3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

邱春來(lái) 衡小東

摘? 要：3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的木家具“減材制造”有著本質(zhì)的區(qū)別，其為蘇作家具設(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其讓家具的前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)更加靈活，其承擔(dān)了更多的核心研發(fā)責(zé)任。3D打印技術(shù)應(yīng)用于蘇作家具設(shè)計(jì)研究以蘇作家具為著眼點(diǎn)，對(duì)3D打印的技術(shù)原理與工藝特性做簡(jiǎn)要闡述，以普適性的設(shè)計(jì)流程為主線，探討3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用，以及由此帶來(lái)的環(huán)節(jié)優(yōu)勢(shì)，并總結(jié)一套理論框架為設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：3D打印;蘇作家具;設(shè)計(jì)研發(fā)

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“數(shù)字時(shí)代背景下蘇作家具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研究”（17YSD011）研究成果。

一、3D打印的技術(shù)原理與工藝特性

（一）3D打印的技術(shù)原理

3D打?。?D Printing）屬于增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），其生成原理為首先將目標(biāo)產(chǎn)品的三維模型離散，然后使用特定設(shè)備的再涂層技術(shù)，將離散的三維模型分層堆積最終完成實(shí)體打印[1]。3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)有較多優(yōu)勢(shì)，例如制造過(guò)程不需要模具或復(fù)雜的刀具，能夠高效且相對(duì)低成本地生成復(fù)雜的三維形狀或多層結(jié)構(gòu)，原材料浪費(fèi)較少，能夠靈活生產(chǎn)中小批量或定制產(chǎn)品，產(chǎn)品成本控制和可預(yù)測(cè)性較高等優(yōu)勢(shì)[2]。隨著3D打印材料和技術(shù)方法的不斷革新，3D打印技術(shù)中的細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域逐漸完善，3D打印產(chǎn)品在生物相容性、機(jī)械性能、耐候性、視覺(jué)效果等方面有了質(zhì)的飛躍，也正因此在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

（二）常用于家具的3D打印技術(shù)特性

3D打印的技術(shù)細(xì)分廣泛，核心的3D打印技術(shù)包含熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等三種。在家居領(lǐng)域經(jīng)常應(yīng)用的3D打印技術(shù)主要有打印技術(shù)有熔融沉積（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLA）、墨料直寫(xiě)成型（DIW）、分層實(shí)體制造（LOM）及噴墨打印成型，其打印方法及其主要特征如表1。其中FDM相比較于其他3D打印技術(shù)，其尺寸精度和分辨率最低，但因其技術(shù)成熟、成本低廉、交貨期短等優(yōu)勢(shì)，作為原型打印機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。SLS工藝生產(chǎn)物件的機(jī)械性能良好，可打印功能零件和原型，打印過(guò)程不需要任何支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)雜的空間幾何形狀有良好的打印效能，因此SLS相比較于其他3D打印技術(shù)更適合家具的中小批量生產(chǎn)場(chǎng)景。

二、3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

“蘇作家具”指江南地區(qū)生產(chǎn)制作的硬木家具，保持和繼承上述做法和式樣的家具均屬于蘇作家具的概念范疇[3]，例如海派家具，新中式家具等，而不局限于某個(gè)特定的歷史時(shí)期。3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用場(chǎng)景較為廣泛，從制造上劃分主要應(yīng)用場(chǎng)景包括整體家具、家具零部件、家具表面裝飾等三部分;從蘇作家具的設(shè)計(jì)研發(fā)流程劃分主要應(yīng)用場(chǎng)景包括蘇作家具的研究階段、創(chuàng)意設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)制造階段等三個(gè)階段。3D打印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)受蘇作家具的特殊性和3D打印技術(shù)的可行性和技術(shù)限制、成本和制造需求等因素的限制，同時(shí)也為具體應(yīng)用環(huán)節(jié)的特殊需求帶來(lái)了新的解決方案。下面以蘇作家具的研發(fā)流程為主線對(duì)3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作以闡述。

