浅析3D打印技术在定制家具中的应用

万海鑫, 马思远

(1.2.阜阳职业技术学院 工程科技学院 ，安徽 阜阳 236031)

目前，对于很多人来说，3D打印技术可以说是既熟悉又陌生，随着其技术的发展，该项技术已经广泛应用于教育、交通、航空、医疗等行业中。在家具行业迅速发展的背景下，传统的设计、制造方式已经不能满足广大消费者的需求，所以需要将3D打印技术应用其中，以此来增强定制家具的多样化、个性化，并引领制造业未来的发展方向。

1 3D打印技术的原理及现状

1.1 3D打印技术的原理

3D打印技术是基于数字模型中三维物体的成形方式发展而来的，随着技术的发展，3D打印技术应用的成本逐渐降低，并提高了打印的速度，是一项综合性的技术方式。3D打印技术的成形，需要对设计对象进行虚拟设计，然后使用3D建模的方式创建一个全新的制造对象。3D扫描仪能够将打印对象的3D数据进行系统的拷贝，并通过数据建立3D程序，同时将即将打印的程序整理成为文件，其软件切片的模型会形成大量的水平层。将数据文件传输至打印机时，就会自动创建打印对象的数据层，图1为3D打印技术原理的示意图。

具体而言，3D打印技术的基本原理与传统的打印技术原理极为相似，只是在二维的基础上发生成为三维。在打印的过程中，需要在金属、塑料等粉末状的材料中打印出一层，这与二维打印技术相同，然后将具有黏性的打印层粘起来。经过不断的累计，使得每一个打印层都具有不同的图像参数，从而形成三维对象[1]。

图1 3D打印技术的原理

1.2 3D打印技术的现状

3D打印技术的应用极大地改变生产方式、供应格局。实际上，定制家具属于工业范畴，目前已有很多企业运用3D打印技术制作家具模型，不仅缩短了工作周期、提高家具生产的效率，还能够实现环保、节约材料的目的。目前，家具市场的主力消费为“80后”“90后”，这一代人追求个性、时尚，对于家具用品也不例外。所以说，将3D打印技术应用在家具企业中，其产品必然会受到“80后”“90后”的青睐。以国外公司所展示运用3D打印技术定制的家具为例，其表面的品质更加均匀，具有较强的设计感，同时纹路相对更加美观，给很多消费者带来视觉上的冲击，增强了家具本身以及室内的活力。从而使家具增加室内的生动性。如图2所示，国内一些家具企业以3D打印技术为基础，生产的定制家具，它的纹路十分美观，立体感极强。总的来说，3D打印技术已经在当前的定制家具中取得了一定的效果。

图 2 3D打印技术生产的定制家具

作为一项新技术，3D打印在家具材料和工艺上有了创新的探索，但是该3D打印所采用的材料是否会影响人体健康，其环保性等各项指标是否符合标准，还有待检测和认证。另外，由于3D打印家具还没量产，价格也比较贵，因此3D打印的家具目前并不能成为大众消费产品。就当前3D打印技术的发展而言，其类型、技术与材料都有具体的规定，如表1所示。

表1 3D打印技术的类型、技术与材料

续表

3D打印技术类型积累技术主要材料粒状选择性激光烧结热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末选择性热烧结热塑性粉末选择性激光熔化成形钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝电子束熔化成形钛合金直接金属激光烧结任何合金线电子束自由成形制造任何合金挤压熔融沉积式热塑性塑料、共晶系统金属

2 3D打印技术在定制家具中的应用设计

2.1定制家具设计方法

目前，随着社会的发展，大部分消费者都更加倾向于“个性化定制”，正是因为消费者的需求，为定制家具提供了广阔的发展空间。在应用3D打印技术的过程中，便可基于消费者的个性化需求确定具体的设计方法，具体内容如下。

2.1.1明确定制家具的理念、内容以及意义，然后基于消费者的需求不断地进行优化，从而满足消费者的需求。例如向消费者咨询其喜好、需求以及对定制的想法等，然后再咨询材质、成本等方面的信息，从而设计方案进行优化。另外，以椅子为例，如果消费者的腰部有疾病，还应该将其纳入考虑的因素，优化椅背的曲线，提供舒适度。

2.1.2恰当运用自身的技术。在3D打印技术的背景下，定制家具设计人员的能力直接影响着设计的效果，因此设计人员应该量力而行。例如同样以定制椅子为例，如果在设计的过程中，部分技艺超出了自身的能力，那么在无法突破的情况下应该选择其他技艺，避免影响设计效果。另外，虽然定制家具的设计工作存在互通性，但是不同的设计依然存在区别，所以在设计椅子的过程中，尽量不要使用其他家具的设计方式。

