3D打印技术在竹制品生产中的应用研究*

崔俊杰

（郑州轻工业大学，郑州 450002)

3D打印技术的出现，颠覆了传统生产制作基本模式，让越来越多之前仅仅能够停留在图纸作业的产品，经过计算机多媒体的精确分析之后，快速而精准地转变为实物产品。这项技术可让竹制品制作，这种需要对竹纤维材质进行精确规划的生产制作工艺，不再考虑因为人工因素造成的竹制品图形图案差异，按照预设的计算机程序进行精细加工。

1 3D打印技术原理

3D打印技术是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术[1]。也被称作“添加制造”。美国ASTM 2009年公布的定义是：一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通过采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺，包括：添加成型、添加工艺、添加技术、添加分层制造、分层制造和无模成型[2]。

2 3D打印技术应用于竹制品生产中设计方式

2.1 “来图制造”型

在竹制品生产制作过程中融入的3D打印技术，并不是完全将3D打印机以喷涂材料的形式出现，如果将竹纤维做成液态，其纤维的柔韧性会明显降低。在竹制品基本造型的基础上，以3D打印技术来对复杂图形进行“二次加工”，是现阶段3D打印技术应用于竹制品生产中的常用方式（如图1所示）。

这类产品属于“小众化”产品，其造型、内容、方式基本按照客户设计思路上的图形图案来完成。这种“来图制造”看似符合客户基本需求，然而由于无法有效体现竹制品设计人员对竹制品的设计思路，因此，这些产品符合消费需求，但缺乏创新思路。

图1 利用3D打印技术完成的竹制品Fig.1 Bamboo products using 3D printing technology

2.2 “定制”型

有很多从事竹制品设计与生产的人认为，定制类型3D打印竹制品与来图制造型基本类似，其实这是对3D打印技术有效应用的一种认知误区。这种产品的定制方式，客户并没有给出具体的图形图案，只是给设计人员提出一个设计方案[3]。因此在产品的设计过程中，设计师可根据其对竹制品的不同理解，勾勒出竹制品特殊造型，再借助专业3D打印机完成生产制造。

图2 定制型竹制品挂饰Fig.2 Customized hanging decorations for bamboo products

由于设计与生产这种产品，给设计师预留的拓展空间较大，因此设计人员在进行产品定位时，能够汲取和借鉴的设计方式也较多。将竹制品传统生产制造工艺与3D打印技术相结合，或者是在之前竹制品传统生产工艺的基础上再进行3D打印加工，其艺术性就能够得到明显提升（如图2所示）。

图2就属于这种竹制品定制类型的“再加工”生产方式，所有的色彩以及异形结构，都是在之前传统生产技术及工艺的基础上借助3D打印技术进行的二次加工[4]，如此一来，产品的色彩与结构就更为艳丽、丰富，所传达出来的视觉传递信号也从之前的平面信号向立体信号升级，从而让产品的可视性、艺术性特征更为饱满。

2.3 “创新”型

由于竹纤维具有较强柔韧性，竹制品的造型较易控制，能够让其在造型变换上具有较强的适应能力，然而由于竹纤维对于色彩颜料，特别是油脂材料的吸附性较弱，因此在传统竹制品中，色彩的影响力明显偏弱[5]。不过当3D打印技术在竹制品生产中得以全面应用之后，这种局面已逐步扭转（如图3所示）。

图3 UV方式3D打印的竹制工艺品Fig.3 Bamboo handicraft using UV 3D printing technology

在竹制品的3D打印生产过程中增加UV方式（如图3所示）[6]，主要是因为这样能够借助多媒体数码技术，彻底解决打印偏位和打印拉丝不牢固等直接影响产品视觉效果和质量的问题，增加产品色彩的层次感。

但由于UV技术在应用的过程中需要对竹制品的尺寸造型有一定的限制要求，按照现在的技术条件来看[7]，大型或者超大型的产品并不能完成直接生产，所以，竹制品生产设计人员的创新设计方案，基本上以器型较小的产品为主。

另外，考虑到产品的设计生产成本，这种器型较小的产品对于年轻用户的吸引力较强，这样就明显提高了其市场迎合效应，这种小巧精致的产品生产设计模式能较好地适应终端消费市场需求。

3 3D打印技术在竹制品生产中应用难点

尽管从3D打印的竹制品销售来看，市场前景比较乐观，但从客观上来讲，目前的生产技术和工艺仍然有待提升，应用难点较多。如不能妥善解决这些问题，将很难有效提升3D打印竹制品的使用寿命。

