3D打印技術(shù)在竹制品生產(chǎn)中的應(yīng)用研究*

崔俊杰

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，鄭州 450002)

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)生產(chǎn)制作基本模式，讓越來越多之前僅僅能夠停留在圖紙作業(yè)的產(chǎn)品，經(jīng)過計算機多媒體的精確分析之后，快速而精準地轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨锂a(chǎn)品。這項技術(shù)可讓竹制品制作，這種需要對竹纖維材質(zhì)進行精確規(guī)劃的生產(chǎn)制作工藝，不再考慮因為人工因素造成的竹制品圖形圖案差異，按照預(yù)設(shè)的計算機程序進行精細加工。

1 3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)是一種通過材料逐層添加制造三維物體的變革性、數(shù)字化增材制造技術(shù)[1]。也被稱作“添加制造”。美國ASTM 2009年公布的定義是：一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法相反的，基于三維數(shù)字模型的，通過采用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的工藝，包括：添加成型、添加工藝、添加技術(shù)、添加分層制造、分層制造和無模成型[2]。

2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于竹制品生產(chǎn)中設(shè)計方式

2.1 “來圖制造”型

在竹制品生產(chǎn)制作過程中融入的3D打印技術(shù)，并不是完全將3D打印機以噴涂材料的形式出現(xiàn)，如果將竹纖維做成液態(tài)，其纖維的柔韌性會明顯降低。在竹制品基本造型的基礎(chǔ)上，以3D打印技術(shù)來對復(fù)雜圖形進行“二次加工”，是現(xiàn)階段3D打印技術(shù)應(yīng)用于竹制品生產(chǎn)中的常用方式（如圖1所示）。

這類產(chǎn)品屬于“小眾化”產(chǎn)品，其造型、內(nèi)容、方式基本按照客戶設(shè)計思路上的圖形圖案來完成。這種“來圖制造”看似符合客戶基本需求，然而由于無法有效體現(xiàn)竹制品設(shè)計人員對竹制品的設(shè)計思路，因此，這些產(chǎn)品符合消費需求，但缺乏創(chuàng)新思路。

圖1 利用3D打印技術(shù)完成的竹制品Fig.1 Bamboo products using 3D printing technology

2.2 “定制”型

有很多從事竹制品設(shè)計與生產(chǎn)的人認為，定制類型3D打印竹制品與來圖制造型基本類似，其實這是對3D打印技術(shù)有效應(yīng)用的一種認知誤區(qū)。這種產(chǎn)品的定制方式，客戶并沒有給出具體的圖形圖案，只是給設(shè)計人員提出一個設(shè)計方案[3]。因此在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，設(shè)計師可根據(jù)其對竹制品的不同理解，勾勒出竹制品特殊造型，再借助專業(yè)3D打印機完成生產(chǎn)制造。

圖2 定制型竹制品掛飾Fig.2 Customized hanging decorations for bamboo products

由于設(shè)計與生產(chǎn)這種產(chǎn)品，給設(shè)計師預(yù)留的拓展空間較大，因此設(shè)計人員在進行產(chǎn)品定位時，能夠汲取和借鑒的設(shè)計方式也較多。將竹制品傳統(tǒng)生產(chǎn)制造工藝與3D打印技術(shù)相結(jié)合，或者是在之前竹制品傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上再進行3D打印加工，其藝術(shù)性就能夠得到明顯提升（如圖2所示）。

圖2就屬于這種竹制品定制類型的“再加工”生產(chǎn)方式，所有的色彩以及異形結(jié)構(gòu)，都是在之前傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)及工藝的基礎(chǔ)上借助3D打印技術(shù)進行的二次加工[4]，如此一來，產(chǎn)品的色彩與結(jié)構(gòu)就更為艷麗、豐富，所傳達出來的視覺傳遞信號也從之前的平面信號向立體信號升級，從而讓產(chǎn)品的可視性、藝術(shù)性特征更為飽滿。

