多材料3D打印技術在家居產品中的應用趨勢

文_陳建銳（魯迅美術學院） 李子昂 賈玉堃（清華大學） 指導教師：蔣紅斌 趙妍

從材料跨界融合、數字制造和“泛家居”等領域探尋多材料3D打印技術的應用機遇。通過觀察法、文獻綜述法和案例分析法等預測多材料3D打印技術的價值前景。結合實驗成果分析多材料3D打印技術融入家居產品的可行性，以豐富家居產品的CMF，促進未來家居產品設計拓展新思路。通過文獻佐證多材料3D打印技術促進材料高效利用和提高生產效率，集成材料優勢以豐富產品的實用功能和裝飾價值。此外，該技術引領的零材料浪費原則也可以為社會可持續設計注入新的活力。

引言

3D打印技術作為一項快速成型原型的技術，當前廣泛應用在家居產品當中，它從造型的創新性角度賦予了家居產品形態上的差異化構思。但近些年來3D打印技術的發展止步不前，逐漸開始邁入瓶頸期，目前制約3D打印技術發展的兩大成因主要是技術工藝和打印所使用的材料[1]。材料作為3D打印當中最為重要的組成部分，放眼未來3D打印技術其工藝和材料個性化、復雜化、多樣化已是今后發展趨勢[2]。就材料而言，傳統的3D打印技術材料主要采用熔點較為低的高分子材料，它主要用于家居產品、醫療器械、電子產品和汽車制作等領域。但對于一些需要高強度和高硬度材料的產品，高分子材料就顯得力不從心[2]。如今，以“多材料”為媒介、3D打印技術為支撐的混合多材料3D打印技術開始逐漸進入大眾視野。多材料3D打印作為3D打印技術的拓展，其工作原理是在同一項打印作業中同時打印多種材料[3]，它集成了多種打印方法，此技術可用于制造具有不同特性或功能的產品。眼下其技術尚未止步仍待完善，多材料3D打印技術在家居產品中的運用，將會給未來智能化家居體驗和材料創新帶來新的機遇。在未來多材料3D打印技術融入家居產品的設計和生產的過程中，將會滿足市場多樣化和用戶個性化的需求，并通過多元化材質賦予的技術，給予家居產品新的功能語義和安全保障，使其適應今后高端家電市場環境的基礎上滿足不同用戶的需求。如何將該技術使用到未來家居產品之中，是設計師所需把握的重要方向。

多材料3D打印技術在家居產品中的運用，將會給未來智能化家居體驗和材料創新帶來新的機遇。

1.多材料3D打印技術的優勢分析

將數字化模型制造技術運用到原型展示當中的技術稱之為3D打印技術，其原理是通過“減法”轉變為“加法”的形式將模型進行呈現，區別于其他的傳統原型呈現技術。3D打印技術利用計算機的輔助結合指定材料能夠在短時間內快速呈現原型。材料作為3D打印技術的重要載體，其創新對于3D打印技術有著重要的價值導向。傳統的3D打印樣機模型主要是以樹脂、橡膠、金屬為代表的單一高分子材料，不同材料有其不同的特性。以光敏樹脂材料為例，打印出來的模型具有較好的表干性能，成型后產品在外觀上呈光滑表面，并擁有較高的分辨度和質量。但光敏樹脂材料的造價相對于其他材料而言成本較高，且機械強度、耐熱性等都遠低于工程塑料，這些都是3D打印在材質表達上所現存的問題。另外，3D打印技術往往在選材上較為單一，早已無法滿足現今多樣化的市場需求，產品的多樣化迫使3D打印技術需要有所突破。而如今多材料3D打印技術已漸漸浮現市場，其技術的靈活性恰恰符合現今市場發展導向，但多材料3D打印技術尚處于探索的階段，此技術將會是3D打印技術的一大新突破口。如何最大限度地發揮混合3D打印在工業設計領域中的應用將它利益最大化，并化機遇挑戰為成果是其重點。以下將通過三個角度來描述多材料3D技術的優勢，并加以分析。

