3D打印技术应用于服装设计的研究现状

王斯佳,唐红玉,鲍 伟,邓文韬

(常熟理工学院 艺术与纺织服装工程学院,江苏 常熟215500)

随着科学技术与时代的发展,3D打印技术从问世到应用普及,经历了不同阶段的创新与改良,至今已在国际空间、生物医疗、航空航天、建筑和汽车等领域应用日趋成熟。应用于服装设计方面,对传统服装设计的思维方式带来了新的可能。目前,世界上尝试将3D打印技术应用于服装设计且达到一定成就的设计师很多。但是由于3D打印材料在性能、质感、价格等方面与传统服装工艺面料存在一定差异,技术方法上也截然不同,所以3D打印服装设计面临着更多的难题与挑战。

1 3D打印技术概况

3D打印(Three Dimensional Printing)技术是以立体的三维数据为依据,将离散的材料自上而下逐层叠加形成实体的技术,此技术集中了CAD、CAM、CNC、激光,新材料和精密伺服驱动等先进技术精粹,采用全新叠加堆积形成法,与传统的去除形成法有本质区别,过程原理如图1所示。

图1 3D打印技术堆积叠层的基本原理过程图

按照采用材料和对材料处理方式的不同,3D打印技术可分为以下几种,如图2所示。

图2 3D打印技术主要的成形工艺方法及分类

2 应用于服装的3D打印技术

3D打印技术以其强大的物体自由成型及快速打印的能力,在传统工艺制造业上激起了一场轩然大波,由此带动了许多艺术家的灵感,许多突破次元壁垒的伟大艺术品被创造出来。3D打印服装产业,其精确的三维扫描技术通过数据再现,为个人打造独一无二的人体模型,从而实现仿真拟合,达到完美的量体裁衣。

2.1 液态树脂光固化技术的3D打印服装

2011年,巴黎高定时装周上出现的3D打印礼服一出场就瞬间惊艳四座。荷兰设计师荷本名为“结晶”的作品造型奇异,线条迷幻,具有高度的艺术水平,给人强烈的视觉冲击。荷本选择液态树脂为原料,以光固化技术为支撑,层层堆叠,形成服装造型。此技术的优点是:成形精度相对较高,制件结构轮廓清新且表面光滑,适合制作结构形状非常复杂的制件。但这种技术对打印物体的大小有限制,适用于此技术的光敏材料具有高强度、耐高温、防水的特点[1]。

树脂材料虽然有一定的纺织性能,但与传统面料相比,其柔软性、亲肤性、舒适性、透气性仍无法达到日常穿戴的要求。此外光敏树脂材料价格偏贵并带有一定毒性,使用于服装不适合长期穿戴。

2.2 尼龙材料的3D打印服装

ABS、PLA及尼龙粉末等较轻型的塑料也可作为3D打印的优良材料。目前,国内外生产销售的尼龙大多只能用选择性激光烧结的方法进行加工。2011年,首款以尼龙为材料的3D打印比基尼泳衣出现,该泳衣使用熔融沉积和激光烧结技术无缝拼接而成,这种尼龙拉伸强度大、弹性好,通过CAD模型优化设计,具有良好的防水性、结实度与柔韧性[2]。2013年,礼服设计师Micheal Schmidt和建筑设计师Francis Bitont联手制作了一款全铰链的3D打印礼服,这套礼服与模特的曲线高度贴合,双肩的凸起极具立体感,传统工艺还无法展现这种效果[3]。

总体来说,以尼龙为材料制作的3D打印服装具有的较好柔韧性、机械性、低密度等优良性能,使其成为许多服装设计师3D打印制作服装的理想材料之一。但尼龙原料成本高,与传统面料相比,柔软度和飘逸感差[4]。

3 新材料在3D打印服装上的应用

3.1 新型生物材料应用

由于以往技术和材料上的不足,3D打印服装不能适合日常穿戴,研发人员不断在材料技术上做了创新和尝试,并取得了一定的成果。

麻省理工研发了一种新款生物混合面料,这种面料以从纳豆中提取纳豆菌并将其用3D打印技术打印到氨纶织物中。据研究发现,纳豆生长于环境比较干旱的水稻秸秆里,对于周围环境的湿度和热量的变化极为敏感,并会因此而发生扩张和收缩。当空气中湿度增加时,每个纳豆细胞可以迅速扩大1～2倍。以纳豆菌的独特特性为灵感,制作出的面料会根据人们汗湿的情况作出反应并帮助其排汗与散热。这种会自动收缩与扩张的面料极大增加了穿着的舒适性,使3D打印服装也兼具这一功能。如图3所示为biohybrid生物混合材料。

捷克研究生Lucie Trejtnarová设计了一款有机3D打印鞋(图4)。这种鞋用椰子皮和菠萝皮等天然材料制作而成。鞋底材料为Flexfill 98A,此材料为半柔性,对湿度敏感且具有一定硬度,这些材料专为动态受压部件、密封件和鞋垫设计(图5)。当鞋子不再使用时,可以回收再利用,椰子皮和菠萝皮属于纯天然的材料,可以在自然中充分被降解,不会对环境产生任何不良影响。

