CMF设计方法在3D打印家具中的应用研究

朱荟锦，朱 婕，王 蕾 Zhu Huijin& Zhu Jie& Wang Lei

(1.北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083；2.上海极臻三维设计有限公司，上海 200002）

近年来3D打印技术在家具领域应用快速发展，3D打印家具有一体成型、制作周期短、造型灵活多样等诸多优势。CMF设计是产品设计中提升产品品质的重要环节，是流行趋势、工艺技术、创新材料、审美观念等综合的交叉产物，能综合提升产品整体美感、使用感和价值感。CMF设计对于工业产品而言，是有效控制设计、材质和生产以及最终产品呈现全链条的设计方法。由于3D打印家具仍处于发展初期，以小规模定制化为主，且目前没有系统性针对3D打印家具的CMF设计的相关研究。从整体发展趋势来看，3D打印家具市场化和批量化发展过程中，必须借助CMF设计和研究。因此本文将从CMF设计概念、3D打印技术的应用进展以及CMF在3D打印家具中的应用等部分展开讨论，期望能为3D打印家具的CMF基础研究提供理论依据，为后续3D打印家具创新设计提供新思路。

1 CMF设计

CMF是颜色(Color)、材料(Material) 和表面处理 (Finishing)的首字母缩写，可以理解为基于感官体验塑造的产品材质设计与实现[1]。目前CMF有两方面的研究内容，一方面是研究流行趋势，以塑造视觉和触觉等的感官体验为主。另一方面是基于前期设计的感官效果，提供实现量产的解决方案[2-7]。CMF设计要求产品能够用显性的物理元素来承载和满足用户的感性需求[8]，其首要目标是通过对产品的色彩、材料及表面装饰处理进行设计，使目标用户被产品吸引。因此，设计师可通过CMF设计展现产品最佳的外观，延长产品使用周期，赋予产品生命意义、升华产品设计价值。

CMF设计可应用于设计创新的全过程，其基本流程如图1所示，首先为前期调研（Research），包括对用户需求及设计趋势的调研及分析[9]，要求开发人员对色彩、材料、加工工艺和表面装饰等方面进行深入研究，同时尝试从用户需求的角度出发，建立用户与产品的联系；其次为CMF设计尝试（Planning），包括确定设计方向、建立模型、市场测试、设计优化和模型打样等；最后提出CMF设计解决方案（Implementation），包括产品加工、CMF调整优化和量产等环节。

图1 CMF设计流程

图2 2022年度CMF流行趋势关键色

图3 CMF关键色搭配建议

表1 3D打印家具常用材料特性

目前国内研究CMF设计及趋势的机构有CMF设计军团、材料馆、WGSNChina、YANGDESIGN等。例如，材料馆发布了2022年度CMF流行趋势6大关键色（图2），描述其色彩特征并提出应用和搭配建议（图3）。此类趋势报告可应用于设计初期的调研阶段，但也需要根据实际功能及市场情况针对CMF进行调整应用。国际CMF设计奖是全球首个专注于CMF的奖项，从产品或样品的革新度、美观性、功能性、落地性、环保性和情感性等维度进行评选。该类奖项一方面反映了CMF设计能提供创新价值、社会价值、人文价值以及商业价值，具有研究潜力，另一方面要求开发的产品不仅需要满足基本功能和工艺技术，还需要考虑情感体验。

2 3D打印技术的应用进展

3D打印技术又被称作增材制造[10-12]，是一种快速成型技术，其基本原理是基于3D模型数据，通过电脑控制将材料逐层叠加，最终形成立体实物。目前比较成熟的有熔融沉积成型（FDM）、光敏树脂固化成型（SLA）、选择性激光烧结成型（SLS）、选择性激光熔融成型（SLM）、黏合剂喷射成型（3DP）等五种主要技术分类，由于打印制造原理不同，导致不同技术具有不同优缺点（图4）。总而言之，未来3D打印技术将引导大批量制造模式向个性化制造发展，但目前仍存在成本过高、打印精度受限等问题[13]。