1.1 高標準工藝以提升生產良率

目前，3D打印技術的模型精度仍有缺陷，打印產品需要進行加工處理后才能使用，且打印的效率與精細度往往成正比，模型的精細度越高耗時越長，反之則時間越短。此外，在3D打印的過程中模型的薄厚程度與時間也有關聯。在多材料復雜模型打印的過程中，傳統的3D打印設備需要花費更多的時間，且產出符合高合格率、高標準的產品比例不高，而不合格的模型將會廢棄，這將大大增加成本的支出[4]。而多材料3D打印技術卻能很好地解決打印高質量產品模型時生產效率低下和迅速產出高良率產品等問題。以美國公司所研發的BCN3D Sigmax R19多材料桌面3D打印機（圖1）為例，此3D打印機在設計上采用了雙擠壓的形式來提高模型分辨率和多材料、零件的供給，并且BCN3D Sigmax R19的IDEX技術是唯一能夠使用兩個頭獨立打印的擠出系統。這意味著在多材料打印過程中，一個工具頭處于活動狀態，而另一個則不受影響，這一設計進一步加快了生產效率縮短生產周期，并創造一個具有不同材質屬性且無需組裝的產品，最終達到在生產高合格率產品的同時減少制造產品的步驟來實現生產效益的最大化，以高效率高標準為指標快速產出符合市場標準的產品，加快產品向市場的推進速度[5]。

↑圖1 BCN3D Sigmax R19 3D打印機（作者自制）

1.2 兼容多種材料以拓充適用性

此前受技術影響傳統的3D打印技術所產出的產品往往在材質上較為單一，受材料限制可符合3D打印技術要求的打印材料種類甚少，不同的材料物理和化學屬性也有所不同，且并不是所有的材料都適用于3D打印，受材料特質約束大大限制了3D打印在原型制造和生產過程中的應用范圍。而由美國設計師設計的LulzBot TAZ Pro多材料3D打印機技術突破了傳統單一材質打印的技術壁壘（圖2）。其設備可以選擇多種材質混合打印，如ABS、PLA、PVA、高抗沖聚苯乙烯（HIPS）、木絲，附加組件后，還可以用尼龍和聚碳酸酯打印，打印成品綜合多種材料的優勢特性、擴充其適用性并進一步地提高產品穩定性。此外，該多材料3D打印機在工藝流程上，匯聚了多方向多工藝的技術，通過模塊化、集成化的流程協同工作，將多個材質附著于產品中，從中優化傳統3D打印技術的生產工序和拓寬產品屬性，在生產過程中進一步延展其適用性，提高產品的附加值。

↑圖2 LulzBot TAZ Pro 3D打印機展示（作者自制）

1.3 集成化生產以提高制造精度

當下集成化和精細化生產工藝已成為企業生產的標準，而普通的3D打印技術無法進行高精度的流水線生產，但多材料3D打印技術已突破其困難。荷蘭特文特大學工業設計專業的學生 Reinou Holtrup在其作業當中，設計了一款名為“XZEE多材料DLP打印機”（圖3）。XZEED打印機采用自下而上的工作方式，將物體倒置在構建平臺底部的樹脂桶中。當一種材料打印完成后，DLP投影儀通過底部投射光線固化新材料，所需的下一部分材料將在構建平臺下方水平移動。并且整臺機械的構思和制造上采用了數字光的處理，當3D打印機使用投影時則會固化一層光敏樹脂材料，這一集成化的生產工藝可實現極其精確的打印。而且，設備在工作過程中可以在材料和工藝上自由切換，不會耽誤其生產。在面對一些復合型材料和復雜加工工藝的產品時，XZEED多材料DLP打印機也能夠迎刃而解。其打印頭中的集成化工藝會將材料進行模塊化細分，由內而外地快速進行運作，通過協同工作，為高精度產品組裝提供質量保障[6]。

