋

[1] Vulcan Pavilion 2015年北京設(shè)計(jì)周期間由LCD（Laboratory for Creative Design 設(shè)計(jì)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室）主持設(shè)計(jì)及建造的大型三維打印空間裝置，并被世界吉尼斯紀(jì)錄機(jī)構(gòu)認(rèn)定為“時(shí)間上最大的三維打印構(gòu)筑物”。主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)：于雷、徐豐、劉中遠(yuǎn)、肖賽、王延鑫等

[2] RhinoVault（RV）是Dr. Matthias Rippmann等人在Rhino平臺(tái)上的基于力學(xué)網(wǎng)格分析的力學(xué)找形插件，它可以根據(jù)要求創(chuàng)建出符合受力結(jié)構(gòu)的拱形網(wǎng)架。（http://block.arch.ethz.ch/tools/rhinovault）

[3] Kangaroo是Daniel Piker為grasshopper平臺(tái)編寫的動(dòng)態(tài)力學(xué)引擎插件，可以進(jìn)行交互式模擬、找形、優(yōu)化與約束求解等。（http:// kangaroo3d.com/）