3D打印在家具中的應(yīng)用
——以尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）作品為例

汪明鏡（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

21世紀(jì)隨著科技的進(jìn)步以及社會(huì)信息化時(shí)代的全速發(fā)展，3D打印的產(chǎn)品也逐漸步入了我們的生活，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更多的創(chuàng)新產(chǎn)品，讓虛擬3D效果圖迅速變成具體的實(shí)物，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，是革命性的創(chuàng)新，可以說(shuō)3D打印技術(shù)是未來(lái)設(shè)計(jì)的一種新的趨勢(shì)。本文分析了目前3D打印設(shè)計(jì)師、發(fā)明家、藝術(shù)家和先驅(qū)之一尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）的作品，從3D打印的技術(shù)、材料、制作過(guò)程、制作方法等方面去分析這些成功的3D打印家具案例，同時(shí)對(duì)3D打印家具的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面的分析，給現(xiàn)代家具領(lǐng)域的相關(guān)研究者、工作者提供意見(jiàn)以及展望未來(lái)家具行業(yè)的發(fā)展方向。

一、1.3D打印的概念

3D打印技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，3D打印（3DP）即快速成型技術(shù)的一種，又稱“增材制造” ，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。簡(jiǎn)單地來(lái)說(shuō)，3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本類似，但3D打印的耗材更加豐富，與電腦連接后，通過(guò)層層疊加打印方式，把立體的造型直接打印出來(lái)，這是一場(chǎng)工業(yè)變革。3D打印技術(shù)能夠打印出復(fù)雜的產(chǎn)品造型，并且復(fù)制復(fù)雜產(chǎn)品，批量化生產(chǎn)制造，減少人工、減少產(chǎn)品的制作周期。

二、3D打印的理論背景

目前3D打印技術(shù)主要有以下幾種熔融沉積式 （FDM）、電子束自由成形制造（EBF）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光熔化成型（SLM）、選擇性熱燒結(jié)（SHS）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、石膏3D打印 （PP）、分層實(shí)體制造（LOM）、立體平板印刷（SLA）、數(shù)字光處理 （DLP）等。根據(jù)打印原材料的種類以及原理，常用于家具的主要有FDM、SLS、SLA三種。

第一，F(xiàn)DM（Fused Deposition Modeling）是一種將各種熱熔性的絲狀材料，如ABS或PLA等材料。打印時(shí)首先用犀牛等軟件建構(gòu)出物體的3D模型，然后將模型轉(zhuǎn)換到FDM裝置，F(xiàn)DM裝置會(huì)根據(jù)所設(shè)置圖形，首先將材料高溫加熱融化后的材料通過(guò)擠壓噴出噴嘴后，隨即與工作臺(tái)層面熔結(jié)在一起完成一個(gè)平面層圖形，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)層面完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)反復(fù)操作上述步驟，直到完成整個(gè)作品。

第二，SLS（Selective Laser Sintering選擇性激光燒結(jié)技術(shù)）是由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功的，SLS是使用粉末狀材料成形的技術(shù)。首先在工作臺(tái)表面鋪灑一層粉末并抹平，用激光對(duì)剛鋪上的粉末區(qū)域進(jìn)行掃描，使其融化并粘接，隨后重復(fù)上述步驟，讓上層新熔化的截面與下層截面相融合，按照各層輪廓粘結(jié)，直至完成整個(gè)作品。

第三，SLA（Stereo Lithigraphy Apparatus）是世界上最早出現(xiàn)并應(yīng)用到商業(yè)中的一種快速成形技術(shù)，SLA是利用液態(tài)光敏樹(shù)脂的光固化原理，在紫外激光的照射下，快速固化，第一層平面成型后降低工作臺(tái)高度，重復(fù)上述流程，通過(guò)層層疊加后構(gòu)建成三維實(shí)體，是比較成熟的三維打印技術(shù)，相比FDM方式的成品表面更光滑、質(zhì)感更好。

