3D打印家具的技術(shù)原理與發(fā)展趨勢(shì)

劉碧瑤

東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040

3D打印家具的技術(shù)原理與發(fā)展趨勢(shì)

劉碧瑤

東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040

工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)功能的不斷擴(kuò)展，使3D打印技術(shù)與制造業(yè)之間的聯(lián)系變得愈加緊密，在未來將會(huì)深刻影響家具的設(shè)計(jì)與發(fā)展。針對(duì)3D打印家具進(jìn)行研究和探索，從打印過程、打印技術(shù)和材料等方面，對(duì)3D打印家具的技術(shù)原理進(jìn)行總結(jié)。并從3D打印技術(shù)賦予家具的新特征的角度，來分析、討論3D打印家具的創(chuàng)新之處和發(fā)展上的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，對(duì)3D打印家具發(fā)展的未來趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，為探索3D打印技術(shù)在家具行業(yè)的發(fā)展提供建設(shè)性意見。

家具；3D打印技術(shù)；快速成型；新型制造；技術(shù)原理

一、引言

回顧家具生產(chǎn)制造的歷史，家具產(chǎn)品的形態(tài)往往伴隨著家具制造系統(tǒng)的發(fā)展而變化。

在工業(yè)時(shí)代到來之前，家具的手工特點(diǎn)非常明顯，材料多為木質(zhì)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(jìn)入工業(yè)時(shí)代以后，伴隨著高度的機(jī)械化、自動(dòng)化和數(shù)控加工、大規(guī)模生產(chǎn)，家具更多地呈現(xiàn)了平面化、組裝性等特點(diǎn)，家具材料也擴(kuò)展出木質(zhì)材料之外的金屬、塑料等制品，家具對(duì)連接件的依賴大大增強(qiáng)，板式家具誕生。

而作為一種新的制造手段，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，則賦予了家具很多新的特點(diǎn)，把家具制造帶入了一個(gè)智能的創(chuàng)造時(shí)代。

二、3D打印家具的技術(shù)原理

用3D打印技術(shù)來打印家具，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)減材或等材制造家具的制造技術(shù)，其本質(zhì)是增材制造。其制造原理是在三維數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，利用材料累加的原理，從無到有地制造家具實(shí)體。

1. 3D打印家具的制造過程

3D打印技術(shù)制造家具時(shí)，其制造過程一般分為以下幾個(gè)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(shù)據(jù)模型。

（2）在三維數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上打印三維空間實(shí)體。這個(gè)過程，需要使用滿足尺寸精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)，來保持連續(xù)的打印工作，制造出家具主體。

（3）前兩個(gè)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(chǎn)。整個(gè)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(shí)例

目前，已有的3D打印家具實(shí)例越來越多，包括桌椅類家具、坐臥類家具，以及部分儲(chǔ)藏家具等。這些3D打印家具實(shí)例的出現(xiàn)，讓我們看到了3D打印技術(shù)給家具設(shè)計(jì)與制造所帶來的新工藝美[1]。

2004年，法國設(shè)計(jì)師帕特里克·喬安（Patrick Jouin）與比利時(shí)瑪瑞斯公司的工業(yè)設(shè)計(jì)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(jié)（SLS）技術(shù)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(shè)計(jì)周上，中國廣州美術(shù)學(xué)院和極致盛放公司合作打造的3D打印家具作品系列《夢(mèng)蝶》、《鬧蛾》等（見圖2）②，則展示了中國3D打印家具的新進(jìn)展。

圖 1 立體C2椅（Solid C2）①

圖 2 米蘭設(shè)計(jì)周上中國3D打印家具作品系列②

3.具體打印技術(shù)及其打印材料

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

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

（1）光固化（SLA）打印家具的特點(diǎn)。表面光滑，質(zhì)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(fā)生形變；成本較高。

（2）選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印家具的特點(diǎn)。表面有磨砂感；承重好，韌性較強(qiáng)；造型實(shí)現(xiàn)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(diǎn)。金屬質(zhì)感；承重好，結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)。表面呈線圈質(zhì)感，較粗糙；結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shù)是選擇性激光燒結(jié)（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，其技術(shù)原理是根據(jù)熔點(diǎn)不同，采用激光來有選擇性地分層燒結(jié)固體粉末，使特定熔點(diǎn)的粉末燒結(jié)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(shù)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(shù)，是指選擇性激光熔化，其實(shí)質(zhì)是在選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)上的一種優(yōu)化，使用的材料多為不同金屬組成的混合物，不需要黏結(jié)劑，成型的精度和力學(xué)性能，比選擇性激光燒結(jié)（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(yōu)勢(shì)的打印材料，是工程塑料和金屬。