↑圖3 XZEED 多材料 DLP 打印機（作者自制）

2.多材料3D打印技術所引發的領域革新

未來學科之間的跨界融合已是技術發展的必然趨勢，學科之間兼容并包、相輔相成為創新提供新的可能性。盡管多材料3D打印技術如今處于起步階段，技術尚不成熟，并且現階段技術僅試驗于部分領域當中，尚未普及，但從客觀的長遠發展來看它存在著巨大的發展潛力。專家預測未來多材料3D打印技術將會成為3D打印發展的趨勢，成為多門學科的突破口，它將依托于其他學科，為學科交融提供更為有力的技術支撐，在設計領域發揮更為凸顯的作用。以下通過列舉最新的三個多材料3D打印技術在跨界融合的應用案例，來聚焦其技術發展潛質和發展導向。

2.1 增強可穿戴裝備設計的靈敏度

身處智能化時代，可穿戴設備已是當下最為熱點的設計方向，設計以用戶的衣食住行中的“衣”為出發點展開設計。多材料3D打印技術的出現，將會通過技術維度賦予可穿戴設備新的屬性，增強其設備結構的靈敏度，并從用戶的心理、感知和審美出發，給予用戶更為舒適的設備體驗。從長遠來看，未來可穿戴設計不僅僅只充當普通的硬件穿戴設備，而它會以移動智能終端設計、數據云端交互和CMF設計為圓心，多材料3D打印技術為半徑展開，為可穿戴設備賦予新的創新。近年來3D打印技術在可穿戴設備中的使用頻率逐漸增多，技術的革新為可穿戴設備提供了更多條件，但在打印過程中常會出現多材料的集成和數據出錯等問題，即在打印過程中如何精確地將柔性材料、剛性材料和電子電路等精細材料進行無縫銜接過渡。除此之外，傳統的3D打印技術也已無法保證高精度可穿戴設備能否符合人機工程學的舒適性和靈活性保障用戶的需求[5]。美國針對高精度的可穿戴設備，研制出了主動混合多材料3D打印機。該設備的發明為3D打印可穿戴設備和電子設備提供了更高層次的發展空間，其3D打印機可以整合不同的材料和工藝，包括柔性和剛性材料以及導電材料和非導電油墨材料等，并且在打印過程中采用了可嵌入式的導入導體、電線和電池等硬件設備，這將大大提高可穿戴設備的靈敏度（圖4）。同時，這些過程將省去手工裝配費用，在提高工廠生產效率的同時也降低生產成本和浪費[5]。

↑圖4 3D打印技術在可穿戴領域中的應用（作者自制）

2.2 優化高端制造設備的生產結構

3D打印技術采用數據建模和參數化的設置，可以產出高精度產品，這符合將多材料3D打印技術運用到高標準、高質量的高端制造設備之中。高端制造業的產品可以利用多材料3D打印技術優化其復雜結構，減輕裝備的質量，延長其產品的壽命，優化生產結構，帶動國家制造業的發展。長期以來隨著技術的不斷更新，對于高端制造業的產品質量也在不斷地優化升級，面向3D打印技術提出了更高的挑戰，不同類別和不同部件的高端產品需要采用不同硬度和強度的材質，其復雜化的生產加大了3D打印技術的生產難度。從生產角度來看，傳統的3D打印生產技術已經無法滿足如今高端制造產業的運用。而多材料3D打印技術的出現，對那些大體積多材料的高端制造設備的生產提供更為優化的生產結構，其技術將集結多材料多工藝的技術，為制造提供更高質量、更耐用、更環保、更科技的產出。來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科研人員目前已實現了多種材料的3D打印技術，創建了量身定制的漸變折射率玻璃光學器件，可以制造出更高性能的軍事眼鏡和虛擬現實護目鏡（圖5）。 此項新技術可以在平板玻璃組件中實現各種常規和非常規的光學功能，進而在環境穩定的玻璃材料中提供了新的光學設計多功能性，不僅如此這項新技術還可以減輕光學系統的重量[6]。在美國另一家公司也同樣研發出了一次性打印10種材料的3D打印機，此設備不僅可以混合多種材料，更能夠將復雜的電子器件、電路和傳感器等直接植入到對象當中，這不僅大大提高了復雜工程的生產效率，同時也豐富了其生產結構和設備加工工藝[5]。

