3D打印家具的技術原理與發展趨勢

劉碧瑤

東北林業大學，哈爾濱 150040

3D打印家具的技術原理與發展趨勢

劉碧瑤

東北林業大學，哈爾濱 150040

工業級3D打印機功能的不斷擴展，使3D打印技術與制造業之間的聯系變得愈加緊密，在未來將會深刻影響家具的設計與發展。針對3D打印家具進行研究和探索，從打印過程、打印技術和材料等方面，對3D打印家具的技術原理進行總結。并從3D打印技術賦予家具的新特征的角度，來分析、討論3D打印家具的創新之處和發展上的優勢。同時，對3D打印家具發展的未來趨勢做出預測，為探索3D打印技術在家具行業的發展提供建設性意見。

家具；3D打印技術；快速成型；新型制造；技術原理

一、引言

回顧家具生產制造的歷史，家具產品的形態往往伴隨著家具制造系統的發展而變化。

在工業時代到來之前，家具的手工特點非常明顯，材料多為木質家具，通常依靠自身部件之間的連接或配合簡單的膠合作用。

進入工業時代以后，伴隨著高度的機械化、自動化和數控加工、大規模生產，家具更多地呈現了平面化、組裝性等特點，家具材料也擴展出木質材料之外的金屬、塑料等制品，家具對連接件的依賴大大增強，板式家具誕生。

而作為一種新的制造手段，3D打印技術的出現，則賦予了家具很多新的特點，把家具制造帶入了一個智能的創造時代。

二、3D打印家具的技術原理

用3D打印技術來打印家具，是一種區別于傳統減材或等材制造家具的制造技術，其本質是增材制造。其制造原理是在三維數據模型基礎上，利用材料累加的原理，從無到有地制造家具實體。

1. 3D打印家具的制造過程

3D打印技術制造家具時，其制造過程一般分為以下幾個步驟。

（1）用三維建模軟件建立家具或家具零部件的虛擬三維數據模型。

（2）在三維數據模型的基礎上打印三維空間實體。這個過程，需要使用滿足尺寸精度和結構強度需求的工業級3D打印機，來保持連續的打印工作，制造出家具主體。

（3）前兩個步驟完成之后，可增加家具的拋光、上色等后序處理，最終完成家具生產。整個過程，可以保證單件家具的一次性快速成型。

2. 3D打印家具打印實例

目前，已有的3D打印家具實例越來越多，包括桌椅類家具、坐臥類家具，以及部分儲藏家具等。這些3D打印家具實例的出現，讓我們看到了3D打印技術給家具設計與制造所帶來的新工藝美[1]。

2004年，法國設計師帕特里克·喬安（Patrick Jouin）與比利時瑪瑞斯公司的工業設計部（MGX by Materialise）合作打造的立體C2椅（Solid C2）（見圖1）①，作為第一款用選擇性激光燒結（SLS）技術制作的家具，被荷蘭阿姆斯特丹市立博物館（Stedelijk Museum Amsterdam）收藏。在2016年的米蘭設計周上，中國廣州美術學院和極致盛放公司合作打造的3D打印家具作品系列《夢蝶》、《鬧蛾》等（見圖2）②，則展示了中國3D打印家具的新進展。

圖 1 立體C2椅（Solid C2）①

圖 2 米蘭設計周上中國3D打印家具作品系列②

3.具體打印技術及其打印材料

目前，主要的3D打印技術有以下幾種：光固化（SLA）、分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、熔融沉積制造（FDM）以及三維打印（3GP）等。

用于家具制造的打印技術，以光固化（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、熔融沉積制造（FDM）為主。這4種技術打印出的家具，分別有各自的特點[2]。

