淺析3D打印技術(shù)在定制家具中的應(yīng)用

萬海鑫, 馬思遠

(1.2.阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院 ，安徽 阜陽 236031)

目前，對于很多人來說，3D打印技術(shù)可以說是既熟悉又陌生，隨著其技術(shù)的發(fā)展，該項技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教育、交通、航空、醫(yī)療等行業(yè)中。在家具行業(yè)迅速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的設(shè)計、制造方式已經(jīng)不能滿足廣大消費者的需求，所以需要將3D打印技術(shù)應(yīng)用其中，以此來增強定制家具的多樣化、個性化，并引領(lǐng)制造業(yè)未來的發(fā)展方向。

1 3D打印技術(shù)的原理及現(xiàn)狀

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)是基于數(shù)字模型中三維物體的成形方式發(fā)展而來的，隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)應(yīng)用的成本逐漸降低，并提高了打印的速度，是一項綜合性的技術(shù)方式。3D打印技術(shù)的成形，需要對設(shè)計對象進行虛擬設(shè)計，然后使用3D建模的方式創(chuàng)建一個全新的制造對象。3D掃描儀能夠?qū)⒋蛴ο蟮?D數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的拷貝，并通過數(shù)據(jù)建立3D程序，同時將即將打印的程序整理成為文件，其軟件切片的模型會形成大量的水平層。將數(shù)據(jù)文件傳輸至打印機時，就會自動創(chuàng)建打印對象的數(shù)據(jù)層，圖1為3D打印技術(shù)原理的示意圖。

具體而言，3D打印技術(shù)的基本原理與傳統(tǒng)的打印技術(shù)原理極為相似，只是在二維的基礎(chǔ)上發(fā)生成為三維。在打印的過程中，需要在金屬、塑料等粉末狀的材料中打印出一層，這與二維打印技術(shù)相同，然后將具有黏性的打印層粘起來。經(jīng)過不斷的累計，使得每一個打印層都具有不同的圖像參數(shù)，從而形成三維對象[1]。

圖1 3D打印技術(shù)的原理

1.2 3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)的應(yīng)用極大地改變生產(chǎn)方式、供應(yīng)格局。實際上，定制家具屬于工業(yè)范疇，目前已有很多企業(yè)運用3D打印技術(shù)制作家具模型，不僅縮短了工作周期、提高家具生產(chǎn)的效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)保、節(jié)約材料的目的。目前，家具市場的主力消費為“80后”“90后”，這一代人追求個性、時尚，對于家具用品也不例外。所以說，將3D打印技術(shù)應(yīng)用在家具企業(yè)中，其產(chǎn)品必然會受到“80后”“90后”的青睞。以國外公司所展示運用3D打印技術(shù)定制的家具為例，其表面的品質(zhì)更加均勻，具有較強的設(shè)計感，同時紋路相對更加美觀，給很多消費者帶來視覺上的沖擊，增強了家具本身以及室內(nèi)的活力。從而使家具增加室內(nèi)的生動性。如圖2所示，國內(nèi)一些家具企業(yè)以3D打印技術(shù)為基礎(chǔ)，生產(chǎn)的定制家具，它的紋路十分美觀，立體感極強?？偟膩碚f，3D打印技術(shù)已經(jīng)在當前的定制家具中取得了一定的效果。

圖 2 3D打印技術(shù)生產(chǎn)的定制家具

作為一項新技術(shù)，3D打印在家具材料和工藝上有了創(chuàng)新的探索，但是該3D打印所采用的材料是否會影響人體健康，其環(huán)保性等各項指標是否符合標準，還有待檢測和認證。另外，由于3D打印家具還沒量產(chǎn)，價格也比較貴，因此3D打印的家具目前并不能成為大眾消費產(chǎn)品。就當前3D打印技術(shù)的發(fā)展而言，其類型、技術(shù)與材料都有具體的規(guī)定，如表1所示。

表1 3D打印技術(shù)的類型、技術(shù)與材料

續(xù)表

3D打印技術(shù)類型積累技術(shù)主要材料粒狀選擇性激光燒結(jié)熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末選擇性熱燒結(jié)熱塑性粉末選擇性激光熔化成形鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁電子束熔化成形鈦合金直接金屬激光燒結(jié)任何合金線電子束自由成形制造任何合金擠壓熔融沉積式熱塑性塑料、共晶系統(tǒng)金屬

