3D打印技術在家具產品設計中的運用

牛牛

摘? 要：3D打印技術是在電腦技術的基礎上，融合使用材料科技所形成的新技術，深化其在家具產品設計中的應用，能有效提升家具產品設計的質量。本文在闡述3D打印技術類型的基礎上，分析該技術在家具產品設計中的實際應用情況，并指出該技術應用的發展趨勢，期望能實現3D打印技術與家具產品設計的有效結合，推動家具產品設計工作的有序發展。

關鍵詞：家具產品設計；3D打印技術；應用要點

3D打印技術最早出現在20世紀80年代，其工作原理與普通的打印機相似。現階段，3D打印技術已經在多個領域實現了廣泛應用，如建筑設計、工業設計、家具、珠寶領域等。在家具設計中，規范化地使用3D打印技術，能提升設計的效率和質量，推動家具設計的個性化、輕量化和高精度化發展。

一、3D打印技術內涵

3D打印技術本身是一種快速成型的技術，在現實生活中，它又被人們稱為增材制造。早在1984年，查爾斯·赫爾就已經發明了SLA3D打印技術，3D打印技術由此產生。從技術原理來看，在計算終端設備的支撐下，3D打印技術能依托數字化三維模型方案，通過層疊累加的“材料打印”方式，將打印的東西以三維實體狀態呈現出來。在科學技術不斷發展的背景下，3D打印技術的技術實現路徑逐漸多樣，這些技術都是在電腦三維設計軟件的支撐下制作三維數字化模型的，雖然各種技術所使用的材料性質有所不同，但是在本質上、原理上具有相通性[1]。

二、家具產品設計中的3D打印技術類型

在現代科技的支撐下，3D打印技術朝著多種方向發展，結合市場實際可知，除熔融沉積、立體光固化外，選擇性激光燒結、3D噴射打印、真空注型等都是3D打印技術中較為常見的技術類型。

（一）熔融沉積技術

這是家具設計制造領域應用較多的一種3D打印技術。該設計的應用門檻不高，具體做法是：在考慮數字三維模型分層數據路徑的基礎上，人們會通過熱熔噴頭將半流動性的熱塑材料沉積到指定位置，然后固定成型。從實際應用情況來看，除家具產品設計的模型驗證外，在一些特殊部件的小批量制作中，熔融沉積技術的應用也較為常見，它為家具新產品的量化生產創造了有利條件。

（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，立體光固化技術的功能需要特定波長和強度的激光聚焦來實現。在光固化材料的表面，通過該技術的應用，材料會以由點到線、由線到面的順序凝固一層，在升降設備不斷上移作用下，可逐層實現目標物品的打印、固化成型。現階段，在立體光固化技術應用中，樹脂材料是主要的材料類型。但要注意的是，該技術的設備成本較高，故而應用范圍有限，多用于生物醫學層面[2]。

（三）選擇性激光燒結

3D打印技術應用中，選擇性激光燒結也是較為常見的一種技術類型。該技術將紅外激光作為能源，在計算機控制作用下，激光束會按照一定的能力和速度對粉末材料的薄層進行有選擇地逐層燒結，待完全燒結后，將多余的粉末去掉便可生成所需要的產品實體。結合技術應用實際可知，此類技術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技術進行加工。從技術應用過程來看，它在加工成品時的耗時較少，打印加工過程無材料浪費。與立體光固化技術相同的是，選擇性激光燒結技術同樣對設備具有較高的要求，設備的成本較高。目前在家具設計制造中，一些塑料、陶瓷、金屬家具及部件會選擇通過選擇性激光燒結的方式制作。

（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，由于該技術所使用的材料是粘接劑，所粘接部件整體的強度較低，后續處理較為復雜，故而該技術尚未在家具領域使用。

（五）真空鑄型技術

選擇使用真空鑄型技術也能完成家具產品的設計和生產。從應用過程來看，真空鑄型技術首先需要制作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品注塑操作，進行家具的批量化生產[4]。家具產品設計生產中，ABS、聚乙烯等塑料類型的家具多會使用此技術進行生產，這有效地降低了家具的研發成本和生產成本，提升家具生產的效率和質量。