（1）光固化（SLA）打印家具的特點。表面光滑，質感好；可用的打印材料多以液體的光敏樹脂為主；成型后易發生形變；成本較高。

（2）選擇性激光燒結（SLS）打印家具的特點。表面有磨砂感；承重好，韌性較強；造型實現程度好；可用的打印材料為多種固體粉末，如金屬、陶瓷等；成本高。

（3）選擇性激光熔化（SLM）打印家具的特點。金屬質感；承重好，結構強度高；可用的打印材料為金屬混合粉末；成本非常高。

（4）熔融沉積制造（FDM）打印家具的特點。表面呈線圈質感，較粗糙；結構強度低；成型后易變形；可用的打印材料多為固體卷材，如PVC工程塑料、金屬絲等；成本低。

從打印效果來看，比較理想的技術是選擇性激光燒結（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）。

選擇性激光燒結（SLS）技術，其技術原理是根據熔點不同，采用激光來有選擇性地分層燒結固體粉末，使特定熔點的粉末燒結成固化層，最終以層層疊加的方式塑造最終形體。這一打印技術可用于打印高分子、金屬、陶瓷、石膏、尼龍等多種粉末材料。

選擇性激光熔化（SLM）技術，是指選擇性激光熔化，其實質是在選擇性激光燒結（SLS）技術上的一種優化，使用的材料多為不同金屬組成的混合物，不需要黏結劑，成型的精度和力學性能，比選擇性激光燒結（SLS）好。

目前，市面上可用來打印家具的打印材料越來越多，有金屬、工程塑料、木塑、陶瓷、石膏、尼龍等。其中，在綜合性能上比較有優勢的打印材料，是工程塑料和金屬。

隨著打印技術的發展，木塑、陶瓷等材料也會在未來大放異彩。作為最新的研究成果，彈性材料的應用，更是會彌補現在家具材料的空白。

三、3D打印家具的特征和優勢

3D打印技術的發展，使計算機輔助技術對家具制造的推動作用，從虛擬世界發展到現實世界，從家具的設計過程發展到家具的制造過程。

3D打印家具充分運用了計算機輔助技術的運算和生成能力，在材料、結構、形態上也有了更多的擴展性。

1. 3D打印家具的特征

站在技術創新角度，3D打印技術打印出的家具具有以下明顯的特征。

（1）3D打印家具具有免組裝、一體成型的特征。目前在家具的大規模生產線系統中，從模具到零件，再從零件到產品有著復雜的工序，需要多個生產線來完成整個制造流程，整個過程中需要一定的加工數量才能滿足成本需求。家具零部件和連接件之間通常呈現明顯的組裝性特征。

而3D打印家具的整個制造過程，是從無到有地制造家具實體。對三維數據模型的完整、連續復制，可以使每單件家具的生產，都可以實現免組裝、一體成型。

切除宮頸組織完整,宮頸切緣肉眼觀察無病灶,石蠟切片檢查切緣無殘存病灶。手術時間30~50min,平均時間為25.5±3.4min;出血量10~80ml,平均20.8±13.5m L;住院時間平均2.8±1.5天,術后發熱2例。子宮頸錐形切除術后與術前陰道鏡病理結果診斷完全相符者29例,不符合31例。宮頸錐切術后病理檢查陰道鏡下多點活檢程度重15例,CIN III 10例(術前診斷為CIN II 3例,CIN I 7例),CIN II 5例,術前診斷為CIN I;程度較輕16例。

這種生產工藝，使家具制造從研發到生產的流程大大縮短，同時降低了成本，滿足了人們各個層面不同的需求。

另外，對家具連接部位或連接件的一體成型制造，還有增強結構強度的作用。在建立虛擬三維數據模型階段，通過對家具的連接部位或特殊連接件的結構設計，來減少或省去連接件，使連接部位的結構變得更加簡單明了，并且增強連接強度（見圖3、圖4）。

圖3 家具特殊部位可簡化連接結構之一③

圖4 家具特殊部位可簡化連接結構之二④

在生產需要活動連接（如旋轉開合、抽拉等）的家具時，通過對連接部位陰陽面的設計，也可以實現去連接工件的目的（見圖5、圖6）。

圖5 打印活動連接工件示意（旋轉開合）⑤

圖6 打印活動連接工件示意（抽拉）⑤

（2）3D打印家具具有骨骼化、多孔、夾層、蜂窩結構等框架結構特征。在創建虛擬三維模型階段，結構設計師可以通過多邊形拓撲或建立網格結構等手段，創建帶有明顯框架結構的模型外觀。這些結構可以使打印對象“空心化”，達到大體積、輕重量的目的，使打印出的家具具有骨骼化、多孔、夾層、蜂窩結構等特征（見圖7）。