2 3D打印技術(shù)在定制家具中的應(yīng)用設(shè)計

2.1定制家具設(shè)計方法

目前，隨著社會的發(fā)展，大部分消費者都更加傾向于“個性化定制”，正是因為消費者的需求，為定制家具提供了廣闊的發(fā)展空間。在應(yīng)用3D打印技術(shù)的過程中，便可基于消費者的個性化需求確定具體的設(shè)計方法，具體內(nèi)容如下。

2.1.1明確定制家具的理念、內(nèi)容以及意義，然后基于消費者的需求不斷地進行優(yōu)化，從而滿足消費者的需求。例如向消費者咨詢其喜好、需求以及對定制的想法等，然后再咨詢材質(zhì)、成本等方面的信息，從而設(shè)計方案進行優(yōu)化。另外，以椅子為例，如果消費者的腰部有疾病，還應(yīng)該將其納入考慮的因素，優(yōu)化椅背的曲線，提供舒適度。

2.1.2恰當運用自身的技術(shù)。在3D打印技術(shù)的背景下，定制家具設(shè)計人員的能力直接影響著設(shè)計的效果，因此設(shè)計人員應(yīng)該量力而行。例如同樣以定制椅子為例，如果在設(shè)計的過程中，部分技藝超出了自身的能力，那么在無法突破的情況下應(yīng)該選擇其他技藝，避免影響設(shè)計效果。另外，雖然定制家具的設(shè)計工作存在互通性，但是不同的設(shè)計依然存在區(qū)別，所以在設(shè)計椅子的過程中，盡量不要使用其他家具的設(shè)計方式。

2.1.3分析消費者反饋信息。當定制家具完成生產(chǎn)以后，通常很難在第一時間滿足消費者的需求，所以應(yīng)該根據(jù)消費者的反饋意見，再次對設(shè)計進行優(yōu)化，直到滿足消費者的需求，提高家具定制的質(zhì)量。

2.2確定定制家具設(shè)計點

目前，消費者對定制家具的需求趨于多樣化，他們都希望能夠在家具彰顯自己的個性，充分享受“定制服務(wù)”，因此設(shè)計人員應(yīng)該確定設(shè)計點，具體的方式如下。

2.2.1個性張揚。很多消費者在定制家具的過程中，要求設(shè)計人員在家具中彰顯出更多的個性化元素。對此，設(shè)計人員應(yīng)該運用更多的創(chuàng)意，大膽用色，創(chuàng)新家具的形狀和功能。

2.2.2崇尚簡約。在浮躁的社會中，很多年輕人更加崇尚簡約的家具設(shè)計，所以在應(yīng)用3D打印技術(shù)的過程中，切忌“浮夸”，要以實用為主，進而滿足消費者的需求，確定定制設(shè)計的關(guān)鍵點。

2.2.3彰顯身份。如果消費者在應(yīng)用過程中，有的人是為了彰顯自己的身份，對于這樣的需求，在運用3D打印技術(shù)的過程中，可以傾向于古風(fēng)設(shè)計，使定制家具更具韻味，彰顯身份[2]。

2.3制定定制家具方案

當確定定制家具的設(shè)計點以后，就需要制定3D打印技術(shù)定制家具的方案。以椅子為例，其具體的方案設(shè)計包括以下幾點。

2.3.1經(jīng)過對消費者了解、前期的頭腦風(fēng)暴等，在設(shè)計椅子的過程中，其具體的設(shè)計意向主要包括包裹、分割，然后結(jié)合既定的設(shè)計點進行設(shè)計創(chuàng)意。

2.3.2通常來說，創(chuàng)意階段需要幾位設(shè)計師進行商討，在思想的碰撞下確定設(shè)計草圖。然后不斷進行深化，確定椅子的功能和造型，如圖3所示。另外，在設(shè)計的過程中可以通過繪制草圖優(yōu)化設(shè)計方案。

圖3 定制家具設(shè)計草圖

2.3.3依據(jù)最終的設(shè)計圖，使用3D打印技術(shù)完成定制家具的全過程。結(jié)合草圖，椅子的最終成品為：椅子的曲面以直角轉(zhuǎn)折為主，其主體為黑色的塑料，而椅子腿為木材，通過塑料、木材的相互結(jié)合，使整個椅子呈現(xiàn)出時尚、大氣的視覺效果。椅子的整體采用分割、包裹的設(shè)計方式，將椅子的整體分為3個主要部分，最后使用3D打印技術(shù)進行打磨處理，然后完成組裝。

