中國智造背景下3D打印模型結(jié)構(gòu)在木制家具設(shè)計中的實踐與創(chuàng)新

◆ 曾華盛 陳孝樣（南京曉莊學(xué)院）

引言

隨著社會現(xiàn)代化進程的加速，智能制造已經(jīng)滲透到了產(chǎn)業(yè)設(shè)計的方方面面，智能化的本質(zhì)是運用科學(xué)技術(shù)來提高生產(chǎn)力，智能制造必然成為未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢，在各個制造領(lǐng)域占據(jù)主要的位置。3D打印技術(shù)作為一項新興的智能化技術(shù)在多個領(lǐng)域中迅猛發(fā)展，它具有制造過程便捷、靈活性高、可控程度高和工具需求少等優(yōu)點，現(xiàn)如今3D打印技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計中重要的技術(shù)支持之一。中式家具作為中國傳統(tǒng)歷史文化的重要組成部分，其主要的材料為木材，其生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求都非常高，從而在一定程度上阻礙了中式家具的創(chuàng)新和發(fā)展，而3D打印技術(shù)恰好能在一定程度上解決這些問題，將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)中式家具設(shè)計相結(jié)合，將帶來中式家具的設(shè)計創(chuàng)新風(fēng)潮。

1.中國智造的意義

1.1由來

智能制造是指將高端的信息、計算、通信技術(shù)和現(xiàn)代傳感技術(shù)相合，以實現(xiàn)制造流程和設(shè)備的自動化控制，協(xié)調(diào)設(shè)備之間的聯(lián)調(diào)，改變制造概念，在自動化及數(shù)字化基礎(chǔ)上，以更高效的制造方式實現(xiàn)產(chǎn)品的低成本、高質(zhì)量和快速制造的目標(biāo)，旨在利用計算機、微機相結(jié)合的技術(shù)及先進的管理知識，實現(xiàn)精確的自動制造。以智能制造的由來和意義可分為三個部分。首先，智能制造的由來。它可以追溯到20世紀(jì)50年代初，當(dāng)時的自動控制技術(shù)，尤其是由康明斯和湯姆遜發(fā)明的控制器應(yīng)用于制造業(yè)，從而使得許多比較復(fù)雜的工作可以機械化完成，節(jié)省了大量的成本和時間。隨著自動化水平的提高、計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是智能制造技術(shù)的誕生，使得制造業(yè)更加自動化、智能化和精細(xì)化。其次，智能制造的意義。它是一種改變制造模式的新技術(shù)，可以實現(xiàn)智能制造和綠色制造，從而提高生產(chǎn)效率，降低成本，改善產(chǎn)品質(zhì)量，簡化生產(chǎn)流程，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，提高制造者的效率，減少能量消耗，大大推動現(xiàn)代制造發(fā)展。最后，智能制造的發(fā)展趨勢。它能夠為企業(yè)創(chuàng)造更好的技術(shù)平臺，提供更多的智能系統(tǒng)、設(shè)備、軟件和技術(shù)，將信息化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)進一步應(yīng)用到現(xiàn)代制造中，實現(xiàn)工廠的智能化、自動化、集成化等需求，實現(xiàn)制造的控制、規(guī)劃、管理，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率，推動智能制造的發(fā)展。

1.2意義

以智能制造為題，現(xiàn)在是把人工智能技術(shù)應(yīng)用于制造行業(yè)的最佳時機。近幾年，隨著智能制造技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對它的重視也在不斷加深，更多的行業(yè)開始將這一技術(shù)用于實踐之中。在此背景下，如何正確理解以及研究智能制造的內(nèi)涵，發(fā)揮它的巨大潛力，具有十分重要的意義。智能制造，可以為企業(yè)的制造提供更加可靠的技術(shù)支撐，解決制造者在生產(chǎn)過程中遇到的種種問題。當(dāng)前智能制造還處于起步階段，還有很多發(fā)展空間。在今后工業(yè)革命四次的大潮中，智能制造如能繼續(xù)得到支持與發(fā)展，實現(xiàn)從傳統(tǒng)制造到智能制造的跨越，必將為世界經(jīng)濟提供更大的貢獻。