三、3D打印技術在家具產品設計生產中的應用

（一）應用價值

現代技術體系下，3D打印技術愈發成熟，在家具產品設計生產中的應用也愈發突出。結合家具產品設計生產過程可知，3D打印技術的作用表現為：

第一，家具產品設計本身是一項專業性較強的工作，需要系統考慮材料學、美學、經濟學和力學等多個層面的內容。規范化地使用3D打印技術后，設計人員可快速地將設計的家具單體零件打印出來，然后進行組裝測試，這大大縮短了家具產品的設計和研發時間，為下游的家具產品制作生產和應用創造了良好條件。第二，3D打印技術在家具產品制造生產中也有一定的應用。在3D打印技術的支撐下，人們可將不同類型的材料結合在一起，進行家具的整合制造。這不僅實現了家具制作的個性化發展，而且有效地增加了家具產品的附加值，保證了家具產品的質量和效益。第三，現階段，家具產品的結構愈發復雜。如一些家具出現了鏤空構造，若使用傳統的家具制作方式，這不僅會增加家具的制作難度，而且會造成大量材料的浪費。新時期，3D打印技術的應用能有效地解決這些問題，實現復雜構造家具的快速生產。第四，在新時期，3D打印技術在家具產品的售后維修和保養中也得到了廣泛應用。如當家具產品出現破損斷裂問題時，可通過3D打印技術進行補全處理，這有效地延長了家具產品的使用壽命，提升了家具產品的整體應用效果[5]。

（二）應用內容

現階段，3D打印技術在家具產品設計生產中的應用增多，從具體的應用過程來看，該技術的應用表現在不同方面：

一方面，規范化地使用3D打印技術，可實現家具產品的有效設計。現階段，隨著人們關注點的變化，人們對于家具產品的質量要求和審美要求不斷提升，通過3D打印技術應用，能有效在家具產品設計中滿足這些設計要求。如在3D打印技術的支撐下，設計師帕特里克打印了一個名為0NHONE的折疊凳子，同時設計師宋寶也通過3D打印技術的應用，設計了《十二盞水燈》，這些設計為3D打印技術在家具產品設計生產中的應用提供了可行路徑。另一方面，在生活中，一些家具會因各種因素發生破損問題，此時通過3D打印技術的應用，便可實現這些家具零件的有效設計，這為后期破損家具的維修創造了良好條件。譬如，宜家家具在家具零件設計中就使用了3D打印技術，在該技術的支撐下，通過聚乙烯材料設計了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，在家具產品設計中，規范化地使用3D打印技術，還能實現古代家具文物的有效修復。結合實際可知，古代家具文物修復難度較大，實際的修復工作包含了較多的流程，3D印刷技術可以制作丟失的零件，經過碾磨、噴涂和舊工序的加工，獲得完整的文物，這對于提升古代家具文物的修復效率和質量具有積極作用，有效地實現了傳統文化的保護。

四、3D打印技術在家具產品可持續設計中的趨勢

（一）普遍化

現代經濟體系下，科學技術與人們生活實際的聯系愈發緊密，智能家居越來越普遍地出現在了人們的生活當中，在此背景下，3D打印技術步入人們的生活也將成為一種必然?，F階段，3D打印技術在普通家庭中還是一種新鮮事物，但是實際的應用環境已經在城市中逐步擴大。一是隨著科學技術的發展，3D打印技術逐漸成熟，其設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打印技術的應用提供了物質基礎；三是新生代群體正在逐步崛起，這部分群體具有使用3D打印技術的興趣和能力。在這種背景下，3D打印技術與人們生活的聯系勢必更加緊密。譬如，桌面級3D打印技術已經進入了普通人的生活，在該技術下，人們不僅能進行DIY制作，而且能改善子女科技教育環境。此外，該技術還能對家具產品的維修保養提供幫助，滿足人們的實際生活需要。

（二）個性化

現代工業生產模式下，大批量生產的家具產品多具有設計高度統一化的特征，這滿足了家具產品高效率生產的需要。但是在一定程度上，也使得家具產品在設計層面缺乏個性，導致消費者的個性差異和喜好在產品的設計過程中難以體現。對于批量生產的企業而言，出于效益考慮，往往會選擇生產效率，這使得不同消費群體的個性需求逐漸被忽略。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行批量生產的。在后期銷售過程中，需要人們在限定的尺碼范圍內選擇，這種讓身體適應、習慣鞋子的方式忽視了人們在腳型上的生理差異，本質上是一種“反個性設計”。新時期，不論是在鞋子設計還是在家具產品設計中，規范化地使用3D打印技術，能有效地消除“反個性設計”問題，實現產品從外觀到功能上的個性化發展。