2.4選用定制家具工藝

基于對3D打印技術(shù)的了解、家具定制的方案等，在定制的過程中需要根據(jù)需求應(yīng)用3D打印粉末燒結(jié)成形技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，在打印家具時，3D打印粉末燒結(jié)成形技術(shù)能夠更好地處理木材的顏色，使椅子的成品更具自然美(見圖4)。

圖4 3D打印粉末燒結(jié)成形過程

就理論層面而言，3D打印粉末燒結(jié)成形技術(shù)對定制家具的材質(zhì)有著具體的要求：打印的材質(zhì)應(yīng)該具有較強的導(dǎo)熱性、熱塑性，并且燒結(jié)性能良好，能夠滿足加工性能、導(dǎo)熱性能、熱穩(wěn)定性、剛度、強度的需求。另外，在應(yīng)用3D打印技術(shù)定制家具的過程中，應(yīng)該選擇耐老化、耐水性、固化速度快、粘合強度大的膠合劑。在使用膠合劑的過程中，應(yīng)該重視當前的使用環(huán)境，從而更好的控制成本。例如3D打印技術(shù)在應(yīng)用的過程中，很多定制家具商家傾向于選擇脲醛樹脂膠粘劑，將其作為家具成形的主要膠粘劑，主要是因為該膠粘劑價格低、固化速度快、粘合強度高等優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)定制家具的定制、消費者的需求，選擇恰當?shù)哪z粘劑[3]。3D打印粉末燒結(jié)成形技術(shù)簡圖，如圖5所示。

圖5 3D打印粉末燒結(jié)成形技術(shù)簡圖

3 3D打印技術(shù)在定制家具中應(yīng)用的發(fā)展趨勢

3.1提高3D粉末打印的效率

在定制家具中，材料的氣體含量、夾雜、流動性、球形度、粉末粒度等因素都直接影響著成品的質(zhì)量。在應(yīng)用的過程中，激光熔融沉積成形對粉末的實際力度有著較強的適應(yīng)性，幾十微米至幾百微米不等。具體而言，細粉末主要應(yīng)用于家具的精細結(jié)構(gòu)中，但如果粒度小于40微米，則家具的穩(wěn)定性就會降低，甚至在熱輸入的過程中會影響材質(zhì)的性能。就激光熔融沉積成形而言，使用粗粉末完成定制家具的打印，在提高打印效率的同時，還能夠有效地降低成本。對于電子書、激光的選區(qū)，在定制打印時應(yīng)該選用25微米至45微米左右的粉末，如果粉末過大或者過小都會影響家具的質(zhì)量。因此，在打印定制家具的部分結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該根據(jù)位置的不同選用恰當?shù)姆勰┝６?，從而保證定制家具的質(zhì)量，發(fā)揮3D打印技術(shù)的價值。另外，3D打印的價格受粉末價格的影響，所以在定制家具中應(yīng)該尋求用戶的意見，在此基礎(chǔ)上選擇恰當?shù)姆勰?，滿足消費者的需求。

3.2增強設(shè)備的性能并設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)

對于3D打印設(shè)備而言，瑞典的ARCAM、美國的OPTOMEC、德國的EOS最具代表性，而中國3D打印技術(shù)起步較晚，為了促進3D打印技術(shù)在定制家具中的影響，需要增強3D打印設(shè)備的性能。目前，我國的3D打印設(shè)備的問題主要表現(xiàn)為：(1)尺寸較小，其中最大的3D打印設(shè)備尺寸僅有400毫米*400毫米*400毫米左右；(2)效率較低，3D打印技術(shù)定制家具的成本較高，其周期較長；(3)定制家具的精度、光滑度并不理想。

對此，為了有效地解決上述問題，就需要科研人員加大研究力度，擴大3D打印設(shè)備的尺寸，優(yōu)化送粉器、送粉頭的穩(wěn)定性與精度，為保證定制家具的質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。同時，為了更加精準地掌握定制家具的參數(shù)，可以在設(shè)備中安裝監(jiān)控系統(tǒng)，以便及時地發(fā)現(xiàn)打印中存在的問題，并提示工作人員進行干預(yù)，優(yōu)化家具的指令，例如可以使用城鄉(xiāng)監(jiān)控系統(tǒng)對粉末的尺寸、形狀進行監(jiān)控；使用照相系統(tǒng)對成形質(zhì)量、熔池進行檢測。通過上述方式，能夠使定制家具的工作人員更加清楚3D打印的全過程，便于及時糾正存在的問題，提高定制家具的質(zhì)量，促進家具市場的發(fā)展[4]。

