3D打印技术在艺术设计专业教学的应用与创新——以山东工艺美术学院3D打印技术中心为例

王玮

3D打印模糊了数字世界和实体世界的界限，将实体转化为计算机数据，是一种实现“数字向实体”转换的未来制造技术。近来随着3D打印技术日臻成熟，其在人们心中已快成为无所不能的代名词。小到工艺装饰，大到工业零件，可以说人们能够想到的东西3D打印都可以打出来。随着3D打印技术不断普及，目前已经有多所不同国家与地区的大中院校，如英国、美国、日本、德国、新加坡、澳洲、香港、台湾以及中国大陆的沿海地区，都在纷纷推进3D产品进入校园项目，设置建设专用的3D打印实验室，并开设相关课程，对学生进行创新教育，以培养下一代使用3D打印技术的能力，同时加强学生的创造力和科学素养。3D打印技术应用于教育科研，有助于为社会积累人才储备，打造下一代的尖端科学家、设计师和工程师。这种新技术新材料尤其是对艺术设计、文化创意、影视动漫等学科、行业提出了新的挑战和重大机遇。

1.与教学融合，提高教学质量与科研水平

1.1 与工业设计专业结合

工业设计专业中一个重要课程就是把设计的产品制作成模型。这在没有引入3D打印技术之前，就是用手工制作，既费时间又做得不精致，甚至很多设计是手工做不出来的。通过3D打印技术，就完全可以精确细致地打印出设计产品，有的可与实际产品达到一致。在产品设计过程中，样件设计的可视化非常重要，是设计沟通和设计改进的基石。采用3D打印技术快速制作设计的实物手板模型，相比平面的2D模型或电脑中虚拟的3D模型，能够体现更多的设计细节，更加直观可靠。3D打印在设计制造领域的应用不言而喻。光固化(SLA)3D打印机打印出来的模型在某种程度上能够完全替代传统的模具，使得开模不仅快速，而且对模具加工产生了革命性的变革，使模具加工走向一体化，品质也得到很大提升。SLA 3D打印技术在模具设计制造中的应用主要有以下几个方面：

（1）打破模具为工业之母的桎梏。通过3D打印可以实现无模化制造，尤其在新产品研发、个性化定制、小批量产品生产、复杂异形结构产品、无拼接一体化成型制造方面，3D打印已经可以代替传统模具制造的方式，深刻改变模具产业。

（2）直接3D打印出可以用于生产的模具或模具部件，比如注塑模具、拉伸模具、压铸模具等。还可以用于模具的修复。

（3）3D打印技术引入工业设计专业，改变了这个专业传统的教学理念，与实际生产建立了无缝的对接，对这个专业的发展起到了非常大的助力作用。

1.2 与雕塑专业、动漫专业、手工艺专业等结合

艺术创造是还原艺术构想的能力，传统工艺较难实现极致曲线面的艺术构造，制作时间长且可修复性低。把3D打印技术引入这些专业，重新定义了艺术创意设计，带给了学生充足的想象空间和更大的创作自由，使其艺术创作变得更加新鲜有趣。同时对传统工艺进行有效补充，使艺术品形式更加丰富，促进一大批优秀学生将一件件极具艺术美感的设计作品精确形象地展现于公众的视线。

3D打印技术在与雕塑专业、动漫专业、手工艺专业等结合中的应用主要体现在以下几个方面：

（1）3D打印相比传统加工方式，理论上可以制造任意结构和形状物体，让设计师真正从制造技术的桎梏中解放出来，实现“所想即所得”理想。

（2）新形式的艺术品创作成为可能，扩充了艺术品类型。

（3）可以帮助实现艺术品材质的转化，比如从木质到陶瓷，从石雕到金属铸造等。基于实物的高保真度的三维数字模型，可以使仿形和改型设计更加方便快捷。

（4）提高了专业的创新型，促进了艺术创作的发展，提高了学校科研的研发能力。

1.3 与建筑专业结合

传统的建筑模型设计是图纸设计，再后来是用建模软件绘制模型，但模型制作是手工制作，耗费的时间较长。而利用3D光固化(SLA)打印机采用SLA激光光固化成型技术，可以很好地还原数字化CAD设计的真实细节，打印出细节精细、表面光洁的树脂成型件，极大地缩短了模型制作周期，加快了教学进度。

3D打印技术在建筑设计中的应用主要体现在以下几个方面：

（1）辅助设计：3D打印技术可以迅速还原设计意图，辅助完善初始设计的方案论证，同时也给设计师及建筑师提供了更广阔的创作空间。

（2）快速设计模型：3D打印技术可以利用快速成型技术快速打印出建筑展示模型，将建筑和室内设计师的方案展示出来。

（3）帮助老师提高教学水平和质量，提高学生设计创作能力。

2.服务社会，加强产学研转换能力

3D打印作为目前全球热门的前沿技术，也是推动临床医学科学领域向精准医疗发展的一个主要实践手段。目前，在我国将此项技术应用于医学既是一个新课题，也具有广泛的深远意义。