2.智能制造中的3D打印技術(shù)

2.1由來

3D打印技術(shù)又稱“增材制造”，是一種新興的數(shù)字化制造技術(shù)，它可以將計算機設(shè)計模型或數(shù)據(jù)快速和精確地轉(zhuǎn)換為實體物件。三維打印技術(shù)的歷史可以追溯到上個世紀(jì)90年代，當(dāng)時它被用于制造復(fù)雜精密部件，并作為一種新興技術(shù)吸引了眾多制造企業(yè)的注意。3D打印技術(shù)有著獨特的優(yōu)勢，它不受型號和尺寸的限制，可以快速準(zhǔn)確制造出復(fù)雜的幾何形狀，制造多種材質(zhì)的物體，并且能夠大幅縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，使得現(xiàn)代制造行業(yè)的高精尖儀器及機器零部件得以方便、快捷和精確地制造出來。

2.2意義

當(dāng)今環(huán)境的發(fā)展和創(chuàng)新的設(shè)計理念的興起下，3D打印技術(shù)也不斷拓展到新的領(lǐng)域，如食品加工、家具設(shè)計等。在這種背景下，3D打印家具設(shè)計不僅縮短了生產(chǎn)周期，并且作為一種高效的制造式，可以有效減少材料浪費和勞動力成本。3D打印家具設(shè)計技術(shù)潛在的廣度和深度，充分利用數(shù)字技術(shù)，推進了個性化定制技術(shù)的發(fā)展。充分利用3D打印復(fù)雜形狀，實現(xiàn)家具設(shè)計的靈活性和個性化，加快設(shè)計—制造的緊密結(jié)合，給售賣市場帶來更多的競爭性，同時也為消費者帶來更多的滿意度。

3.中國智造背景下3D打印模型結(jié)構(gòu)在木制家具設(shè)計中的意義

作為一種新興的制造技術(shù)，3D打印技術(shù)可以賦予產(chǎn)品多樣性、設(shè)計感和未來感，而這正好迎合當(dāng)下年輕人追逐個性化潮流的需求。同時，3D打印技術(shù)在家具產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)中也受到了一些因素的制約。3D打印作為一種新興的制造技術(shù)，其技術(shù)的多樣性、設(shè)計感和未來感正好迎合年輕人追逐個性化潮流的需求，在智能制造背景下通過3D打印技術(shù)可以為木制家具創(chuàng)造更多的便利、更多樣的連接形式。3D 打印獨特的制造方式，可以將各種復(fù)雜的造型和連接件直接打印出來，特別適合進行一些個性化或者不適合傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)出方式的造型打印，而數(shù)字化的產(chǎn)品模型也有助于設(shè)計者進行修改和傳達(dá)，提升了產(chǎn)品迭代的效率?，F(xiàn)代木制家具制造工藝中的復(fù)雜環(huán)節(jié)主要是對木料部件形狀的加工和對部件連接位置的加工，而3D打印的增材制造優(yōu)勢正在于能夠有效處理形態(tài)與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，二者的結(jié)合，有效地降低了整體制造的難度，減少了木材的浪費。傳統(tǒng)制造過程中每一次的裁切都會帶來木料的損失，簡化加工工序后，只需把木料加工為基本的形態(tài)，加入3D打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并通過粘連或榫卯結(jié)構(gòu)連接件即可實現(xiàn)材質(zhì)之間的結(jié)合，碰撞出不一樣的造型設(shè)計靈感，這不僅減少了浪費的環(huán)節(jié)，還能從總體上提高木料的有效利用率，簡化裝配方式，方便運輸，從而提升制造業(yè)的效率與靈活度，為人們的生活提供趣味性和多樣性的選擇。

4.中國智造背景下《智畫映木》家具設(shè)計概述

4.1特色概述

研究圍繞實踐設(shè)計《智畫映木》進行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的嘗試，家具造型上以明式家具的素形素工為主要基調(diào)，選取了屏風(fēng)、扶手椅、邊幾作為設(shè)計對象，結(jié)合鏤空設(shè)計的3D打印結(jié)構(gòu)進行外觀設(shè)計，鏤空造型靈感來源于中式花窗，重視追求造型藝術(shù)性和功能實用性的統(tǒng)一。