2.3 “創(chuàng)新”型

由于竹纖維具有較強柔韌性，竹制品的造型較易控制，能夠讓其在造型變換上具有較強的適應(yīng)能力，然而由于竹纖維對于色彩顏料，特別是油脂材料的吸附性較弱，因此在傳統(tǒng)竹制品中，色彩的影響力明顯偏弱[5]。不過當3D打印技術(shù)在竹制品生產(chǎn)中得以全面應(yīng)用之后，這種局面已逐步扭轉(zhuǎn)（如圖3所示）。

圖3 UV方式3D打印的竹制工藝品Fig.3 Bamboo handicraft using UV 3D printing technology

在竹制品的3D打印生產(chǎn)過程中增加UV方式（如圖3所示）[6]，主要是因為這樣能夠借助多媒體數(shù)碼技術(shù)，徹底解決打印偏位和打印拉絲不牢固等直接影響產(chǎn)品視覺效果和質(zhì)量的問題，增加產(chǎn)品色彩的層次感。

但由于UV技術(shù)在應(yīng)用的過程中需要對竹制品的尺寸造型有一定的限制要求，按照現(xiàn)在的技術(shù)條件來看[7]，大型或者超大型的產(chǎn)品并不能完成直接生產(chǎn)，所以，竹制品生產(chǎn)設(shè)計人員的創(chuàng)新設(shè)計方案，基本上以器型較小的產(chǎn)品為主。

另外，考慮到產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)成本，這種器型較小的產(chǎn)品對于年輕用戶的吸引力較強，這樣就明顯提高了其市場迎合效應(yīng)，這種小巧精致的產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計模式能較好地適應(yīng)終端消費市場需求。

3 3D打印技術(shù)在竹制品生產(chǎn)中應(yīng)用難點

盡管從3D打印的竹制品銷售來看，市場前景比較樂觀，但從客觀上來講，目前的生產(chǎn)技術(shù)和工藝仍然有待提升，應(yīng)用難點較多。如不能妥善解決這些問題，將很難有效提升3D打印竹制品的使用壽命。

3.1 竹制材料匹配性

與其它材料的3D打印不同的是，竹制品3D打印產(chǎn)品不僅有一次成型的，還有組合成型的（如圖1所示），這對竹制品材料與打印設(shè)備、竹制品的材料與材料之間的匹配性有較高要求。竹纖維在常溫狀態(tài)下仍然有較強的活躍性，這就導(dǎo)致其在進行材料匹配的過程中，很容易導(dǎo)致物理特征出現(xiàn)變化，例如纖維素(C6H6O6)n是細菌良好的培養(yǎng)基[8]，但是同等數(shù)量的細菌在棉、木纖維上能繁殖，而竹子纖維會抑制細菌生長，具有天然抗菌性的同時，由于纖維表面含有大量—OH羥基易和水分子形成氫鍵，竹原纖維吸濕后水分進入無定形區(qū)后，削弱大分子內(nèi)部鍵能，纖維含量就會從40%降低到25%左右[9]。

要想使竹制品在經(jīng)過3D打印后保持纖維穩(wěn)定性的同時，還讓材料之間的匹配性穩(wěn)定，就必須確保所有竹制品材料保持在纖維直徑為0.03～0.18 mm，纖維長度為10～40 mm,含水量≤15%[10]。

特別需要強調(diào)的是，在多色彩3D竹制品打印的過程中，顏料有可能會直接影響到竹纖維的含水率，從而造成竹制品原材料的孔隙增多，剛度明顯增大。避免這種情況出現(xiàn)的最直接方式是提升整個纖維染色性，經(jīng)過實驗室的階段性實驗分析，將竹纖維的色牢度控制在3.5左右之后，用于3D打印的竹制品材料顏色穩(wěn)定性有明顯提升。