2.1 3D打印技术的应用领域

3D打印技术是数字化时代的产物，涉足人们衣食住行的方方面面，目前在汽车、航空航天、时尚、医学、通讯及化工等行业领域（图5）均有较好的应用。例如在制造业中的应用能有效降低生产成本、提升制造速度和精度，节省的人力和材料资源能有效提升生产效率；在医学领域该技术常被用于制作人体器官的替代品，未来将更广泛地应用于骨科领域；航空航天领域该技术常被应用于机器零件的制作，能有效解决零部件制作工作量大、周期长等问题。

图4 常见的3D打印技术

图5 3D打印技术在不同行业的应用

2.2 3D打印家具常用材料

3D打印的材料种类非常丰富（图6），普遍使用的材料可分为工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料、陶瓷材料及其他复合材料等。

其中，3D打印家具常用材料主要包括ABS、PLA、尼龙、ASA等（表1），由于材料特性存在差异，因此在实际生产制造过程中，应当根据材料不同的理化性质对生产方式进行调整。

ABS是3D打印常用材料之一，通常应用于家具结构连接件。BigRep ONE的3D打印桌和德国设计师Marco设计的Generico椅均采用了ABS材料（图7）。PLA可生物降解，通常来自如玉米淀粉的可再生资源，可确保家具的轻便和稳定。Zaha Hadid建筑事务所研发的Bow and Rise椅和Daniel Widrig设计的Peeler椅均采用PLA材料（图8）制作打印。尼龙生产出的模型精度较高，可通过后期喷漆、浸染等方式上色。Studio Ilio重复利用尼龙粉末打印了一套以电线为框架，回收的尼龙为材料的凳子模型（图9）。除上述最为常见的打印材料外，还有混凝土、玻璃、陶瓷、金属以及其他复合材料，如Philipp Aduatz的数字躺椅（图10）则采用了混凝土以及碳纤维，运用雕塑的设计语言给人以厚重、安全的感觉。

2.3 3D打印技术在家具设计中的应用

3D打印作为一种新兴的数字制造技术，赋予产品设计感和未来感，能极大迎合个性化潮流市场的需求[11]，与传统制作和组装工艺相比较，该技术在家具设计领域的应用能实现家具复杂结构的制造。极致盛放作为国内首家3D打印设计品牌，致力于将先进增材制造与数字设计进行创新融合，其自主研发设计的3D打印家具（图11）使用大尺度机械手臂进行FDM打印（图12），实现零废料的智能化制造，在满足使用功能的同时，又通过数字设计增加了设计美感，以独特而充满质感的先锋设计，重新定义国人生活方式和生活品质，深受崇尚独特、掘弃传统并充满野心、富有创造力的“新享乐派”推崇与欣赏。

图6 3D打印材料分类

图7 ABS材料的3D打印家具

图8 PLA材料的3D打印家具

图9 Nylon材料的3D打印家具

图10 混凝土材料的3D打印数字躺椅

图11 Xuberance自主研发的3D打印家具

图12 3D打印机械臂及FDM打印

图13 《SATINE 缎》椅

图14 彩色石膏样块

3D打印家具的主要优势有快速成型、一体成型、造型多样且能满足消费者个性化需求等。传统家具大规模的批量生产，不论是基材还是零部件都需要经过复杂的处理工序，而3D打印是数字化艺术设计，可以免去组装，有效缩短制作周期的同时还能相应节省材料。3D打印在造型创新上非常灵活，因此能够更好地满足消费者的个性化需求，不受传统加工工艺限制。

尽管具备诸多优势，3D打印家具在实际设计和生产中仍有限制因素。例如，3D打印材料在一定程度上局限了3D打印家具的发展，打印的家具在精度、质量和质感等方面还无法满足使用要求。由于家具产品体量较大，需要工业级的3D打印机完成，因此生产成本大幅提高。尽管如此，随着3D打印技术的日趋成熟，相应的配套设施也将逐步完善，能为设计师带来更多的灵感，也能满足用户的个性化需求，更高效地制造出家具产品，3D打印技术的发展必然拥有更广阔的前景。

3 3D打印家具的CMF创新设计

目前没有系统性针对3D打印家具的CMF设计的相关研究，本文通过案例分析法对现有3D打印家具分别进行CMF设计三大要素的解析，并依此总结相应的创新设计趋势，旨在为后续CMF基础研究及3D打印家具创新设计提供理论依据及设计思路。