图3 biohybrid生物混合材料

图4 3D打印鞋

图5 3D打印鞋底

3.2 3D设计的优化材料性能

3D打印是一种技术与材料密不可分的产业,材料的研究开发不能完全满足对于打印产品的需求,这就需要打印技术和设备的提升与改进。技术的主要部分就是3D画图软件,即我们常说的建模软件,完整的模型数据是打印一件物品的基础。通过建模软件可以对设计目标进行结构的优化,改变原材料的物理性能,从而整体上改变材质的性能,达到新材料的效果。

设计工作室Nervous System研发出一款名为“Kinematics”的全新3D打印软件,这款软件可以分析运动学模型,打印可连接的三角形模块,制作出可折叠、柔软的3D打印服装,解决塑料材质无法折叠、弯曲的情况,设计师可通过软件控制每个三角形的尺寸、位置和数量,也能够改变其细微形态,制造理想的面料肌理[5]。

4 3D打印技术下的服装造型设计

3D打印技术应用于服装设计可以很大程度上减少造型的障碍,可以有更多细节上的表达,包容性强,对于设计师的想法可以很大限度的满足。虽然技术和材料上仍有不足之处,但通过合理的设计,方法的优化,材料的合理搭配,仍能达到理想的设计要求。以下分别阐述了3D打印和服装造型如何更好地结合。

4.1 外部轮廓造型

自3D打印技术应用于服装以来,3D打印出来的服装结构复杂多变,造型奇异,突破传统服装手段对于造型的限制,达到了一切形态都可应用于服装造型,一切想象都可用于服装造型的境界。自然万物,有形的无形的,固定的流动的,抽象的具体的,都可以变为服装的造型。如荷本的作品定格水花(图6),水花环绕周身最后凝固为飞溅状态,外观看来,水花打破自然形式的限制,呈现出自由灵活的状态,给人以强的神秘感和艺术体验[6]。最终完成的作品带有设计师强烈的个人色彩,将设计师的设计理念和情感最大限度的具象化,成为集艺术审美与个人审美于一体的伟大艺术品。

图6 定格水花

4.2 内部细节设计

整体的外部轮廓造型是由无数细节堆积排列组合而成,从而形成一个完整的个体。3D打印技术对服装细节的刻画可以说达到近乎完美的精细程度,如图7中的服装,图案繁复精美,线条自然,曲率光滑流畅,层层堆叠变化丰富,疏密相见,杂而不乱,具有丰富的节奏韵律感,繁复中可窥见其森严的秩序层次。所有的细节如音符一样,谱写了整首恢弘的大乐章。不仅在服装上,服饰配件和鞋子等也是造型设计的一环,缺一不可。如图8中鞋子以珊瑚丛为灵感,将其错综复杂,交叉盘旋的生长状态和鞋子结构完美结合,并将其艺术感表现出来。这种惊人的细节刻画也只有3D打印技术可以实现。

图7 3D打印细节礼服细节

4.3 三维参数在服装设计造型上的应用

3D打印技术的独特之处在于以三维参数为依据建立模型。传统服装的结构片面单一、立体造型感不强,通过三维参数化设计可为服装新形态构建提供变化的逻辑结构,赋予服装更多立体空间的可能性。对于3D打印服装而言,参数的变化包括细节变化、结构变化、造型变化,以三维参数技术支撑的建模软件可完美地构建人体曲面形态[7]。因此,对于3D服装设计师而言,不仅要掌握传统服装画图、量体裁衣的技能,更要能熟练运用3D打印软件,设计理想的3D打印服装。

5 3D打印技术下色彩的应用

色彩问题一直是3D打印设计的一块软肋。因为大部分3D打印技术目前还不能做到打印物品的同时打印色彩。大多是后期上色,但是后期上色要承担材料损坏,色彩不精的风险,费时费力。随着科研人员的研究,3D打印色彩的问题在逐渐改善。打印机制造商Mimaki对外宣布推出Mimaki 3DUJ-553 UV LED打印机,该打印机可以打印1 000万种色彩,设计师无需再耗时的手绘,该打印机可以满足基本类型的3D对象的全色建模的最严格的专业要求,这种全彩色建模方法能够实现FOGRA 39L色域的84%和SWOP色域的90%,这对于3D打印设计者来说无疑是巨大的福音[8]。

6 结语

将3D打印技术应用于服装是服装设计行业的一个重大的、里程碑式的飞跃。尽管当下的3D打印服装由于材料、成本、技术问题,不适用于日常生活服用,不能普遍应用到家庭生活中,但是越来越多的研究人员和设计师共同研究尝试新材料、新技术、新的设计来不断完善3D打印技术,通过对造型设计的研究,细节结构优化提升材料性能,最终3D打印服装日常化、可穿着化、大众化、私人定制和智能制造将会逐渐普及。