隨著打印技術(shù)的發(fā)展，木塑、陶瓷等材料也會(huì)在未來大放異彩。作為最新的研究成果，彈性材料的應(yīng)用，更是會(huì)彌補(bǔ)現(xiàn)在家具材料的空白。

三、3D打印家具的特征和優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)家具制造的推動(dòng)作用，從虛擬世界發(fā)展到現(xiàn)實(shí)世界，從家具的設(shè)計(jì)過程發(fā)展到家具的制造過程。

3D打印家具充分運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的運(yùn)算和生成能力，在材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)上也有了更多的擴(kuò)展性。

1. 3D打印家具的特征

站在技術(shù)創(chuàng)新角度，3D打印技術(shù)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(guī)模生產(chǎn)線系統(tǒng)中，從模具到零件，再從零件到產(chǎn)品有著復(fù)雜的工序，需要多個(gè)生產(chǎn)線來完成整個(gè)制造流程，整個(gè)過程中需要一定的加工數(shù)量才能滿足成本需求。家具零部件和連接件之間通常呈現(xiàn)明顯的組裝性特征。

而3D打印家具的整個(gè)制造過程，是從無到有地制造家具實(shí)體。對(duì)三維數(shù)據(jù)模型的完整、連續(xù)復(fù)制，可以使每單件家具的生產(chǎn)，都可以實(shí)現(xiàn)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(shù)時(shí)間30~50min,平均時(shí)間為25.5±3.4min;出血量10~80ml,平均20.8±13.5m L;住院時(shí)間平均2.8±1.5天,術(shù)后發(fā)熱2例。子宮頸錐形切除術(shù)后與術(shù)前陰道鏡病理結(jié)果診斷完全相符者29例,不符合31例。宮頸錐切術(shù)后病理檢查陰道鏡下多點(diǎn)活檢程度重15例,CIN III 10例(術(shù)前診斷為CIN II 3例,CIN I 7例),CIN II 5例,術(shù)前診斷為CIN I;程度較輕16例。

這種生產(chǎn)工藝，使家具制造從研發(fā)到生產(chǎn)的流程大大縮短，同時(shí)降低了成本，滿足了人們各個(gè)層面不同的需求。

另外，對(duì)家具連接部位或連接件的一體成型制造，還有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。在建立虛擬三維數(shù)據(jù)模型階段，通過對(duì)家具的連接部位或特殊連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來減少或省去連接件，使連接部位的結(jié)構(gòu)變得更加簡單明了，并且增強(qiáng)連接強(qiáng)度（見圖3、圖4）。

圖3 家具特殊部位可簡化連接結(jié)構(gòu)之一③

圖4 家具特殊部位可簡化連接結(jié)構(gòu)之二④

在生產(chǎn)需要活動(dòng)連接（如旋轉(zhuǎn)開合、抽拉等）的家具時(shí)，通過對(duì)連接部位陰陽面的設(shè)計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)去連接工件的目的（見圖5、圖6）。

圖5 打印活動(dòng)連接工件示意（旋轉(zhuǎn)開合）⑤

圖6 打印活動(dòng)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(jié)構(gòu)等框架結(jié)構(gòu)特征。在創(chuàng)建虛擬三維模型階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可以通過多邊形拓?fù)浠蚪⒕W(wǎng)格結(jié)構(gòu)等手段，創(chuàng)建帶有明顯框架結(jié)構(gòu)的模型外觀。這些結(jié)構(gòu)可以使打印對(duì)象“空心化”，達(dá)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(jié)構(gòu)等特征（見圖7）。

圖7 3D打印家具的蜂窩結(jié)構(gòu)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(shí)節(jié)省材料，對(duì)打印過程本身和運(yùn)輸過程都有很大的好處。對(duì)特殊承重部位的骨骼設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)家具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

另外，由點(diǎn)、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(shù)在制造家具時(shí)，根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)在立體空間內(nèi)直接打印家具材料，其打印的過程是由點(diǎn)成線、由線成體一步步塑造實(shí)體家具。

對(duì)每個(gè)點(diǎn)的細(xì)節(jié)把握，使3D打印家具在造型的彎曲度和靈活性上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于減材或等材技術(shù)塑造的家具。

這種在三維空間上點(diǎn)的精確度的提高，使3D打印家具能夠擁有更復(fù)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(duì)家具有以下好處：使家具更符合人體工程學(xué)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(shù)性和聯(lián)想空間；更易于模仿自然，獲得仿生性外觀或結(jié)構(gòu)。

2. 3D打印家具的優(yōu)勢(shì)