圖7 3D打印家具的蜂窩結構造型和彈性觸感⑥

這種特征，能夠在同等厚度下明顯減輕家具的重量，同時節省材料，對打印過程本身和運輸過程都有很大的好處。對特殊承重部位的骨骼設計，可以增強家具的結構強度。

另外，由點、線組成的部分材料的家具的表面，也可以獲得特殊的彈性性能，使之擁有更舒適的觸覺感受。

（3）3D打印家具具有曲線化、柔性化的特征。3D打印技術在制造家具時，根據三維模型數據在立體空間內直接打印家具材料，其打印的過程是由點成線、由線成體一步步塑造實體家具。

對每個點的細節把握，使3D打印家具在造型的彎曲度和靈活性上，遠遠優于減材或等材技術塑造的家具。

這種在三維空間上點的精確度的提高，使3D打印家具能夠擁有更復雜的外觀造型，具有曲線化、柔性化的特征（見圖 8、圖9）。

圖8 3D打印家具的曲線外觀之一⑦

圖9 3D打印家具的曲線外觀之二②

這種特征對家具有以下好處：使家具更符合人體工程學的要求，尤其是坐臥類家具，能更好地提高舒適度；賦予家具更高的藝術性和聯想空間；更易于模仿自然，獲得仿生性外觀或結構。

2. 3D打印家具的優勢

（1）3D打印家具具有使用同種打印設備制造不同材料的優勢。

一般來說，根據家具材料的不同，目前家具制造工藝之間的區別是很大的。但是，3D打印技術打印家具時，某些3D打印設備可以兼具打印多種打印材料。

因此，同一件家具或家具零件的虛擬三維數據模型，可以打印出多種材料不同的家具，使得同一款家具能夠具有豐富多樣的顏色和質感等。

在未來，家具材料上的多樣性，會隨著更多新材料的發明體現得更加明顯。這種優勢將會給消費者提供更多的材料選擇權，從而更好地滿足消費者的特殊定制需求。

（2）3D打印家具具有可替換性、可循環使用的優勢。

在自然資源越來越匱乏的時代，家具的環保性和可再生性，是生產者和消費者共同關注的重要指標。

目前，市場上的家具，普遍存在著磨損后難以修復以及舊家具難以回收利用的困境。而3D打印技術可以從技術和材料兩方面，使家具的回收利用環節變得輕松。

其一，3D打印家具可替換性的表現主要在以下兩個方面：一是3D打印家具的設計生產者可以選擇建立分離式家具零部件的三維模型數據，以便于磨損零部件的替換。

二是由于桌面級3D打印機的推廣，使用家具的消費者也可以根據家具的三維模型數據或在家具生產者的指導下，打印出家具的某個部件，替換掉已經磨損或者壞掉的家具部件。

這種貫穿生產者和消費者的多渠道的修復，使家具的壽命變得更加長久，修復過程也更加高效。

其二，3D打印家具可循環使用主要體現在以下兩個方面：由于3D打印材料多為人工復合材料，一是再加工回收利用的難度較小，對廢棄家具的重塑比較容易。

二是家具材料本身就可能是其他材料回收再利用的產物，因此這種循環利用的利用率，遠高于現有的木制家具或木質材料合成家具等天然材料。

3D打印家具的這種優勢，可以更好地降低資源消耗，減少對環境的破壞。

四、3D打印家具的發展趨勢

雖然目前礙于3D打印設備和材料的成本偏高，家具制造業應用這一技術的實例還不多，但是必須看到，3D打印技術在材料、結構、形態上，都使家具產品本身正在發生深刻的變革，我們有理由相信家具的3D打印時代正在到來[3]。