2.1.3分析消费者反馈信息。当定制家具完成生产以后，通常很难在第一时间满足消费者的需求，所以应该根据消费者的反馈意见，再次对设计进行优化，直到满足消费者的需求，提高家具定制的质量。

2.2确定定制家具设计点

目前，消费者对定制家具的需求趋于多样化，他们都希望能够在家具彰显自己的个性，充分享受“定制服务”，因此设计人员应该确定设计点，具体的方式如下。

2.2.1个性张扬。很多消费者在定制家具的过程中，要求设计人员在家具中彰显出更多的个性化元素。对此，设计人员应该运用更多的创意，大胆用色，创新家具的形状和功能。

2.2.2崇尚简约。在浮躁的社会中，很多年轻人更加崇尚简约的家具设计，所以在应用3D打印技术的过程中，切忌“浮夸”，要以实用为主，进而满足消费者的需求，确定定制设计的关键点。

2.2.3彰显身份。如果消费者在应用过程中，有的人是为了彰显自己的身份，对于这样的需求，在运用3D打印技术的过程中，可以倾向于古风设计，使定制家具更具韵味，彰显身份[2]。

2.3制定定制家具方案

当确定定制家具的设计点以后，就需要制定3D打印技术定制家具的方案。以椅子为例，其具体的方案设计包括以下几点。

2.3.1经过对消费者了解、前期的头脑风暴等，在设计椅子的过程中，其具体的设计意向主要包括包裹、分割，然后结合既定的设计点进行设计创意。

2.3.2通常来说，创意阶段需要几位设计师进行商讨，在思想的碰撞下确定设计草图。然后不断进行深化，确定椅子的功能和造型，如图3所示。另外，在设计的过程中可以通过绘制草图优化设计方案。

图3 定制家具设计草图

2.3.3依据最终的设计图，使用3D打印技术完成定制家具的全过程。结合草图，椅子的最终成品为：椅子的曲面以直角转折为主，其主体为黑色的塑料，而椅子腿为木材，通过塑料、木材的相互结合，使整个椅子呈现出时尚、大气的视觉效果。椅子的整体采用分割、包裹的设计方式，将椅子的整体分为3个主要部分，最后使用3D打印技术进行打磨处理，然后完成组装。

2.4选用定制家具工艺

基于对3D打印技术的了解、家具定制的方案等，在定制的过程中需要根据需求应用3D打印粉末烧结成形技术。在此基础上，在打印家具时，3D打印粉末烧结成形技术能够更好地处理木材的颜色，使椅子的成品更具自然美(见图4)。

图4 3D打印粉末烧结成形过程

就理论层面而言，3D打印粉末烧结成形技术对定制家具的材质有着具体的要求：打印的材质应该具有较强的导热性、热塑性，并且烧结性能良好，能够满足加工性能、导热性能、热稳定性、刚度、强度的需求。另外，在应用3D打印技术定制家具的过程中，应该选择耐老化、耐水性、固化速度快、粘合强度大的胶合剂。在使用胶合剂的过程中，应该重视当前的使用环境，从而更好的控制成本。例如3D打印技术在应用的过程中，很多定制家具商家倾向于选择脲醛树脂胶粘剂，将其作为家具成形的主要胶粘剂，主要是因为该胶粘剂价格低、固化速度快、粘合强度高等优势。在实际应用中，需要根据定制家具的定制、消费者的需求，选择恰当的胶粘剂[3]。3D打印粉末烧结成形技术简图，如图5所示。

图5 3D打印粉末烧结成形技术简图

3 3D打印技术在定制家具中应用的发展趋势

3.1提高3D粉末打印的效率

在定制家具中，材料的气体含量、夹杂、流动性、球形度、粉末粒度等因素都直接影响着成品的质量。在应用的过程中，激光熔融沉积成形对粉末的实际力度有着较强的适应性，几十微米至几百微米不等。具体而言，细粉末主要应用于家具的精细结构中，但如果粒度小于40微米，则家具的稳定性就会降低，甚至在热输入的过程中会影响材质的性能。就激光熔融沉积成形而言，使用粗粉末完成定制家具的打印，在提高打印效率的同时，还能够有效地降低成本。对于电子书、激光的选区，在定制打印时应该选用25微米至45微米左右的粉末，如果粉末过大或者过小都会影响家具的质量。因此，在打印定制家具的部分结构时，应该根据位置的不同选用恰当的粉末粒度，从而保证定制家具的质量，发挥3D打印技术的价值。另外，3D打印的价格受粉末价格的影响，所以在定制家具中应该寻求用户的意见，在此基础上选择恰当的粉末，满足消费者的需求。