3.1 以色彩为主导

色彩作为CMF设计中最为显性的信息，是用户感受最为直观且强烈的部分，它的应用与变化可以呈现不同的外观效果，蕴含着深层次的情感信息，千变万化的色彩能为设计师提供源源不断的设计创意。在设计研发过程中应当建立清晰、科学、高效的色彩观，结合社会趋势、消费方式、文化及市场的审美变化进行色彩定位，从用户、市场、渠道和使用场景等多维度提供配色方案。

极致盛放出品的《SATINE 缎》系列3D打印座椅（图13）以绸缎为灵感来源，通过数字化建模与机械手臂结合的手法，利用FDM打印技术赋予产品层积纹路，凸显了3D打印特色，具备藤编的质感，为用户带来视觉和触觉的全新体验。最值得讨论的是该产品的色彩，设计师结合新审美、新消费模式，根据用户需求和使用场景调整配色，让产品适应不同空间和不同风格。例如，白色低调而独特，提升空间明亮感，无论是在居室还是商业空间都能营造干净素雅的氛围；黑色神秘且经典，适宜高级的空间场所，凸显使用者的品味；绿色环保且舒适，视觉上给人带来清新与放松感，在咖啡厅等场景的应用传达出自然的视觉效果；阴丹士林蓝（Indanthrene）已有近百年的历史，被称为最高级的蓝，该系列展现不同明度的蓝色，提高了空间的活力等。

图15 利用回收材料制作的3D打印家具

图16 不同表面处理工艺的3D打印家具

色彩能传递情感[14]，能带给用户良好的情感体验和积极的心理暗示，未来以色彩为主导的3D打印家具的创新设计可以参考利用色彩趋势报告，根据空间使用场景和人群画像进行搭配调整，以色彩营造最佳的空间氛围，带给用户视觉上的完美体验。色彩创新固然重要，但产品最终效果是C、M、F三者的共同作用。上述作品使用PLA环保材质，能保证家具的使用强度、涂料的附着力和显色度；同时喷漆等表面处理工艺，才真正赋予了产品色彩及质感，优化产品视觉和触觉体验，提升产品整体价值。由于实际生产制造与电脑数字化建模的色彩存在差异，受材料及表面处理工艺的制约，设计师通常会先制作该材料的彩色样块（图14），再与建模软件中的RGB色对比后使用。因此，后续CMF基础研究中，色彩评价标准的建立，应当随着材料和表面处理工艺的标准而共同制定。

3.2 以材料为主导

材料是CMF设计中最难调整的要素，这是由于产业链关系着供应商、生产线、工艺技术、产品标准等多方面内容。通常而言，一旦确定产品材料，短时间内不会更换。设计师在使用材料的时候，应该把性能放在首位，即在保证力学、机械性能的基础上，再综合考虑其他如成本、外观、细节以及特殊应用环境等因素，使材料的运用达到高效、和谐[15]。3D打印家具一般要求材料能快速、精确成型，保证成品具有较好的力学性能。不同3D打印材料会影响色彩的显色度以及光泽感，进而影响最终呈现的形态与质感。

环保是未来产品设计的主题[16]，也是3D打印的优势之一。在CMF设计选择时尽可能使用回收利用的材料（图15），例如Lilian van Daal从真菌的菌丝结构以及放射虫和浮游生物骨骼结构的对称性受到启发，模仿此类生物结构设计了采用回收聚合物粉末制成的Radiolaria椅，没有用一滴胶水，不仅具有柔韧强度，并且大幅节省了制造的材料。Zero Waste Lab回收家庭废旧塑料进行设计并利用3D打印技术制作了户外公共家具。

材料是家具的形态载体，未来以材料为主导的3D打印家具的创新设计应秉承环保理念，使用可降解的新材料，实现材料零浪费，减少碳排放，同时引导消费者走向更环保的消费理念。材料正确高效的使用，能让色彩有更好的显色效果，能让用户通过材料感知产品表面的温度和舒适度等。此外，不同材料具备不同的表面处理工艺，因此在CMF基础研究中，应当制定与材料相关的理化性能、五感特性、美学特性和象征意义等各项属性的标准，同时也要求设计师加深对材料的了解，提高对后续打印效果的把控。

