3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

牛牛

摘? 要：3D打印技術(shù)是在電腦技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合使用材料科技所形成的新技術(shù)，深化其在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能有效提升家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量。本文在闡述3D打印技術(shù)類型的基礎(chǔ)上，分析該技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用情況，并指出該技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，期望能實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)與家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效結(jié)合，推動(dòng)家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的有序發(fā)展。

關(guān)鍵詞：家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)；3D打印技術(shù)；應(yīng)用要點(diǎn)

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，其工作原理與普通的打印機(jī)相似?，F(xiàn)階段，3D打印技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用，如建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、家具、珠寶領(lǐng)域等。在家具設(shè)計(jì)中，規(guī)范化地使用3D打印技術(shù)，能提升設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，推動(dòng)家具設(shè)計(jì)的個(gè)性化、輕量化和高精度化發(fā)展。

一、3D打印技術(shù)內(nèi)涵

3D打印技術(shù)本身是一種快速成型的技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生活中，它又被人們稱為增材制造。早在1984年，查爾斯·赫爾就已經(jīng)發(fā)明了SLA3D打印技術(shù)，3D打印技術(shù)由此產(chǎn)生。從技術(shù)原理來看，在計(jì)算終端設(shè)備的支撐下，3D打印技術(shù)能依托數(shù)字化三維模型方案，通過層疊累加的“材料打印”方式，將打印的東西以三維實(shí)體狀態(tài)呈現(xiàn)出來。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，3D打印技術(shù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑逐漸多樣，這些技術(shù)都是在電腦三維設(shè)計(jì)軟件的支撐下制作三維數(shù)字化模型的，雖然各種技術(shù)所使用的材料性質(zhì)有所不同，但是在本質(zhì)上、原理上具有相通性[1]。

二、家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的3D打印技術(shù)類型

在現(xiàn)代科技的支撐下，3D打印技術(shù)朝著多種方向發(fā)展，結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際可知，除熔融沉積、立體光固化外，選擇性激光燒結(jié)、3D噴射打印、真空注型等都是3D打印技術(shù)中較為常見的技術(shù)類型。

（一）熔融沉積技術(shù)

這是家具設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域應(yīng)用較多的一種3D打印技術(shù)。該設(shè)計(jì)的應(yīng)用門檻不高，具體做法是：在考慮數(shù)字三維模型分層數(shù)據(jù)路徑的基礎(chǔ)上，人們會(huì)通過熱熔噴頭將半流動(dòng)性的熱塑材料沉積到指定位置，然后固定成型。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，除家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模型驗(yàn)證外，在一些特殊部件的小批量制作中，熔融沉積技術(shù)的應(yīng)用也較為常見，它為家具新產(chǎn)品的量化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

（二）立體光固化

作為一種成型精度高、加工迅速的3D打印技術(shù)，立體光固化技術(shù)的功能需要特定波長和強(qiáng)度的激光聚焦來實(shí)現(xiàn)。在光固化材料的表面，通過該技術(shù)的應(yīng)用，材料會(huì)以由點(diǎn)到線、由線到面的順序凝固一層，在升降設(shè)備不斷上移作用下，可逐層實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物品的打印、固化成型?，F(xiàn)階段，在立體光固化技術(shù)應(yīng)用中，樹脂材料是主要的材料類型。但要注意的是，該技術(shù)的設(shè)備成本較高，故而應(yīng)用范圍有限，多用于生物醫(yī)學(xué)層面[2]。

（三）選擇性激光燒結(jié)

