3D打印技术在家具产品设计中的运用

牛牛

摘  要：3D打印技术是在电脑技术的基础上，融合使用材料科技所形成的新技术，深化其在家具产品设计中的应用，能有效提升家具产品设计的质量。本文在阐述3D打印技术类型的基础上，分析该技术在家具产品设计中的实际应用情况，并指出该技术应用的发展趋势，期望能实现3D打印技术与家具产品设计的有效结合，推动家具产品设计工作的有序发展。

关键词：家具产品设计；3D打印技术；应用要点

3D打印技术最早出现在20世纪80年代，其工作原理与普通的打印机相似。现阶段，3D打印技术已经在多个领域实现了广泛应用，如建筑设计、工业设计、家具、珠宝领域等。在家具设计中，规范化地使用3D打印技术，能提升设计的效率和质量，推动家具设计的个性化、轻量化和高精度化发展。

一、3D打印技术内涵

3D打印技术本身是一种快速成型的技术，在现实生活中，它又被人们称为增材制造。早在1984年，查尔斯·赫尔就已经发明了SLA3D打印技术，3D打印技术由此产生。从技术原理来看，在计算终端设备的支撑下，3D打印技术能依托数字化三维模型方案，通过层叠累加的“材料打印”方式，将打印的东西以三维实体状态呈现出来。在科学技术不断发展的背景下，3D打印技术的技术实现路径逐渐多样，这些技术都是在电脑三维设计软件的支撑下制作三维数字化模型的，虽然各种技术所使用的材料性质有所不同，但是在本质上、原理上具有相通性[1]。

二、家具产品设计中的3D打印技术类型

在现代科技的支撑下，3D打印技术朝着多种方向发展，结合市场实际可知，除熔融沉积、立体光固化外，选择性激光烧结、3D喷射打印、真空注型等都是3D打印技术中较为常见的技术类型。

（一）熔融沉积技术

这是家具设计制造领域应用较多的一种3D打印技术。该设计的应用门槛不高，具体做法是：在考虑数字三维模型分层数据路径的基础上，人们会通过热熔喷头将半流动性的热塑材料沉积到指定位置，然后固定成型。从实际应用情况来看，除家具产品设计的模型验证外，在一些特殊部件的小批量制作中，熔融沉积技术的应用也较为常见，它为家具新产品的量化生产创造了有利条件。

（二）立体光固化

作为一种成型精度高、加工迅速的3D打印技术，立体光固化技术的功能需要特定波长和强度的激光聚焦来实现。在光固化材料的表面，通过该技术的应用，材料会以由点到线、由线到面的顺序凝固一层，在升降设备不断上移作用下，可逐层实现目标物品的打印、固化成型。现阶段，在立体光固化技术应用中，树脂材料是主要的材料类型。但要注意的是，该技术的设备成本较高，故而应用范围有限，多用于生物医学层面[2]。

（三）选择性激光烧结

3D打印技术应用中，选择性激光烧结也是较为常见的一种技术类型。该技术将红外激光作为能源，在计算机控制作用下，激光束会按照一定的能力和速度对粉末材料的薄层进行有选择地逐层烧结，待完全烧结后，将多余的粉末去掉便可生成所需要的产品实体。结合技术应用实际可知，此类技术所使用的材料类型较多，除蜡粉末、塑料粉末外，陶瓷粉末、金属粉末等材料均可通过选择性激光烧结技术进行加工。从技术应用过程来看，它在加工成品时的耗时较少，打印加工过程无材料浪费。与立体光固化技术相同的是，选择性激光烧结技术同样对设备具有较高的要求，设备的成本较高。目前在家具设计制造中，一些塑料、陶瓷、金属家具及部件会选择通过选择性激光烧结的方式制作。

（四）3D喷射打印

3D喷射打印主要是通过喷头喷出粘接剂，将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。该技术所用的材料包含陶瓷粉末、金属粉末等类型。但要注意的是，由于该技术所使用的材料是粘接剂，所粘接部件整体的强度较低，后续处理较为复杂，故而该技术尚未在家具领域使用。

（五）真空铸型技术

选择使用真空铸型技术也能完成家具产品的设计和生产。从应用过程来看，真空铸型技术首先需要制作3D打印模型，然后通过真空浇注的方式制作模型，最后在模块的支撑下完成家具产品注塑操作，进行家具的批量化生产[4]。家具产品设计生产中，ABS、聚乙烯等塑料类型的家具多会使用此技术进行生产，这有效地降低了家具的研发成本和生产成本，提升家具生产的效率和质量。