4.2技術(shù)路線

運用3D打印技術(shù)對傳統(tǒng)木制家具的關(guān)鍵部件進行改良，使得在保留傳統(tǒng)木制家具特點的前提下，簡化制造工藝，減少制造時間，減低制造難度，節(jié)省制造材料，使得其在對于傳統(tǒng)技術(shù)制造的木制中式家具更具有現(xiàn)代化的特點。3D打印的材料特性在于增材制造，其工藝可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且由于支撐結(jié)構(gòu)的特殊性，鏤空結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生材料之間的張力，一般不需要額外添加支撐，這不僅大幅提升了打印的效率，減少耗材的使用，還能夠有效的避免支撐被剪除時留下痕跡，可以真正實現(xiàn)一次成型、即打即用的效果，具有比較好的材耗比。因此，在設(shè)計中，我們采用了多種鏤空造型來測試，以求最大的成品硬度、韌度，結(jié)構(gòu)的最大穩(wěn)定和較好的外觀效果（圖1）。

圖1 3D打印結(jié)構(gòu)鏤空結(jié)構(gòu)模型

4.3 家具設(shè)計特色

《智畫映木》采用了從中國傳統(tǒng)畫中山的造型引申出來的設(shè)計概念，通過將家具設(shè)計與3D打印技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)了復(fù)雜的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，使家具作品在形式上更具創(chuàng)新性和獨特性。3D打印技術(shù)實現(xiàn)一些傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，例如曲線、扭曲、空間結(jié)構(gòu)等，從而創(chuàng)造出具有未來感和藝術(shù)感的家具作品（圖2）。3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)家具的輕量化設(shè)計，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和材料使用，減少家具的重量和材料消耗，從而降低資源浪費和環(huán)境污染。此外，3D打印技術(shù)還可以實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空腔設(shè)計，從而在保持強度和穩(wěn)定性的同時減少材料使用。將《智畫映木》家具設(shè)計與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可以呈現(xiàn)出形態(tài)創(chuàng)新、個性化定制、輕量化優(yōu)化、功能融合和可持續(xù)環(huán)保等特色，為家具設(shè)計帶來了更多的可能性。

圖2 《智畫映木》家具設(shè)計效果圖

4.4 3D打印技術(shù)實踐

我們通過設(shè)計實踐和成品的反復(fù)檢測，得出以下結(jié)論：3D打印材料不論是選擇PLA還是樹脂，都能夠很好地表現(xiàn)出鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有無支撐、強度高于實心結(jié)構(gòu)的顯著特點，在打印效率上，同樣造型、大小的鏤空結(jié)構(gòu)和實心結(jié)構(gòu)相比具有明顯更優(yōu)的材耗比。以下為性能提升對比，見表1。

表1 模型材料造型數(shù)據(jù)可視表

結(jié)語

3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)給家具制造帶來了非常大的便利，作為一種新興的先進技術(shù)，它的出現(xiàn)不但可以減輕眾多領(lǐng)域家具設(shè)計與制造過程的繁瑣和復(fù)雜，更能增添流程化與規(guī)范化的設(shè)計因素，讓很多家具產(chǎn)品的設(shè)計與制造過程變得更加方便和系統(tǒng)，在家具設(shè)計和研究工作過程中變革了設(shè)計思路，釋放了設(shè)計師的想象力和創(chuàng)造力。同時，3D 打印技術(shù)擺脫了對傳統(tǒng)家具產(chǎn)業(yè)加工制造的依賴性，實現(xiàn)了對未來家具產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字化與定制化的技術(shù)前瞻。將3D打印技術(shù)運用在傳統(tǒng)的木制中式家具之中，將傳統(tǒng)文化和現(xiàn)代科技相融合，不僅為傳統(tǒng)文化提供新的生命力，同時也為智能制造技術(shù)提供新的發(fā)展方向。