3.3 以表面处理工艺为主导

3D打印家具表面的后处理工艺（图16），不仅能改善家具形态质感，更是增加其装饰性能及提升产品使用体验的重要步骤。打磨抛光、喷漆、打蜡、贴面、镶嵌等后处理工艺的选择决定了可适用的材料与可实现的色彩，同时赋予材料表面耐磨性、防腐蚀性、抗氧化性等性能。优化处理工艺能提升产品性能，通过表面肌理的处理能增强用户体验，从而提升产品附加价值，同时也能增进设计师对产品信息和价值传递的把控。

以Philipp Aduatz设计的云椅和瓷砖椅为例，同样的造型但不同的表面装饰工艺，能带给人不同的视觉和触觉体验。云椅采用聚氨酯和玻璃纤维等材料并在表面进行喷漆处理，给人以质轻的感受，仿佛真的深处云端，而瓷砖椅表面瓷砖的应用，给人以稳重的感受，不论是喷漆还是马赛克的渐变效果都给人全新的视觉和触觉享受，形成了独特的记忆点。Janne Kyttanen设计的Sofa So Good沙发即是采用了SLA打印技术，其通过使用紫外线激光将光反应性树脂固化，从而形成沙发的形状，在后处理的过程中添加了铜和铬镀层，增加产品表面的光洁度。因此看似为1.5米长的“铁艺”沙发实际仅使用了2.5升树脂，产品自重2.5公斤，但承重可达100公斤。

表面处理工艺能带给家具品质升级，起到装饰、保护及延长家具使用寿命等作用[17]，富有创意的处理工艺能提升产品质感、打造产品特色，实现产品差异化竞争。由于3D打印家具材料和打印技术的局限性，大部分产品质地硬，因此未来以表面处理为主导的3D打印家具的创新设计可从舒适性、安全性等角度考虑。表面处理的质量直接决定产品“生死”，例如喷漆处理技术中涂料喷涂的均匀与否，直接影响显色度、光滑度等视觉和触觉要素，进一步影响用户情感体验。可以说“Finishing”作为最后且是最重要的一步，是在以材料为载体的基础上，对产品外形、质感和情感等细节的精准把控，传递综合感官美学和材质美学，实现产品的差异化。

3.4 CMF设计的应用意义

图17 CMF设计意义

图18 CMF关系图

CMF设计在3D打印家具中的应用对用户、设计师和企业三方都能带来价值（图17）。对使用者而言，能满足其功能需求、精神需求以及个性化定制需求；对设计师而言，能实现创新，能更清晰、更标准地把控品质，能通过产品细节传递风格和情感；对企业而言，标准化的设计研发流程能相应降低成本，精准的定位、需求和趋势研究能帮助实现市场化和批量化，在产品同质化日趋严重的当下，实现产品差异化，提升产品价值，同时让用户感知价值。

综上所述，CMF设计是艺术与技术的融合，其内核集趋势探究、设计、材质美学和精细化管理为一体，是一套将设计创意转换为可落地工业产品的工作流程和系统（图18）。“Color”能传递产品的情感信息；“Material”是产品形态的基本载体；“Finishing”在色彩和材料的基础上提升产品性能和质感。而色彩、材料和表面处理工艺三者并非独立存在，而是相辅相成的[18]。创新设计时应将三者进行集成和优化，以使得家具产品在功能和美学上均达到最佳效果，实现三者的搭配标准化、设计个性化、价值差异化[19-20]。

4 结语

CMF设计不仅是将看似简单的色彩、材料以及处理工艺进行综合搭配应用，更是对产品品质的追求、细节的把控和情感的传递，其内核是对流行趋势进行解读和探究、对材质美学和感官美学的诠释和把控，对品质和情感进行精细化的管理。3D打印家具未来的发展，不应局限于日常生活需要，更应遵循科学的CMF设计流程，追求艺术和数字化科技的创新，帮助设计创意转换落地，让用户、设计师和企业三方共同感知产品价值。CMF基础研究，应帮助企业建立标准化研发链条和系统，提高设计师对产品最终效果的可控性，研发并形成设计师、生产商、用户全链条有效沟通的材质色板标准，实现3D打印家具的逐步市场化和批量化，随着3D打印技术的应用成熟以及越来越多低成本环保3D打印材料的市场化应用，未来CMF设计在3D打印家具中的应用和发展必将拥有广阔的前景和价值。