↑圖5 多材料3D打印機的跨界融合（作者自制）

2.3 集成裝配類產品的一體化

目前，3D打印技術中功能性產品的快速制造，逐步開始運用到工藝技術密集型產業。在未來，多材料3D打印技術相比傳統3D打印技術，它在定制化加工、集成一體化加工、復雜產品快速成型以及零浪費制造等方面，具有更為獨特優勢。不但如此，多材料3D打印技術如今可用于直接制造含嵌入式組件的產品或用于增強打印件的機械性能，這一性能進一步豐富了3D打印產品的應用場景[3]。如今多材料3D打印技術開始踏入技術密集型的產業，在生物醫療、無線通信和工程建筑等應用領域迅速拓展技術并逐步成熟，技術的出現推動了高效制造工藝的發展，相較于傳統的3D打印生產工藝，多材料3D打印技術集成一體化的工藝將產品原型內外結構以不同材料的形式進行呈現，進一步提高產品的一體性與審美性[3]。以江南大學機械工程學院所研究的基于多材料3D打印技術的RFID天線快速制造為例（圖6），通過一體化的多材料3D打印技術，將RFID天線由內而外地進行打印，不但從產品的實用性、美觀性與一體性出發，重新定義3D打印集成一體化的快速制造，同時提高了產品的質量，避免天線外部接觸受到氧化反應而軟化。這種集成一體化的生產，不但充實了生產目標的內部結構增強其穩定性，也加快了高質量產品的產出和生產效率的提高。

↑圖6 江南大學設計XZEED 多材料 DLP 打印機

3.多材料3D打印技術更新家居產品品類

結合以上的案例和介紹，發現多材料3D打印技術不僅推動了高端制造業、技術密集型生產和設計學科的創造性發展和創新性轉換，還改變了原始的、單一材料形式的3D打印技術，為學科間交融提供了新的機會，未來多材料3D打印將成為3D打印技術發展下的一個前沿[5]。目前，傳統3D打印技術在家居產品中應用頻率高且廣受青睞，在生產過程中有以下三點優勢：第一，3D打印技術的技術自由性使得能產出多樣化的家居產品來滿足各類消費群體的需求；第二，3D打印技術的技術易用性使得簡潔的家居產品生產較為容易；第三，3D打印技術的技術效益性使得廠家縮短了家居產品的生產周期，加快了家居產品的產出和市場流通[7]。現階段社會處于產品更替周期迅速高速發展的時代，用戶對于市場產品的標準和需求也在不斷地提高，因此傳統的3D打印技術在家居產品中的應用逐顯弊端。隨著市面家居產品多樣化，用戶對于家居產品成型所使用的原材料和制作工藝的要求也給予相對高的期望，受3D打印材料種類數目和難以進行高精度作業的雙重限制無法進行模型打印[7]，因此將多材料3打印技術運用其中具有可行性，為多材料3D打印技術在家居產品的發展提供新的應用，彌補材料空缺和技術壁壘的困境，對家居產品的發展有重要價值。以下將從三個視角對未來多材料3D打印技術在家具產品的材料研究做出闡述。