3.2 竹制材料穩(wěn)定性

影響竹制品材料工藝品使用壽命的最大制約因素是霉變、蟲蛀，由于按照3D打印技術(shù)生產(chǎn)的竹制品已經(jīng)改變了竹纖維的物理特征，因此無法保證竹纖維的穩(wěn)定性。運用UV設(shè)計及生產(chǎn)制造工藝，能夠在一定程度上提升竹制品材料的穩(wěn)定性，但是在3D打印過程中，竹纖維材料的溫度會在7～14 ℃的常溫保存期，在60～100 s之間快速達到55～70 ℃之后，在60～100 min之內(nèi)再恢復(fù)到常溫狀態(tài)[11]，這是否會破壞掉竹纖維的霉變防護，在實際應(yīng)用中并沒有得到印證，但在實驗室采取的破壞性采樣實驗階段，出現(xiàn)了由于竹制材料穩(wěn)定性被破壞之后[12]，竹纖維產(chǎn)生碳化或者是竹纖維中的纖維素物理特性弱化現(xiàn)象。

解決這種問題需要改變竹纖維提取方式，優(yōu)化3D打印材料，強化竹纖維的穩(wěn)定性[13]，從而讓整個竹制品材料的濕度一直保持在50%～60%[14]，如條件允許，有必要對竹制品材料，特別是用于3D打印生產(chǎn)方式的打印材料，在完成基礎(chǔ)材料匹配的情況下進行除濕處理，反復(fù)加熱和對原材料進行空氣流動，其效果較明顯。

3.3 成品使用壽命延長性

按照傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝制作的竹制品一旦開裂就很難完成修復(fù)，基本報廢，依照3D打印技術(shù)生產(chǎn)的竹制品，雖然能夠較好地規(guī)避開裂這個問題[15-25]，但由于其在整體打印過程中沒有運用熏蒸工藝[26-34]，導(dǎo)致防止開裂的藥劑無法被竹纖維吸收，所以3D打印的竹制品韌性較強但剛性較弱，易在鏈接處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

解決該問題需要調(diào)整的工藝較多。在3D打印的液態(tài)材料中增加熏蒸藥水，待3D打印完成之后再對其進行熏蒸工藝的處理[35-44]，但實際應(yīng)用效果并不理想，原因是由于3D打印的過程會出現(xiàn)加溫效應(yīng)，而這些熏蒸藥水易揮發(fā)，在揮發(fā)之后就失去了作用。因而必須要在材料進行3D打印之前進行“加濕-加藥-除濕”的循環(huán)操作步驟，如果一次處理效果不明顯，應(yīng)進行多次循環(huán)操作[45-48]，這樣才能促進熏蒸藥水被竹纖維吸收。

4 竹制品生產(chǎn)“3D打印化”展望

現(xiàn)階段被應(yīng)用于3D打印的竹制品，多為竹粘膠纖維和天然竹纖維兩種，但因其特征和品性之間存在較大差異，所以其設(shè)計生產(chǎn)出來的3D打印竹制品物理特性也不完全相同。從終端消費市場的反饋來看，3D打印竹制品受成本制約[49-50]，工業(yè)化量產(chǎn)操作性不強，以工藝品形式出現(xiàn)，是下階段竹制品生產(chǎn)“3D打印化”的階段性發(fā)展趨勢，只有降低制作成本，才能真正在終端消費市場上實現(xiàn)推廣。

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)具有能縮短產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)周期、簡化產(chǎn)品制作流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量與性能等優(yōu)點。將該技術(shù)應(yīng)用于竹制品生產(chǎn)中，其設(shè)計方式多樣，為竹制品生產(chǎn)企業(yè)帶來良好的社會和經(jīng)濟效益[51-52]。但3D打印技術(shù)在竹制材料匹配性、竹制材料穩(wěn)定性及成品使用壽命延長性等方面存在應(yīng)用難點；基于此，本文提出了相應(yīng)解決措施，并分析了竹制品生產(chǎn)“3D打印化”發(fā)展趨勢，希望為3D打印技術(shù)在竹制品生產(chǎn)中的應(yīng)用提供借鑒，推動我國竹制品設(shè)計制造方式的多元化發(fā)展。