3D打印技術(shù)應(yīng)用中，選擇性激光燒結(jié)也是較為常見的一種技術(shù)類型。該技術(shù)將紅外激光作為能源，在計(jì)算機(jī)控制作用下，激光束會(huì)按照一定的能力和速度對(duì)粉末材料的薄層進(jìn)行有選擇地逐層燒結(jié)，待完全燒結(jié)后，將多余的粉末去掉便可生成所需要的產(chǎn)品實(shí)體。結(jié)合技術(shù)應(yīng)用實(shí)際可知，此類技術(shù)所使用的材料類型較多，除蠟粉末、塑料粉末外，陶瓷粉末、金屬粉末等材料均可通過選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行加工。從技術(shù)應(yīng)用過程來看，它在加工成品時(shí)的耗時(shí)較少，打印加工過程無材料浪費(fèi)。與立體光固化技術(shù)相同的是，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)同樣對(duì)設(shè)備具有較高的要求，設(shè)備的成本較高。目前在家具設(shè)計(jì)制造中，一些塑料、陶瓷、金屬家具及部件會(huì)選擇通過選擇性激光燒結(jié)的方式制作。

（四）3D噴射打印

3D噴射打印主要是通過噴頭噴出粘接劑，將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。該技術(shù)所用的材料包含陶瓷粉末、金屬粉末等類型。但要注意的是，由于該技術(shù)所使用的材料是粘接劑，所粘接部件整體的強(qiáng)度較低，后續(xù)處理較為復(fù)雜，故而該技術(shù)尚未在家具領(lǐng)域使用。

（五）真空鑄型技術(shù)

選擇使用真空鑄型技術(shù)也能完成家具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。從應(yīng)用過程來看，真空鑄型技術(shù)首先需要制作3D打印模型，然后通過真空澆注的方式制作模型，最后在模塊的支撐下完成家具產(chǎn)品注塑操作，進(jìn)行家具的批量化生產(chǎn)[4]。家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，ABS、聚乙烯等塑料類型的家具多會(huì)使用此技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，這有效地降低了家具的研發(fā)成本和生產(chǎn)成本，提升家具生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

三、3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用價(jià)值

現(xiàn)代技術(shù)體系下，3D打印技術(shù)愈發(fā)成熟，在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用也愈發(fā)突出。結(jié)合家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程可知，3D打印技術(shù)的作用表現(xiàn)為：

第一，家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身是一項(xiàng)專業(yè)性較強(qiáng)的工作，需要系統(tǒng)考慮材料學(xué)、美學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和力學(xué)等多個(gè)層面的內(nèi)容。規(guī)范化地使用3D打印技術(shù)后，設(shè)計(jì)人員可快速地將設(shè)計(jì)的家具單體零件打印出來，然后進(jìn)行組裝測(cè)試，這大大縮短了家具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)時(shí)間，為下游的家具產(chǎn)品制作生產(chǎn)和應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。第二，3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品制造生產(chǎn)中也有一定的應(yīng)用。在3D打印技術(shù)的支撐下，人們可將不同類型的材料結(jié)合在一起，進(jìn)行家具的整合制造。這不僅實(shí)現(xiàn)了家具制作的個(gè)性化發(fā)展，而且有效地增加了家具產(chǎn)品的附加值，保證了家具產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。第三，現(xiàn)階段，家具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜。如一些家具出現(xiàn)了鏤空構(gòu)造，若使用傳統(tǒng)的家具制作方式，這不僅會(huì)增加家具的制作難度，而且會(huì)造成大量材料的浪費(fèi)。新時(shí)期，3D打印技術(shù)的應(yīng)用能有效地解決這些問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造家具的快速生產(chǎn)。第四，在新時(shí)期，3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品的售后維修和保養(yǎng)中也得到了廣泛應(yīng)用。如當(dāng)家具產(chǎn)品出現(xiàn)破損斷裂問題時(shí)，可通過3D打印技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)全處理，這有效地延長了家具產(chǎn)品的使用壽命，提升了家具產(chǎn)品的整體應(yīng)用效果[5]。

（二）應(yīng)用內(nèi)容

現(xiàn)階段，3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用增多，從具體的應(yīng)用過程來看，該技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)在不同方面：