（一）研究階段的應(yīng)用

1. 對(duì)文獻(xiàn)的立體復(fù)原

蘇作家具最早出現(xiàn)于宋元時(shí)期，其分水嶺在于蘇作家具多使用硬木而有別于隋唐時(shí)期的漆木家具，該時(shí)期的蘇作家具實(shí)物很難考證，研究工作主要從書(shū)籍和繪畫(huà)中展開(kāi)[4]。明清時(shí)期出現(xiàn)了宮廷蘇作、民間蘇作、廣式蘇作等多種蘇作家具的分支，而各分支的工藝、紋樣、形制、式樣等又形成了龐大的信息系統(tǒng)，歷史流傳至今的蘇作家具分散在世界各地，少量的實(shí)物和大量的文獻(xiàn)資料對(duì)蘇作家具的設(shè)計(jì)研究者來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的復(fù)原工作受執(zhí)行者經(jīng)驗(yàn)和技藝水平影響明顯，而使用3D打印技術(shù)結(jié)合三維軟件建模技術(shù)，能夠?qū)⑽墨I(xiàn)資料高效地轉(zhuǎn)化成實(shí)物模型，經(jīng)過(guò)表面后處理工藝便可直接用于展示、研究、教學(xué)等需求。

2. 對(duì)文物的維護(hù)與修復(fù)

蘇作家具的修復(fù)難度主要體現(xiàn)在材料的珍貴與工藝的繁雜，對(duì)修復(fù)人的技術(shù)水平要求高，例如蘇作家具中的雕刻紋樣常使用的鑲嵌材料多為玉石、象牙、螺鈿等，傳統(tǒng)的匹配修復(fù)方法難度極高[5]，而對(duì)蘇作家具的名貴硬木殘缺部分的木料匹配和木紋修復(fù)則更加考驗(yàn)修復(fù)人的經(jīng)驗(yàn)和水平[6]。使用3D打印技術(shù)配合3D實(shí)體掃描、表面后處理工藝等技術(shù)則能夠代替尋料、測(cè)量、技藝還原等障礙進(jìn)行實(shí)體復(fù)原，為蘇作家具文物保護(hù)和修復(fù)工作帶來(lái)了極大的便利。

（二）創(chuàng)意階段的應(yīng)用

1.創(chuàng)意設(shè)計(jì)與細(xì)節(jié)推敲

現(xiàn)代的蘇作家具創(chuàng)意設(shè)計(jì)階段與普適性的設(shè)計(jì)流程類似，均需要經(jīng)歷“方案草圖設(shè)計(jì)-方案三維建模-產(chǎn)品打樣”等主要的設(shè)計(jì)驗(yàn)證步驟，而對(duì)于追求設(shè)計(jì)美學(xué)和產(chǎn)品功能和諧統(tǒng)一的蘇作家具的設(shè)計(jì)而言還存在特殊性需求，例如蘇作家具中存在大量細(xì)而三維的空間曲線，諸如圈椅的扶手，案幾的羅鍋帳等，在三維模型中推敲其空間走向亦不夠直觀。將3D打印樣件的環(huán)節(jié)穿插于方案三維建模和產(chǎn)品打樣之間，有效地緩解了建模階段空間曲線不清晰，以及打樣解決問(wèn)題聚集等的矛盾。圖1項(xiàng)目為作者參與的一款新中式蘇作家具方案設(shè)計(jì)過(guò)程，其扶手轉(zhuǎn)折處的三維曲線在經(jīng)過(guò)FDM技術(shù)打印成實(shí)體后，與打樣師傅討論實(shí)木加工的可行性，并得到了較好的細(xì)化和修正。

2.整套家具的比例尺度和視覺(jué)效果推敲

蘇作家具設(shè)計(jì)中一般包括整套家具的情況，例如茶室家具套件，書(shū)房家具套件，客廳家具套件等，而套件搭配在一起比例是否和諧，設(shè)計(jì)語(yǔ)義是否統(tǒng)一等問(wèn)題，在實(shí)體模型中更能夠獲得直觀的判斷。3D打印技術(shù)可將家具三維設(shè)計(jì)模型等比例縮小，并通過(guò)控制精度使打印物件保留一定的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，而傳統(tǒng)的木材加工或其它減材制造方法則在工藝和時(shí)間上很難實(shí)現(xiàn)（如圖2）。

3.滿足3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)的新設(shè)計(jì)思路

3D打印技術(shù)以能夠直接生成復(fù)雜的空間幾何形體、免去模具或組裝等傳統(tǒng)工藝過(guò)程而為蘇作家具的設(shè)計(jì)思路上提供了新的可能。例如蘇作家具的結(jié)子雕飾，可以使用3D打印技術(shù)加工部件，在滿足支撐和人機(jī)工學(xué)等結(jié)構(gòu)和功能需求的前提下，豐富結(jié)子的三維空間形態(tài)，而傳統(tǒng)的雕刻技藝受材料和雕刻技藝的限制很難實(shí)現(xiàn)套疊或懸空的效果。