3D打印家具的未來發展，是一個不斷壯大的過程。目前以及未來的數年內，在打印設備和材料高成本的壓力下，3D打印家具將以定制化的藝術家具為短期主流。

但是，隨著打印設備和技術的不斷成熟，以及材料成本的逐漸下降，在更長期的時間之后，3D打印家具將會形成批量化定制的潮流，逐漸發展成為完整的產業鏈，推動未來家具的新發展，使未來家具呈現完全不同的新面貌[4]。

當然，我們看到3D打印技術為家具制造帶來新的機遇的同時，也應該看到這一“智”造技術給家具設計了帶來的新的挑戰。

也就是說，家具設計將由設計師和企業壟斷的自上而下的家具設計模式，向大眾設計的自下而上的模式轉變[5]。

這種轉變的好處，是可以利用全民智慧刺激家具創意的出現。不過，如果運用不當的話，則又會產生資源的浪費。

另外，3D打印家具的設計版權問題，也會逐漸突出。這些問題都需要在不斷的探索中去尋找對策。

注釋

① 圖1來源：佚名．自由編織的絲帶：Solid C2椅[EB/OL].（2007-03-30）[2016-09-13].http:// cn.sonhoo.com/info/154721.html.

② 圖2、圖9來源：佚名．極致盛放：3D打印家具《夢蝶》《鬧蛾》米蘭首秀[EB/OL].（2016-04-13）[2016-09-13].http://mt.sohu.com/20160413/ n444066559.shtml.

③ 圖3來源：佚名．3D打印連接器Keystones讓消費者DIY家具[EB/OL].（2014-07-23）[2016-09-13]. http://bbs.uggd.com/thread-660183-1-1.html.

④ 圖4來源：佚名.Peg/Tomas Rojcik：結合3D打印技術到傳統家具中的椅燈組合[EB/OL].（2012-06-01）[2016-09-13].http://www.gooood.hk/_ d274389100.htm.

⑤圖5、圖6來源：作者自繪.

⑥ 圖7來源：佚名.3D打印家具技術，或推定制家具時代到來[EB/OL].（2016-06-27）[2016-09-13]. http://www.9juren.com/news/5/21059.html.

⑦ 圖8來源：佚名.3D打印家具或在將來成為主流[EB/OL].（2016-06-27）[2016-09-13].http:// mt.sohu.com/20160627/n456521900.shtml.

[1] 王雪瑩．3D打印技術與產業的發展及前景分析[J].中國高新技術企業，2012（26）：3-5．

[2] 王蕾．3D打印技術與家具設計智能創新[J].家具與室內裝飾，2016（1）：60-62．

[3] 王忠宏，李揚帆，張曼茵．中國3D打印產業的現狀及發展思路[J]．經濟縱橫，2013（1）：90-93．

[4] 盧秉恒，李滌塵．增材制造(3D 打印)技術發展[J].機械制造與自動化，2013（4）：1-4．

[5] 許柏鳴．未來中國家具制造業的格局與形態[J].家具與室內裝飾，2016（1）：16-19．

（責任編輯 孫玉萍）

Technical Principle and Development Trend of 3D Printing Furniture

LIU Biyao 邸貴玉 DI Guiyu

（Northeast Forestry University，150040 Harbin）

With extension of functions of the industrial 3D printers, the connection between 3D printing technology and manufacturing industry is becoming increasingly close, which will certainly have a profound impact on the furniture design and manufacturing in the future. Based on the research and exploration of3D printing furniture, this paper summarizes technology principle of 3D printing furniture, in such aspects as the 3D printing process, 3D printing technology and materials. In addition, from the aspect of new features of furniture due to 3D printing technology, this paper also analyzes and discusses the innovation and development advantages of 3D printing furniture. At last, it makes predictions about the development trend of 3D printing technology in the furniture industry thus offering constructive suggestions about the development trend of 3D printing furniture.

furniture；3D printing；rapid prototyping technology（RPT）；new manufacturing process；Technical principle

J525.3

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.06.021（0116-06）

2016-09-21

劉碧瑤，東北林業大學材料科學與工程學院碩士生；邸貴玉，東北林業大學材料科學與工程學院副教授。