一方面，規(guī)范化地使用3D打印技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)家具產(chǎn)品的有效設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，隨著人們關(guān)注點(diǎn)的變化，人們對(duì)于家具產(chǎn)品的質(zhì)量要求和審美要求不斷提升，通過3D打印技術(shù)應(yīng)用，能有效在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中滿足這些設(shè)計(jì)要求。如在3D打印技術(shù)的支撐下，設(shè)計(jì)師帕特里克打印了一個(gè)名為0NHONE的折疊凳子，同時(shí)設(shè)計(jì)師宋寶也通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了《十二盞水燈》，這些設(shè)計(jì)為3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了可行路徑。另一方面，在生活中，一些家具會(huì)因各種因素發(fā)生破損問題，此時(shí)通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，便可實(shí)現(xiàn)這些家具零件的有效設(shè)計(jì)，這為后期破損家具的維修創(chuàng)造了良好條件。譬如，宜家家具在家具零件設(shè)計(jì)中就使用了3D打印技術(shù)，在該技術(shù)的支撐下，通過聚乙烯材料設(shè)計(jì)了3D印刷連接器，這使得家具可通過連接器完成組裝，給人們提供了極大的便利。此外，在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，規(guī)范化地使用3D打印技術(shù)，還能實(shí)現(xiàn)古代家具文物的有效修復(fù)。結(jié)合實(shí)際可知，古代家具文物修復(fù)難度較大，實(shí)際的修復(fù)工作包含了較多的流程，3D印刷技術(shù)可以制作丟失的零件，經(jīng)過碾磨、噴涂和舊工序的加工，獲得完整的文物，這對(duì)于提升古代家具文物的修復(fù)效率和質(zhì)量具有積極作用，有效地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)文化的保護(hù)。

四、3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品可持續(xù)設(shè)計(jì)中的趨勢(shì)

（一）普遍化

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系下，科學(xué)技術(shù)與人們生活實(shí)際的聯(lián)系愈發(fā)緊密，智能家居越來越普遍地出現(xiàn)在了人們的生活當(dāng)中，在此背景下，3D打印技術(shù)步入人們的生活也將成為一種必然?，F(xiàn)階段，3D打印技術(shù)在普通家庭中還是一種新鮮事物，但是實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境已經(jīng)在城市中逐步擴(kuò)大。一是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)逐漸成熟，其設(shè)備及材料的成本正在不斷降低；二是人們的生活逐漸富足，這為3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；三是新生代群體正在逐步崛起，這部分群體具有使用3D打印技術(shù)的興趣和能力。在這種背景下，3D打印技術(shù)與人們生活的聯(lián)系勢(shì)必更加緊密。譬如，桌面級(jí)3D打印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了普通人的生活，在該技術(shù)下，人們不僅能進(jìn)行DIY制作，而且能改善子女科技教育環(huán)境。此外，該技術(shù)還能對(duì)家具產(chǎn)品的維修保養(yǎng)提供幫助，滿足人們的實(shí)際生活需要。

（二）個(gè)性化

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)模式下，大批量生產(chǎn)的家具產(chǎn)品多具有設(shè)計(jì)高度統(tǒng)一化的特征，這滿足了家具產(chǎn)品高效率生產(chǎn)的需要。但是在一定程度上，也使得家具產(chǎn)品在設(shè)計(jì)層面缺乏個(gè)性，導(dǎo)致消費(fèi)者的個(gè)性差異和喜好在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中難以體現(xiàn)。對(duì)于批量生產(chǎn)的企業(yè)而言，出于效益考慮，往往會(huì)選擇生產(chǎn)效率，這使得不同消費(fèi)群體的個(gè)性需求逐漸被忽略。譬如，在生活中，人們穿的鞋子被劃分為不同的尺碼，工廠便是按照這些尺碼進(jìn)行批量生產(chǎn)的。在后期銷售過程中，需要人們?cè)谙薅ǖ某叽a范圍內(nèi)選擇，這種讓身體適應(yīng)、習(xí)慣鞋子的方式忽視了人們?cè)谀_型上的生理差異，本質(zhì)上是一種“反個(gè)性設(shè)計(jì)”。新時(shí)期，不論是在鞋子設(shè)計(jì)還是在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，規(guī)范化地使用3D打印技術(shù)，能有效地消除“反個(gè)性設(shè)計(jì)”問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從外觀到功能上的個(gè)性化發(fā)展。