（1）3D打印家具具有使用同種打印設(shè)備制造不同材料的優(yōu)勢(shì)。

一般來說，根據(jù)家具材料的不同，目前家具制造工藝之間的區(qū)別是很大的。但是，3D打印技術(shù)打印家具時(shí)，某些3D打印設(shè)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(shù)據(jù)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(zhì)感等。

在未來，家具材料上的多樣性，會(huì)隨著更多新材料的發(fā)明體現(xiàn)得更加明顯。這種優(yōu)勢(shì)將會(huì)給消費(fèi)者提供更多的材料選擇權(quán)，從而更好地滿足消費(fèi)者的特殊定制需求。

（2）3D打印家具具有可替換性、可循環(huán)使用的優(yōu)勢(shì)。

在自然資源越來越匱乏的時(shí)代，家具的環(huán)保性和可再生性，是生產(chǎn)者和消費(fèi)者共同關(guān)注的重要指標(biāo)。

目前，市場(chǎng)上的家具，普遍存在著磨損后難以修復(fù)以及舊家具難以回收利用的困境。而3D打印技術(shù)可以從技術(shù)和材料兩方面，使家具的回收利用環(huán)節(jié)變得輕松。

其一，3D打印家具可替換性的表現(xiàn)主要在以下兩個(gè)方面：一是3D打印家具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)者可以選擇建立分離式家具零部件的三維模型數(shù)據(jù)，以便于磨損零部件的替換。

二是由于桌面級(jí)3D打印機(jī)的推廣，使用家具的消費(fèi)者也可以根據(jù)家具的三維模型數(shù)據(jù)或在家具生產(chǎn)者的指導(dǎo)下，打印出家具的某個(gè)部件，替換掉已經(jīng)磨損或者壞掉的家具部件。

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

其二，3D打印家具可循環(huán)使用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：由于3D打印材料多為人工復(fù)合材料，一是再加工回收利用的難度較小，對(duì)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(chǎn)物，因此這種循環(huán)利用的利用率，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的木制家具或木質(zhì)材料合成家具等天然材料。

3D打印家具的這種優(yōu)勢(shì)，可以更好地降低資源消耗，減少對(duì)環(huán)境的破壞。

四、3D打印家具的發(fā)展趨勢(shì)

雖然目前礙于3D打印設(shè)備和材料的成本偏高，家具制造業(yè)應(yīng)用這一技術(shù)的實(shí)例還不多，但是必須看到，3D打印技術(shù)在材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)上，都使家具產(chǎn)品本身正在發(fā)生深刻的變革，我們有理由相信家具的3D打印時(shí)代正在到來[3]。

3D打印家具的未來發(fā)展，是一個(gè)不斷壯大的過程。目前以及未來的數(shù)年內(nèi)，在打印設(shè)備和材料高成本的壓力下，3D打印家具將以定制化的藝術(shù)家具為短期主流。

但是，隨著打印設(shè)備和技術(shù)的不斷成熟，以及材料成本的逐漸下降，在更長期的時(shí)間之后，3D打印家具將會(huì)形成批量化定制的潮流，逐漸發(fā)展成為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)未來家具的新發(fā)展，使未來家具呈現(xiàn)完全不同的新面貌[4]。

當(dāng)然，我們看到3D打印技術(shù)為家具制造帶來新的機(jī)遇的同時(shí)，也應(yīng)該看到這一“智”造技術(shù)給家具設(shè)計(jì)了帶來的新的挑戰(zhàn)。

也就是說，家具設(shè)計(jì)將由設(shè)計(jì)師和企業(yè)壟斷的自上而下的家具設(shè)計(jì)模式，向大眾設(shè)計(jì)的自下而上的模式轉(zhuǎn)變[5]。

這種轉(zhuǎn)變的好處，是可以利用全民智慧刺激家具創(chuàng)意的出現(xiàn)。不過，如果運(yùn)用不當(dāng)?shù)脑?，則又會(huì)產(chǎn)生資源的浪費(fèi)。

另外，3D打印家具的設(shè)計(jì)版權(quán)問題，也會(huì)逐漸突出。這些問題都需要在不斷的探索中去尋找對(duì)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(mèng)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(fèi)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(jié)合3D打印技術(shù)到傳統(tǒng)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(shù)，或推定制家具時(shí)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(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：3-5．

[2] 王蕾．3D打印技術(shù)與家具設(shè)計(jì)智能創(chuàng)新[J].家具與室內(nèi)裝飾，2016（1）：60-62．

[3] 王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵．中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J]．經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（1）：90-93．

[4] 盧秉恒，李滌塵．增材制造(3D 打印)技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013（4）：1-4．

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

（責(zé)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(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生；邸貴玉，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授。