FDM（熔融沉積） SLS（選擇性激光燒結(jié)） SLA（光固化）原理images/BZ_33_519_2569_808_2855.pngimages/BZ_33_1207_2576_1530_2849.pngimages/BZ_33_1806_2571_2201_2854.png材料 ABS、PVC工程塑料、金屬絲、及其復(fù)合材料等 金屬粉、陶瓷粉末、高分子粉末材料、石膏粉末、尼龍粉末等光敏樹(shù)脂優(yōu)點(diǎn)成本低，操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比高、原材料以卷軸絲形式為主易于搬運(yùn)和快速變更、材料利用率高、對(duì)工作環(huán)境要求較低等打印精度高、高強(qiáng)度和剛度、良好的耐化學(xué)性、耐用性強(qiáng)、各種精加工的可能性、可以構(gòu)建具有內(nèi)部部件、通道復(fù)雜部件，并且可以直接打印金屬材料制品最早出現(xiàn)較成熟、加工速度快、無(wú)需切削工具與模具、成型精度高、表面質(zhì)量好、加工速度快、生產(chǎn)周期短缺點(diǎn)成品較粗糙、成型后易變形、成型速度較慢，不適合構(gòu)建大型零件、噴頭容易堵塞等部件有多孔表面，較粗糙。使用大功率激光器，制造和后期維護(hù)成本較高。另外需要比較復(fù)雜的輔助工藝液態(tài)樹(shù)脂具有毒性、后期處理較復(fù)雜、對(duì)工作環(huán)境要求苛刻、不利于長(zhǎng)時(shí)間保存、操作系統(tǒng)復(fù)雜入門(mén)難且價(jià)格高昂

三、尤里斯·拉爾曼的3D作品案例細(xì)分

尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）是3D打印的設(shè)計(jì)師、藝術(shù)家、先驅(qū)之一，2004年在荷蘭阿姆斯特丹創(chuàng)辦了Joris Laarman Lab工作室，主要研究和實(shí)驗(yàn)如何讓藝術(shù)、科學(xué)、技術(shù)和未來(lái)設(shè)計(jì)相融合，作品先后被MOMA、V&A、蓬皮杜中心和荷蘭阿姆斯特丹國(guó)立博物館等地收藏。本章節(jié)按照尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）設(shè)計(jì)作品的時(shí)間順序，選取代表作從作品的設(shè)計(jì)原理、制作過(guò)程、使用材料等方面來(lái)進(jìn)行分析。

名稱(時(shí)間） 照片制作過(guò)程 制作方法與材料1. Arm Chair（2007）images/BZ_34_544_547_1041_935.pngimages/BZ_34_1243_547_1835_939.png3D打印、金屬大理石粉+樹(shù)脂2.Bits & Parts(2014)images/BZ_34_605_963_980_1398.pngimages/BZ_34_1208_992_1870_1327.png小型3D打印、CNC木材、ABS塑料、金屬3. Digital Matter(2011)images/BZ_34_502_1416_1082_1752.pngimages/BZ_34_1214_1446_1862_1723.png3D打印、MX3D金屬4. Dragon(2014)images/BZ_34_417_1772_1167_2088.pngimages/BZ_34_1318_1777_1764_2078.png3D打印、MX3D鋁5. Aluminum Gradient Chair(2014)images/BZ_34_539_2113_1045_2619.pngimages/BZ_34_1233_2114_1844_2623.png3D打印、SLS聚氨酯鋁合金6. Vortex (2014)images/BZ_34_517_2645_1067_3149.pngimages/BZ_34_1204_2698_1874_3118.png壓力模系統(tǒng)（Pressure Mold system）鋁

1.Arm Chair（2007）的設(shè)計(jì)是模仿生物骨骼，去掉不需要的多余部分，留下受力的骨頭部分，用3D打印進(jìn)行復(fù)雜的模具成型，然后把陶瓷杯碾碎成粉后與樹(shù)脂進(jìn)行混合，然后灌入模型中，本以為會(huì)做出類似陶瓷的亮面材料，但與預(yù)期效果相差甚遠(yuǎn)。后來(lái)尤里斯·拉爾曼把大理石粉同樹(shù)脂混合后灌入磨具，脫模后達(dá)到了類似陶瓷般漂亮的質(zhì)感，最終Arm Chair的成品使用3D打印出了91個(gè)零件組成的模具，在灌入大理石粉加樹(shù)脂后脫模做成。在隨后的幾年，尤里斯·拉爾曼的工作室又和歐寶的汽車工程師合作，把一種新型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法——雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO）應(yīng)用到座椅上，通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，去除原始形體中不受力、多余的材料，同時(shí)在受力最大的地方減少增加材料，從而達(dá)到用材少、受力最優(yōu)的狀態(tài)，隨后在此基礎(chǔ)上變換不同材料設(shè)計(jì)出了很多骨骼椅系列作品。