3.1 多觸感材料應用于保護類家居產品設計

我國是世界上老年人口占比最高的國家，如何有效地解決老齡化的趨勢— —使老年人適應社會發展的趨勢是當下最為重要的社會性問題[8]。老年人受生理因素影響，其身體機能、心理狀態與年輕人有差距，他們對于生活需求也有所不同，在生活當中往往需要得到特殊關照。研究發現老年人居家生活空間和家居產品上缺乏人文關懷，以及所使用的其他產品仍也有待考量，如今的老年人家居產品已經跟不上現代技術的發展，缺乏安全性、創新性。現3D打印技術在老年人家居產品裝飾上的運用較為普及，尤其在老年人家居產品當中[8]，如何打破單一的裝飾形式，在適老化社會下賦予老年人家居產品新的突破性發展，滿足老齡化社會下對于老年家居產品的需求值得思考。從材料創新和安全保障的角度：首先，多材料3D打印技術在進行老年人家居產品生產過程中，可利用其多材質植入的特性，打印出符合老年人體質需求的家居產品，在穩定性和舒適性上得到雙重保障；其次，傳統的3D打印家居產品在材料采用上往往較為單一，多為金屬、樹脂和橡膠等材料，往往打印的家居產品較為硬朗鋒利，不適用于老年人，不少老年人在使用家居產品過程中不經意間可能會碰傷。而多材料3D打印則能夠很好地保障其家居產品使用的安全性，通過混合打印的形式彌補各類材料的缺陷，將軟材料與硬材料互相兼容，給予家居產品不同的觸感，避免老人受傷。

3.2 多感知材料應用于智能類家居產品設計

人的感知最快是通過視覺與觸覺。用戶在使用家居產品過程時，最先通過視覺感知，其次才是觸覺感知，材料屬性不同對于用戶情緒感知也有所不同[9]。研究表明,家居材質是距離用戶最近的基礎屬性，產品材質可被人感知器官感知并經過人腦作用形成心理反應，對人的心理產生情感意識和印象。如今在智能化時代下，智能家居產品已經是未來家居產品設計發展的趨勢，未來設計師不僅需要考量智能家居產品設計的功能性，同時也需要考慮其智能家居產品設計的感知性，而多材料3D打印技術將成為未來智能家居產品的發展關鍵。在未來設計師將會通過人工智能和人物感知的技術轉換，使用戶通過感官來感受由多材料3D打印技術制作的智能家居產品，其技術不單單能使用戶在體驗上集成多種材料的優質特性，為用戶提供更為舒適的體驗，同時也進一步加快了多材料3D打印技術與多感知家居、智能家居在交互中樞系統上的相融合，為用戶群體提供更為便攜的體驗環境。

3.3 混合生態材料應用于可持續類家居產品設計

挖掘生態材料的價值，使其更好地服務于人類是設計師應當肩負的責任。設計師維克多·帕帕奈克在其著作《為真實的世界設計》中，呼吁設計師在設計中要將可持續理念貫徹其中，保護地球環境，并鼓勵在設計創作當中運用可持續生態材料將它外化于形。家居產品對于材料的選擇與環境的可持續發展有著密切關系[10]，當前生態材料在家居產品當中的應用開始日益增多，未來隨著生態材料研究的不斷深入，能夠為多材料3D打印所使用的材料品類也在不斷增加，這為用戶和設計師提供更為多樣化的選擇。多材料3D打印的出現將會進一步放大生態材料在家居產品設計中的優勢，為家居產品提供更為豐富的生態材料附著的同時，還可以平衡人與自然之間的關系，為可持續家居產品注入新的活力。

結語

多材料3D打印的出現，既是機遇也是挑戰，如硅膠材質與塑料材質具有不兼容性，它們的化學反應會產生互斥，若將它們進行混合打印，會發生形變以及脫粘連等現象，這些細微的痛點都是未來多材料3D打印技術待解決的問題。最后，為了使多材料3D打印技術能夠在家居產品領域中發揮更為突出的作用，設計師需要合理把握其技術走向，從跨界融合和社會創新等不同新視角作為切入口，展開未來家居產品的設計，為今后社會、企業、用戶提供新的服務體系和戰略支撐。