值得注意的是，在個性化發展的同時，3D打印技術在家具產品設計中的應用也使它呈現出科技化的特征，即未來的家具設計必然是集科技與個性設計于一體的。在這兩種趨勢下，3D打印技術下的家具產品設計、生產能更好地滿足不同客戶的需求，提升人們的生活體驗[6]。

（三）實用性

在國企，3D打印技術雖然在家具設計生產中有一定的應用，但是受技術、材料等因素的限制，它實際的應用范圍較為有限，而且整體的實用性有待提升。在未來發展中，考慮3D打印技術在家具設計、生產中的實用性將成為一種內在要求和發展趨勢。在3D打印技術的支撐下，人們需要解決家具設計生產中的實際問題，以此來提升3D打印技術的應用水平，確保家具產品能更好地服務于人們的生活。譬如在2019年，宜家與非營利性組織Milbat及AccessIsrael進行了合作，合作項目為ThisAbles。在這個項目中，這三家組織機構在3D打印輔助裝置的支撐下，為殘障人群體提供更為個性化和更有針對性的便利家具，這給殘疾人的生活帶來了較大的便利。在全新經濟體系下，除技術層面的創新，3D打印技術在材料使用層面也將獲得全新突破。在這種趨勢下，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打印技術的結合也將更加緊密，它們在家具產品設計生產中的應用也將更加廣泛，能有效提升打印產品的適用性。

（四）綠色性

可持續發展理念下，人們對于3D打印技術在家具產品設計生產中的應用提出了較高的要求，“綠色、環保、生態”成為家具產品設計生產及3D打印技術應用的內在要求。在過去，家具產品的生產和升級會造成大量的資源浪費問題，而且一些材料的加工還會產生廢氣、固廢、廢水，污染附近的環境。新時期，在3D打印技術應用的基礎上，人們還會積極探索一些新型材料在家具產品設計生產中的應用。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用變得更加廣泛，這不僅適應了3D打印技術的應用需要，而且為家具的設計生產提供了便利，推動了家具產品的綠色化發展。譬如，在家具產品設計生產中，當前人們已經開始使用熔融沉積技術打印家具連接固定件。在該技術體系下，所使用的材料是聚乳酸，這種材料本質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、環保、生態效益突出的優勢。

五、結語

在中國制造2025背景下，工程產業正朝著智能化的方向發展，3D打印技術在工業智能化發展中具有突出作用。新時期，人們只有充分認識到3D打印技術的技術類型，分析掌握3D打印技術在家具產品設計生產中的應用優勢，并從普遍性、個性化、實用性、綠色性四個層面出發，對3D打印技術的應用過程進行優化，這樣才能提升3D打印技術的應用水平，滿足新時期家具產品設計和生產需要，推動家具產業的可持續發展。

參考文獻：

[1]王琛.逆向設計和3D打印技術在中國古典家具模型開發中的應用探究[J].林業機械與木工設備，2021（6）：71-76.

[2]馮憲偉，吳小燕.3D打印技術在高職環境藝術設計專業教學中的應用探究——以家具設計課程為例[J].美術教育研究，2018（23）：126-127.

[3]馮鑫浩，陳晶宇，吳智慧，等.“膚感”涂層形成機制及其在家具中的研究現狀與發展趨勢[J].林業工程學報，2021（4）：167-175.

[4]王興朝.3D打印技術在產品造型設計中的應用[J].黑龍江科學，2022（4）：31-33.

[5]李牧醒，王朝睿，胡康康.“家具設計”課程實踐教學中3D打印技術融入的創新研究[J].鞋類工藝與設計，2022（16）：57-59.

[6]呂芳莉，苗艷鳳.負泊松比結構在家具中的研究現狀與應用前景[J].木材科學與技術，2022（3）：15-19.

作者簡介：牛牛，安徽商貿職業技術學院藝術設計學院助教。