（三）制造階段的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的家具行業(yè)制造模式從傳統(tǒng)手工作坊模式演化到工業(yè)化大批量生產(chǎn)模式[7]，90年代后小批量生產(chǎn)模式開(kāi)始流行，大規(guī)模定制模式亦開(kāi)始推廣，傳統(tǒng)的蘇作家具行業(yè)受新的市場(chǎng)需求刺激，向3D打印等新技術(shù)尋求支持。

1.整體蘇作家具或結(jié)構(gòu)件打印

受地域特征等原因的影響，蘇作家具本身具有利用復(fù)雜工藝節(jié)省用料的傳統(tǒng)，例如使用包鑲等工藝掩蓋雜木內(nèi)部的雜木骨架，使用名貴的硬木薄板做表面裝飾。而時(shí)下整體家具產(chǎn)業(yè)面臨著原材料供應(yīng)緊張的問(wèn)題，處于林業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈下游的家具行業(yè)，對(duì)木料的高效利用是“生態(tài)產(chǎn)業(yè)”的重要一環(huán)[8]，蘇作家具的生產(chǎn)同樣面臨著可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。3D打印技術(shù)能夠使用熱塑性材料代替木料進(jìn)行具有蘇作家具風(fēng)格的低成本家具的生產(chǎn)，從而大大減少了木料的使用，更提升了生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，由于蘇作家具有漆飾穿帶的傳統(tǒng)，因此挑選適合對(duì)應(yīng)木料的機(jī)械性能的材料，便可使用3D打印出的物件替代穿帶內(nèi)的雜木，應(yīng)用于中高端的蘇作家具的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2.家具零部件打印

用于裝飾的蘇作家具零部件主要包括五金件和鑲嵌裝飾，使用3D打印技術(shù)能夠滿足小批量或定制化的五金件生產(chǎn)，一些柜門(mén)鎖環(huán)等相對(duì)復(fù)雜的五金件更可以使用3D打印技術(shù)直接生成，免去了制造上組裝加固環(huán)節(jié)，同時(shí)也為免去了五金件的設(shè)計(jì)的限制。

3.表面裝飾處理

蘇作家具強(qiáng)調(diào)利用木本身的紋理作為家具的天然裝飾，而大批量生產(chǎn)和硬木原材料緊缺的矛盾催生出了利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)模仿硬木紋理的表面處理手段，例如使用噴墨打?。↖JP）技術(shù)可用于模仿彩繪、螺鈿等傳統(tǒng)裝飾工藝[9]，還可以模仿淺浮雕等起伏較薄的雕刻工藝，以及滿足紅木的木紋、木色等紋理和色彩的需求。3D打印表面裝飾技術(shù)在保持成品裝飾性能的同時(shí)，讓蘇作家具的天然材料裝飾技術(shù)和成本門(mén)檻降低，同時(shí)也提高了普通木料商業(yè)附加值[10]。

三、結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計(jì)的研究階段、創(chuàng)意設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)制造階段的應(yīng)用前景廣闊，為推動(dòng)蘇作家具領(lǐng)域向智能制造方向發(fā)展提供了動(dòng)力。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受多種因素的影響，這其中不乏包括具體3D打印技術(shù)的工藝特征和工藝限制，生產(chǎn)時(shí)間和成本的控制，設(shè)計(jì)師創(chuàng)意經(jīng)驗(yàn)，表面后處理工藝限制，拆裝和運(yùn)輸?shù)壬唐吩V求等。這就要求設(shè)計(jì)師對(duì)各種生產(chǎn)工藝有廣泛的了解，如工藝的優(yōu)缺點(diǎn)、可制造的幾何形狀和相關(guān)的生產(chǎn)成本等。隨著3D打印技術(shù)的不斷革新，其在成本控制、生產(chǎn)效能、表面精度、表面裝飾性等方面會(huì)有更優(yōu)越的表現(xiàn)，屆時(shí)將會(huì)為蘇作家具領(lǐng)域提供更多的科技賦能。

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作者簡(jiǎn)介：

邱春來(lái)，碩士，蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)。

衡小東，碩士，蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。研究方向：中式古典家具設(shè)計(jì)制造。