三、3D打印技术在家具产品设计生产中的应用

（一）应用价值

现代技术体系下，3D打印技术愈发成熟，在家具产品设计生产中的应用也愈发突出。结合家具产品设计生产过程可知，3D打印技术的作用表现为：

第一，家具产品设计本身是一项专业性较强的工作，需要系统考虑材料学、美学、经济学和力学等多个层面的内容。规范化地使用3D打印技术后，设计人员可快速地将设计的家具单体零件打印出来，然后进行组装测试，这大大缩短了家具产品的设计和研发时间，为下游的家具产品制作生产和应用创造了良好条件。第二，3D打印技术在家具产品制造生产中也有一定的應用。在3D打印技术的支撑下，人们可将不同类型的材料结合在一起，进行家具的整合制造。这不仅实现了家具制作的个性化发展，而且有效地增加了家具产品的附加值，保证了家具产品的质量和效益。第三，现阶段，家具产品的结构愈发复杂。如一些家具出现了镂空构造，若使用传统的家具制作方式，这不仅会增加家具的制作难度，而且会造成大量材料的浪费。新时期，3D打印技术的应用能有效地解决这些问题，实现复杂构造家具的快速生产。第四，在新时期，3D打印技术在家具产品的售后维修和保养中也得到了广泛应用。如当家具产品出现破损断裂问题时，可通过3D打印技术进行补全处理，这有效地延长了家具产品的使用寿命，提升了家具产品的整体应用效果[5]。

（二）应用内容

现阶段，3D打印技术在家具产品设计生产中的应用增多，从具体的应用过程来看，该技术的应用表现在不同方面：

一方面，规范化地使用3D打印技术，可实现家具产品的有效设计。现阶段，随着人们关注点的变化，人们对于家具产品的质量要求和审美要求不断提升，通过3D打印技术应用，能有效在家具产品设计中满足这些设计要求。如在3D打印技术的支撑下，设计师帕特里克打印了一个名为0NHONE的折叠凳子，同时设计师宋宝也通过3D打印技术的应用，设计了《十二盏水灯》，这些设计为3D打印技术在家具产品设计生产中的应用提供了可行路径。另一方面，在生活中，一些家具会因各种因素发生破损问题，此时通过3D打印技术的应用，便可实现这些家具零件的有效设计，这为后期破损家具的维修创造了良好条件。譬如，宜家家具在家具零件设计中就使用了3D打印技术，在该技术的支撑下，通过聚乙烯材料设计了3D印刷连接器，这使得家具可通过连接器完成组装，给人们提供了极大的便利。此外，在家具产品设计中，规范化地使用3D打印技术，还能实现古代家具文物的有效修复。结合实际可知，古代家具文物修复难度较大，实际的修复工作包含了较多的流程，3D印刷技术可以制作丢失的零件，经过碾磨、喷涂和旧工序的加工，获得完整的文物，这对于提升古代家具文物的修复效率和质量具有积极作用，有效地实现了传统文化的保护。

四、3D打印技术在家具产品可持续设计中的趋势

（一）普遍化

现代经济体系下，科学技术与人们生活实际的联系愈发紧密，智能家居越来越普遍地出現在了人们的生活当中，在此背景下，3D打印技术步入人们的生活也将成为一种必然。现阶段，3D打印技术在普通家庭中还是一种新鲜事物，但是实际的应用环境已经在城市中逐步扩大。一是随着科学技术的发展，3D打印技术逐渐成熟，其设备及材料的成本正在不断降低；二是人们的生活逐渐富足，这为3D打印技术的应用提供了物质基础；三是新生代群体正在逐步崛起，这部分群体具有使用3D打印技术的兴趣和能力。在这种背景下，3D打印技术与人们生活的联系势必更加紧密。譬如，桌面级3D打印技术已经进入了普通人的生活，在该技术下，人们不仅能进行DIY制作，而且能改善子女科技教育环境。此外，该技术还能对家具产品的维修保养提供帮助，满足人们的实际生活需要。

（二）个性化

现代工业生产模式下，大批量生产的家具产品多具有设计高度统一化的特征，这满足了家具产品高效率生产的需要。但是在一定程度上，也使得家具产品在设计层面缺乏个性，导致消费者的个性差异和喜好在产品的设计过程中难以体现。对于批量生产的企业而言，出于效益考虑，往往会选择生产效率，这使得不同消费群体的个性需求逐渐被忽略。譬如，在生活中，人们穿的鞋子被划分为不同的尺码，工厂便是按照这些尺码进行批量生产的。在后期销售过程中，需要人们在限定的尺码范围内选择，这种让身体适应、习惯鞋子的方式忽视了人们在脚型上的生理差异，本质上是一种“反个性设计”。新时期，不论是在鞋子设计还是在家具产品设计中，规范化地使用3D打印技术，能有效地消除“反个性设计”问题，实现产品从外观到功能上的个性化发展。