2.1 3D打印技术应用于骨科手术

经过术前建立3D打印实体模型,可于术前设计或优化手术方案,从而降低手术难度,使手术过程顺利,降低了医源性并发症发生率,缩短了手术时间,并提高了临床的手术治疗效果。

2017年11月，山东工艺美术学院3D打印中心配合山东省中医药大学附属医院的医学专家们，成功地为一位22岁女性患者实施了“右腓骨近端骨巨细胞瘤”手术。

此次手术患者因病灶组织巨大，对腓骨近端及周围组织侵占较重，依据外科分级定为骨巨细胞二级。为了更加直观地了解病灶结构，山东工艺美术学院3D打印中心应院方要求，通过对病患CT超声波等多种数据信息进行综合采集，精确重建后的3D电子影像，利用光敏树脂材料按照与病灶结构1:1的比例打印3D模型。打印后的模型应用于术前讨论和治疗方案研究的全过程，提供了传统影像学检查难以显示的丰富信息，手术专家可以直观感受病人病灶的具体位置和状况，确保手术预判和实施更加准确安全，患者术后恢复非常好。

在3D技术的支持下，病灶3D模型的打印为手术的成功提供了很大的帮助。因为实施的是微创手术，有了病灶3D模型，可以清晰地、准确地研究制定手术方案，从而增加手术的成功率，同时，也大大减少了病人的痛苦。因此，3D打印技术应用于医学手术，特别是在骨科领域，是非常有帮助的。

2.2 3D打印技术应用于口腔科

随着社会生活水平的提升，口腔正畸的需求量正在快速增长，口腔齿科医生们逐渐开始用现代化的科技设备进行相关配件的加工制造。如当前使用较多的CNC制造技术以及最近新兴的3D打印技术已经慢慢地取代了原有的石膏咬模然后浇铸成型的原始方法。然而，相较3D打印技术，CNC成型方法在工艺路线及加工效率等方面具有较多的限制，而3D打印则是一种个性化生产。比如每个患者的牙间距离都是不同的，而3D打印技术能够灵活地、自动化地、标准化地满足此需求，从而优化生产效率、保证安全质量及降低材料消耗的制造成本。因此，3D打印快速成型技术目前正脱颖而出，并迅速占领应用行业市场较大的一部分份额。

2.3 3D打印技术应用于残疾人事业

在中国，每6分钟就有1人丧生，每1分钟就有1人因车致残，每年有10万个家庭在滚滚车轮的碾压下支离破碎！中国每年车祸人数已经连续十余年位居世界第一。到2014年底，中国民用汽车拥有量达1.46亿辆，同比增长15.22%，近三年来我国民用汽车拥有量增速均在15%以上。汽车的普及，社会实现了突飞猛进的发展，然而它又引发了接连不断的人为灾害，使人类蒙受了难以计数的损失。据统计，全球交通事故每年造成的经济损失高达5180亿美元。其中发展中国家占1000亿美元，是它们每年获得发展援助总额的一倍。如果继续无动于衷的话，在未来的20年内，这个数字将增加60%。

到2006年4月1日，全国各类残疾人的总数为8296万人，占全国总人口的比例为6.34%。肢体残疾2412万人，占29.07%。随着汽车的不断普及，这一数字和比例还在不断增长！全世界每年有150多万人在交通事故中丧生，数百万人受伤或致残，其中有近50%的交通事故受害者为15-44岁的青壮年。这些肢体残疾的年轻人是一个庞大的群体，他们迫切需要个性化定制式服务，3D打印技术将会给他们带来福音！3D打印技术不仅能提供定制式服务，更能提供个性化服务，可以帮助那些肢体残疾的年轻人，将残缺变为“个性的美”“独有的美”，让每个肢体残疾的人重新找回自信。

3.新技术、新设备将带来新产业

随着3D打印技术的不断发展，对新设备新材料的了解掌握成了新课题。目前世界上最先进的全彩色、多材料3D打印机已经进入市场，可以实现不同材质、不同硬度模型的制作，这将是艺术设计专业革命性的变革。这台设备可以让你的设计团队发挥自由想象，进行创造探索研究，可提供栩栩如生的色彩，中性色调、霓虹效果、阴影与增亮、纹理，以及超过36万种颜色的渐变会通过设计软件自动映射到真实模型。一次装填六种材料，以应对丰富的变化，无需更换存储仓。可任意混合刚性、柔性、透明或不透明材料，并将混合的材料应用到模型上。可以打印最小到 0.014 毫米的层厚度，相当于皮肤细胞宽度的一半，更准确表现模型的超微细节、光滑的表面和更快的打印速度，创造出真正令人惊叹的作品。新技术新材料新功能，将颠覆你对3D打印的看法。