3.2增强设备的性能并设置监控系统

对于3D打印设备而言，瑞典的ARCAM、美国的OPTOMEC、德国的EOS最具代表性，而中国3D打印技术起步较晚，为了促进3D打印技术在定制家具中的影响，需要增强3D打印设备的性能。目前，我国的3D打印设备的问题主要表现为：(1)尺寸较小，其中最大的3D打印设备尺寸仅有400毫米*400毫米*400毫米左右；(2)效率较低，3D打印技术定制家具的成本较高，其周期较长；(3)定制家具的精度、光滑度并不理想。

对此，为了有效地解决上述问题，就需要科研人员加大研究力度，扩大3D打印设备的尺寸，优化送粉器、送粉头的稳定性与精度，为保证定制家具的质量奠定基础。同时，为了更加精准地掌握定制家具的参数，可以在设备中安装监控系统，以便及时地发现打印中存在的问题，并提示工作人员进行干预，优化家具的指令，例如可以使用城乡监控系统对粉末的尺寸、形状进行监控；使用照相系统对成形质量、熔池进行检测。通过上述方式，能够使定制家具的工作人员更加清楚3D打印的全过程，便于及时纠正存在的问题，提高定制家具的质量，促进家具市场的发展[4]。

3.3制定3D打印无损规范

如上文所述，应用3D打印技术定制家具，其关键的工作就是拼接，所以裂纹、为熔合、夹杂、气孔是其不能避免的问题。在应用的过程中可以发现，3D打印技术在定制家具方面，数量、尺寸均可能出现问题，并且存在严重的波动性、随机性。因此，为了能够优化定制家具的打印技术，就需要在具体的工作中，制定完善的3D打印无损规范。

3.3.1确定3D打印的方法、设备，主要目的就是识别定制家具打印中可能存在的缺陷，以便选用恰当的优化方式。

3.3.2使用更优质的检测工艺。在定制家具的打印中，3D打印的数据、文件较为复杂，所以会直接影响无损检测的效果。换言之，在检测的过程中使用传统的方式、设备很难发现定制家具打印中存在的问题，因此需要使用在线检测等新型的设备、方法。

3.3.3目前，在应用3D打印技术定制家具中，分布、数量、尺寸、类型等界定标准尚未完善，所以会影响其未来的发展。在应用3D打印技术的过程中应该统一标准，完善定制家具的规范。

3.4建立3D打印技术的数据库

家具的稳定性、耐久性，除了受材质、工艺的影响之外，还在很大程度上受力学性能的影响，但目前运用3D打印技术定制家具，其研究的重点在于力学性能，并且积累的性能相对有限，研究的材料较少，无法为定制家具的打印提供科学的依据。因此，应该建立力学性能数据库，将打印工艺、粉末作为数据库的基础，即基于大量的研究，对缺陷控制、化学成分、工艺规范、粉末标准等进行系统、科学的界定。以此为前提，测试、表征的具体对象就是标准过程、流程下的定制家具打印材料，从而发挥力学性能的具体意义，增强定制家具的质量，促进3D打印技术的发展。

3.5分析材料具体性能

不同的3D打印材料之间，都存在一定的差异性，为了能够优化3D打印技术在定制家具中的应用，需要对不同材料的性能进行具体分析。因此，可以从以下几方面入手：(1)分析微观组织的演变规律、特征，确定对不同打印材料的评价方式；(2)如果材料存在为裂缝、未熔合、夹杂、气孔等问题，则需要具体界定缺陷的类型、程度等；(3)在各项异性、组织不均匀的条件下，分析材料的断裂行为、特征、原因以及可能性；(4)在评价定制家具材料的过程中，应该对表面进行系统分析与评价；(5)根据打印材料的损伤容限特征、耐久性特征等建立评估模型；(6)对普载疲劳裂缝进行扩展分析、寿命预测；(7)在特定的环境中，确定打印材料的失效、损伤性能等。只有在打印过程中，明确打印材料的性能，才能够提高定制家具的质量[5]。

综上所述，3D打印技术的原理相对复杂，但目前已经得到了广泛的应用，并加大对该项技术的研究力度。基于此，在家具定制行业中，采用恰当的方式应用3D打印技术，打破传统的制造工艺，不仅增强了定制家具的个性，还提高了定制生产的效率，并在一定程度上增强了3D打印设备的性能，建立了关于打印材料的数据库。所以，在定制家具的行业中，为满足消费者需求可以将3D打印技术应用在制造中。