值得注意的是，在個(gè)性化發(fā)展的同時(shí)，3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也使它呈現(xiàn)出科技化的特征，即未來的家具設(shè)計(jì)必然是集科技與個(gè)性設(shè)計(jì)于一體的。在這兩種趨勢(shì)下，3D打印技術(shù)下的家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能更好地滿足不同客戶的需求，提升人們的生活體驗(yàn)[6]。

（三）實(shí)用性

在國企，3D打印技術(shù)雖然在家具設(shè)計(jì)生產(chǎn)中有一定的應(yīng)用，但是受技術(shù)、材料等因素的限制，它實(shí)際的應(yīng)用范圍較為有限，而且整體的實(shí)用性有待提升。在未來發(fā)展中，考慮3D打印技術(shù)在家具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中的實(shí)用性將成為一種內(nèi)在要求和發(fā)展趨勢(shì)。在3D打印技術(shù)的支撐下，人們需要解決家具設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，以此來提升3D打印技術(shù)的應(yīng)用水平，確保家具產(chǎn)品能更好地服務(wù)于人們的生活。譬如在2019年，宜家與非營利性組織Milbat及AccessIsrael進(jìn)行了合作，合作項(xiàng)目為ThisAbles。在這個(gè)項(xiàng)目中，這三家組織機(jī)構(gòu)在3D打印輔助裝置的支撐下，為殘障人群體提供更為個(gè)性化和更有針對(duì)性的便利家具，這給殘疾人的生活帶來了較大的便利。在全新經(jīng)濟(jì)體系下，除技術(shù)層面的創(chuàng)新，3D打印技術(shù)在材料使用層面也將獲得全新突破。在這種趨勢(shì)下，除耐用性尼龍材料、石膏、鋁、鈦合金外，不銹鋼、陶瓷、橡膠等材料與3D打印技術(shù)的結(jié)合也將更加緊密，它們?cè)诩揖弋a(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用也將更加廣泛，能有效提升打印產(chǎn)品的適用性。

（四）綠色性

可持續(xù)發(fā)展理念下，人們對(duì)于3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用提出了較高的要求，“綠色、環(huán)保、生態(tài)”成為家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)及3D打印技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)在要求。在過去，家具產(chǎn)品的生產(chǎn)和升級(jí)會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)問題，而且一些材料的加工還會(huì)產(chǎn)生廢氣、固廢、廢水，污染附近的環(huán)境。新時(shí)期，在3D打印技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，人們還會(huì)積極探索一些新型材料在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用。在這種模式下，低功耗加工、可合成的、生物可降解的新型材料應(yīng)用變得更加廣泛，這不僅適應(yīng)了3D打印技術(shù)的應(yīng)用需要，而且為家具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了便利，推動(dòng)了家具產(chǎn)品的綠色化發(fā)展。譬如，在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，當(dāng)前人們已經(jīng)開始使用熔融沉積技術(shù)打印家具連接固定件。在該技術(shù)體系下，所使用的材料是聚乳酸，這種材料本質(zhì)上是一種新型的生物降解材料，通過一些可再生的植物資源制作而成，具有綠色、環(huán)保、生態(tài)效益突出的優(yōu)勢(shì)。

五、結(jié)語

在中國制造2025背景下，工程產(chǎn)業(yè)正朝著智能化的方向發(fā)展，3D打印技術(shù)在工業(yè)智能化發(fā)展中具有突出作用。新時(shí)期，人們只有充分認(rèn)識(shí)到3D打印技術(shù)的技術(shù)類型，分析掌握3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并從普遍性、個(gè)性化、實(shí)用性、綠色性四個(gè)層面出發(fā)，對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用過程進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能提升3D打印技術(shù)的應(yīng)用水平，滿足新時(shí)期家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要，推動(dòng)家具產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：牛牛，安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院助教。