3.1 竹制材料匹配性

与其它材料的3D打印不同的是，竹制品3D打印产品不仅有一次成型的，还有组合成型的（如图1所示），这对竹制品材料与打印设备、竹制品的材料与材料之间的匹配性有较高要求。竹纤维在常温状态下仍然有较强的活跃性，这就导致其在进行材料匹配的过程中，很容易导致物理特征出现变化，例如纤维素(C6H6O6)n是细菌良好的培养基[8]，但是同等数量的细菌在棉、木纤维上能繁殖，而竹子纤维会抑制细菌生长，具有天然抗菌性的同时，由于纤维表面含有大量—OH羟基易和水分子形成氢键，竹原纤维吸湿后水分进入无定形区后，削弱大分子内部键能，纤维含量就会从40%降低到25%左右[9]。

要想使竹制品在经过3D打印后保持纤维稳定性的同时，还让材料之间的匹配性稳定，就必须确保所有竹制品材料保持在纤维直径为0.03～0.18 mm，纤维长度为10～40 mm,含水量≤15%[10]。

特别需要强调的是，在多色彩3D竹制品打印的过程中，颜料有可能会直接影响到竹纤维的含水率，从而造成竹制品原材料的孔隙增多，刚度明显增大。避免这种情况出现的最直接方式是提升整个纤维染色性，经过实验室的阶段性实验分析，将竹纤维的色牢度控制在3.5左右之后，用于3D打印的竹制品材料颜色稳定性有明显提升。

3.2 竹制材料稳定性

影响竹制品材料工艺品使用寿命的最大制约因素是霉变、虫蛀，由于按照3D打印技术生产的竹制品已经改变了竹纤维的物理特征，因此无法保证竹纤维的稳定性。运用UV设计及生产制造工艺，能够在一定程度上提升竹制品材料的稳定性，但是在3D打印过程中，竹纤维材料的温度会在7～14 ℃的常温保存期，在60～100 s之间快速达到55～70 ℃之后，在60～100 min之内再恢复到常温状态[11]，这是否会破坏掉竹纤维的霉变防护，在实际应用中并没有得到印证，但在实验室采取的破坏性采样实验阶段，出现了由于竹制材料稳定性被破坏之后[12]，竹纤维产生碳化或者是竹纤维中的纤维素物理特性弱化现象。

解决这种问题需要改变竹纤维提取方式，优化3D打印材料，强化竹纤维的稳定性[13]，从而让整个竹制品材料的湿度一直保持在50%～60%[14]，如条件允许，有必要对竹制品材料，特别是用于3D打印生产方式的打印材料，在完成基础材料匹配的情况下进行除湿处理，反复加热和对原材料进行空气流动，其效果较明显。

3.3 成品使用寿命延长性

按照传统生产工艺制作的竹制品一旦开裂就很难完成修复，基本报废，依照3D打印技术生产的竹制品，虽然能够较好地规避开裂这个问题[15-25]，但由于其在整体打印过程中没有运用熏蒸工艺[26-34]，导致防止开裂的药剂无法被竹纤维吸收，所以3D打印的竹制品韧性较强但刚性较弱，易在链接处出现断裂现象。

解决该问题需要调整的工艺较多。在3D打印的液态材料中增加熏蒸药水，待3D打印完成之后再对其进行熏蒸工艺的处理[35-44]，但实际应用效果并不理想，原因是由于3D打印的过程会出现加温效应，而这些熏蒸药水易挥发，在挥发之后就失去了作用。因而必须要在材料进行3D打印之前进行“加湿-加药-除湿”的循环操作步骤，如果一次处理效果不明显，应进行多次循环操作[45-48]，这样才能促进熏蒸药水被竹纤维吸收。

4 竹制品生产“3D打印化”展望

现阶段被应用于3D打印的竹制品，多为竹粘胶纤维和天然竹纤维两种，但因其特征和品性之间存在较大差异，所以其设计生产出来的3D打印竹制品物理特性也不完全相同。从终端消费市场的反馈来看，3D打印竹制品受成本制约[49-50]，工业化量产操作性不强，以工艺品形式出现，是下阶段竹制品生产“3D打印化”的阶段性发展趋势，只有降低制作成本，才能真正在终端消费市场上实现推广。

5 结语

3D打印技术具有能缩短产品创新研发周期、简化产品制作流程、提高产品质量与性能等优点。将该技术应用于竹制品生产中，其设计方式多样，为竹制品生产企业带来良好的社会和经济效益[51-52]。但3D打印技术在竹制材料匹配性、竹制材料稳定性及成品使用寿命延长性等方面存在应用难点；基于此，本文提出了相应解决措施，并分析了竹制品生产“3D打印化”发展趋势，希望为3D打印技术在竹制品生产中的应用提供借鉴，推动我国竹制品设计制造方式的多元化发展。