值得注意的是，在个性化发展的同时，3D打印技术在家具产品设计中的应用也使它呈现出科技化的特征，即未来的家具设计必然是集科技与个性设计于一体的。在这两种趋势下，3D打印技术下的家具产品设计、生产能更好地满足不同客户的需求，提升人们的生活体验[6]。

（三）实用性

在国企，3D打印技术虽然在家具设计生产中有一定的应用，但是受技术、材料等因素的限制，它实际的应用范围较为有限，而且整体的实用性有待提升。在未来发展中，考虑3D打印技术在家具设计、生产中的实用性将成为一种内在要求和发展趋势。在3D打印技术的支撑下，人们需要解决家具设计生产中的实际问题，以此来提升3D打印技术的应用水平，确保家具产品能更好地服务于人们的生活。譬如在2019年，宜家与非营利性组织Milbat及AccessIsrael进行了合作，合作项目为ThisAbles。在这个项目中，这三家组织机构在3D打印辅助装置的支撑下，为残障人群体提供更为个性化和更有针对性的便利家具，这给残疾人的生活带来了较大的便利。在全新经济体系下，除技术层面的创新，3D打印技术在材料使用层面也将获得全新突破。在这种趋势下，除耐用性尼龙材料、石膏、铝、钛合金外，不锈钢、陶瓷、橡胶等材料与3D打印技术的结合也将更加紧密，它们在家具产品设计生产中的应用也将更加广泛，能有效提升打印产品的适用性。

（四）绿色性

可持续发展理念下，人们对于3D打印技术在家具产品设计生产中的应用提出了较高的要求，“绿色、环保、生态”成为家具产品设计生产及3D打印技术应用的内在要求。在过去，家具产品的生产和升级会造成大量的资源浪费问题，而且一些材料的加工还会产生废气、固废、废水，污染附近的环境。新时期，在3D打印技术应用的基础上，人们还会积极探索一些新型材料在家具产品设计生产中的应用。在这种模式下，低功耗加工、可合成的、生物可降解的新型材料应用变得更加广泛，这不仅适应了3D打印技术的应用需要，而且为家具的设计生产提供了便利，推动了家具产品的绿色化发展。譬如，在家具产品设计生产中，当前人们已经开始使用熔融沉积技术打印家具连接固定件。在该技术体系下，所使用的材料是聚乳酸，这种材料本质上是一种新型的生物降解材料，通过一些可再生的植物资源制作而成，具有绿色、环保、生态效益突出的优势。

五、结语

在中国制造2025背景下，工程产业正朝着智能化的方向发展，3D打印技术在工业智能化发展中具有突出作用。新时期，人们只有充分认识到3D打印技术的技术类型，分析掌握3D打印技术在家具产品设计生产中的应用优势，并从普遍性、个性化、实用性、绿色性四个层面出发，对3D打印技术的应用过程进行优化，这样才能提升3D打印技术的应用水平，满足新时期家具产品设计和生产需要，推动家具产业的可持续发展。

参考文献：

[1]王琛.逆向设计和3D打印技术在中国古典家具模型开发中的应用探究[J].林业机械与木工设备，2021（6）：71-76.

[2]冯宪伟，吴小燕.3D打印技术在高职环境艺术设计专业教学中的应用探究——以家具设计课程为例[J].美术教育研究，2018（23）：126-127.

[3]冯鑫浩，陈晶宇，吴智慧，等.“肤感”涂层形成机制及其在家具中的研究现状与发展趋势[J].林业工程学报，2021（4）：167-175.

[4]王兴朝.3D打印技术在产品造型设计中的应用[J].黑龙江科学，2022（4）：31-33.

[5]李牧醒，王朝睿，胡康康.“家具设计”课程实践教学中3D打印技术融入的创新研究[J].鞋类工艺与设计，2022（16）：57-59.

[6]吕芳莉，苗艳凤.负泊松比结构在家具中的研究现状与应用前景[J].木材科学与技术，2022（3）：15-19.

作者简介：牛牛，安徽商贸职业技术学院艺术设计学院助教。