2.Bits & Parts （2014）是一個(gè)開(kāi)放性的椅子制作項(xiàng)目，每把椅子由202塊3D打印部件相結(jié)合，設(shè)計(jì)師邀請(qǐng)了世界各地的參與者來(lái)參與此項(xiàng)目，參與者可以根據(jù)自己的喜好選擇不同顏色、材料等，打印后拼裝組裝一款屬于自己的椅子。這個(gè)項(xiàng)目的目的是將設(shè)計(jì)形體分解成很多小拼圖一樣的單元，用小型的3D打印機(jī)或者CNC來(lái)完成這個(gè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)方便且快捷的家具制造。

3.Digital Matter （2011）是受亞特蘭大高等藝術(shù)博物館的委托開(kāi)發(fā)的一款動(dòng)態(tài)裝置設(shè)計(jì)，該裝置基于3D技術(shù)之上展示了未來(lái)的設(shè)計(jì)方向。設(shè)計(jì)原理：同樂(lè)高（Lego）類似的物理分子構(gòu)建基塊，像細(xì)胞一樣組合組織，形成具有可定制特性的材料，材料將不再是靜態(tài)的而是像細(xì)胞一樣可以自由結(jié)合組織，讓物體可以一次又一次的重組。這樣的安裝方式有助于我們開(kāi)發(fā)出一種實(shí)用、多功能、低成本、可以隨時(shí)隨地組裝的未來(lái)家具。

4.Dragon （2014）是由MX3D 3D打印機(jī)創(chuàng)作的，MX3D實(shí)際上是一部結(jié)合了6軸3D打印技術(shù)和現(xiàn)金焊接工作的工業(yè)機(jī)器人，它能夠突破傳統(tǒng)3D打印機(jī)的限制，無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在半空中懸空打印鋼、鈦、青銅、銅等金屬材料。Dragon就是由MX3D熔融金屬后在空中打印雙曲的作品之一。

5.Aluminum Gradient Chair （2014） 是“Microstructures”系列的第二件作品，只由小正方體的網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)受力大的地方實(shí)體程度更高，結(jié)構(gòu)受力小的地方則正方體內(nèi)部更空，類似骨骼椅的原理，最終通過(guò)鋁粉三維打印各個(gè)部分后，在焊接到一起的方式完成此作品。

6.Vortex （2014）靈感來(lái)自于密歇根大學(xué)的Mark J. Stock對(duì)計(jì)算旋渦方法的研究。通過(guò)這種計(jì)算方法做出來(lái)的模型雖然表面看起來(lái)很混亂，但是做出的成品形態(tài)非常美麗，具有極強(qiáng)的視覺(jué)裝飾效果。根據(jù)設(shè)計(jì)主題所需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師在電腦中經(jīng)過(guò)高度計(jì)算性的代碼字編排了數(shù)萬(wàn)億次的計(jì)算以后，打印出模型，再按照數(shù)字藍(lán)圖進(jìn)行組裝，組裝后，要通過(guò)壓膜系統(tǒng)把鋁板根據(jù)模型形狀進(jìn)行擠壓定性，最終形成作品。

結(jié)語(yǔ)

目前3D打印技術(shù)還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：①材料、機(jī)器、系統(tǒng)等價(jià)格問(wèn)題讓普通消費(fèi)者難以接受，高昂的價(jià)格也成為了局限3D打印技術(shù)推廣的主要原因；②3D打印技術(shù)自身工藝還不是很完善，打印出成品后需要后期組裝打磨，浪費(fèi)人力物力；③3D打印速度慢，無(wú)法大規(guī)模批量生產(chǎn)；④數(shù)字化的數(shù)據(jù)容易被盜取，普通消費(fèi)者得到數(shù)據(jù)后可以無(wú)限傳播復(fù)制，造成知識(shí)產(chǎn)權(quán)難以維護(hù)；⑤需要大量的研究經(jīng)費(fèi)和相關(guān)資金。但不可否認(rèn)，我們通過(guò)分析尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）的作品可以看出3D打印技術(shù)在國(guó)外的家具設(shè)計(jì)中已經(jīng)取得了顯著的成績(jī)，3D打印的優(yōu)勢(shì)可以給家具設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)顛覆性的改變，作為一項(xiàng)新技術(shù)在研發(fā)和推廣期是會(huì)有一定的局限性。只要以上問(wèn)題得以解決，3D打印家具的市場(chǎng)將被打開(kāi)。現(xiàn)代年輕人追求潮流，喜歡個(gè)性，而3D打印技術(shù)具有設(shè)計(jì)感、未來(lái)感和科技感，正好滿足當(dāng)代年輕人的需求，所以未來(lái)3D打印家具將是一個(gè)熱度極高的行業(yè)。