3.3制定3D打印無損規(guī)范

如上文所述，應(yīng)用3D打印技術(shù)定制家具，其關(guān)鍵的工作就是拼接，所以裂紋、為熔合、夾雜、氣孔是其不能避免的問題。在應(yīng)用的過程中可以發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)在定制家具方面，數(shù)量、尺寸均可能出現(xiàn)問題，并且存在嚴重的波動性、隨機性。因此，為了能夠優(yōu)化定制家具的打印技術(shù)，就需要在具體的工作中，制定完善的3D打印無損規(guī)范。

3.3.1確定3D打印的方法、設(shè)備，主要目的就是識別定制家具打印中可能存在的缺陷，以便選用恰當?shù)膬?yōu)化方式。

3.3.2使用更優(yōu)質(zhì)的檢測工藝。在定制家具的打印中，3D打印的數(shù)據(jù)、文件較為復(fù)雜，所以會直接影響無損檢測的效果。換言之，在檢測的過程中使用傳統(tǒng)的方式、設(shè)備很難發(fā)現(xiàn)定制家具打印中存在的問題，因此需要使用在線檢測等新型的設(shè)備、方法。

3.3.3目前，在應(yīng)用3D打印技術(shù)定制家具中，分布、數(shù)量、尺寸、類型等界定標準尚未完善，所以會影響其未來的發(fā)展。在應(yīng)用3D打印技術(shù)的過程中應(yīng)該統(tǒng)一標準，完善定制家具的規(guī)范。

3.4建立3D打印技術(shù)的數(shù)據(jù)庫

家具的穩(wěn)定性、耐久性，除了受材質(zhì)、工藝的影響之外，還在很大程度上受力學(xué)性能的影響，但目前運用3D打印技術(shù)定制家具，其研究的重點在于力學(xué)性能，并且積累的性能相對有限，研究的材料較少，無法為定制家具的打印提供科學(xué)的依據(jù)。因此，應(yīng)該建立力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫，將打印工藝、粉末作為數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，即基于大量的研究，對缺陷控制、化學(xué)成分、工藝規(guī)范、粉末標準等進行系統(tǒng)、科學(xué)的界定。以此為前提，測試、表征的具體對象就是標準過程、流程下的定制家具打印材料，從而發(fā)揮力學(xué)性能的具體意義，增強定制家具的質(zhì)量，促進3D打印技術(shù)的發(fā)展。

3.5分析材料具體性能

不同的3D打印材料之間，都存在一定的差異性，為了能夠優(yōu)化3D打印技術(shù)在定制家具中的應(yīng)用，需要對不同材料的性能進行具體分析。因此，可以從以下幾方面入手：(1)分析微觀組織的演變規(guī)律、特征，確定對不同打印材料的評價方式；(2)如果材料存在為裂縫、未熔合、夾雜、氣孔等問題，則需要具體界定缺陷的類型、程度等；(3)在各項異性、組織不均勻的條件下，分析材料的斷裂行為、特征、原因以及可能性；(4)在評價定制家具材料的過程中，應(yīng)該對表面進行系統(tǒng)分析與評價；(5)根據(jù)打印材料的損傷容限特征、耐久性特征等建立評估模型；(6)對普載疲勞裂縫進行擴展分析、壽命預(yù)測；(7)在特定的環(huán)境中，確定打印材料的失效、損傷性能等。只有在打印過程中，明確打印材料的性能，才能夠提高定制家具的質(zhì)量[5]。

綜上所述，3D打印技術(shù)的原理相對復(fù)雜，但目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并加大對該項技術(shù)的研究力度。基于此，在家具定制行業(yè)中，采用恰當?shù)姆绞綉?yīng)用3D打印技術(shù)，打破傳統(tǒng)的制造工藝，不僅增強了定制家具的個性，還提高了定制生產(chǎn)的效率，并在一定程度上增強了3D打印設(shè)備的性能，建立了關(guān)于打印材料的數(shù)據(jù)庫。所以，在定制家具的行業(yè)中，為滿足消費者需求可以將3D打印技術(shù)應(yīng)用在制造中。