淺析3D打印技術在定制家具中的應用

萬海鑫, 馬思遠

(1.2.阜陽職業技術學院 工程科技學院 ，安徽 阜陽 236031)

目前，對于很多人來說，3D打印技術可以說是既熟悉又陌生，隨著其技術的發展，該項技術已經廣泛應用于教育、交通、航空、醫療等行業中。在家具行業迅速發展的背景下，傳統的設計、制造方式已經不能滿足廣大消費者的需求，所以需要將3D打印技術應用其中，以此來增強定制家具的多樣化、個性化，并引領制造業未來的發展方向。

1 3D打印技術的原理及現狀

1.1 3D打印技術的原理

3D打印技術是基于數字模型中三維物體的成形方式發展而來的，隨著技術的發展，3D打印技術應用的成本逐漸降低，并提高了打印的速度，是一項綜合性的技術方式。3D打印技術的成形，需要對設計對象進行虛擬設計，然后使用3D建模的方式創建一個全新的制造對象。3D掃描儀能夠將打印對象的3D數據進行系統的拷貝，并通過數據建立3D程序，同時將即將打印的程序整理成為文件，其軟件切片的模型會形成大量的水平層。將數據文件傳輸至打印機時，就會自動創建打印對象的數據層，圖1為3D打印技術原理的示意圖。

具體而言，3D打印技術的基本原理與傳統的打印技術原理極為相似，只是在二維的基礎上發生成為三維。在打印的過程中，需要在金屬、塑料等粉末狀的材料中打印出一層，這與二維打印技術相同，然后將具有黏性的打印層粘起來。經過不斷的累計，使得每一個打印層都具有不同的圖像參數，從而形成三維對象[1]。

圖1 3D打印技術的原理

1.2 3D打印技術的現狀

3D打印技術的應用極大地改變生產方式、供應格局。實際上，定制家具屬于工業范疇，目前已有很多企業運用3D打印技術制作家具模型，不僅縮短了工作周期、提高家具生產的效率，還能夠實現環保、節約材料的目的。目前，家具市場的主力消費為“80后”“90后”，這一代人追求個性、時尚，對于家具用品也不例外。所以說，將3D打印技術應用在家具企業中，其產品必然會受到“80后”“90后”的青睞。以國外公司所展示運用3D打印技術定制的家具為例，其表面的品質更加均勻，具有較強的設計感，同時紋路相對更加美觀，給很多消費者帶來視覺上的沖擊，增強了家具本身以及室內的活力。從而使家具增加室內的生動性。如圖2所示，國內一些家具企業以3D打印技術為基礎，生產的定制家具，它的紋路十分美觀，立體感極強。總的來說，3D打印技術已經在當前的定制家具中取得了一定的效果。

圖 2 3D打印技術生產的定制家具

作為一項新技術，3D打印在家具材料和工藝上有了創新的探索，但是該3D打印所采用的材料是否會影響人體健康，其環保性等各項指標是否符合標準，還有待檢測和認證。另外，由于3D打印家具還沒量產，價格也比較貴，因此3D打印的家具目前并不能成為大眾消費產品。就當前3D打印技術的發展而言，其類型、技術與材料都有具體的規定，如表1所示。

表1 3D打印技術的類型、技術與材料

續表

3D打印技術類型積累技術主要材料粒狀選擇性激光燒結熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末選擇性熱燒結熱塑性粉末選擇性激光熔化成形鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁電子束熔化成形鈦合金直接金屬激光燒結任何合金線電子束自由成形制造任何合金擠壓熔融沉積式熱塑性塑料、共晶系統金屬

2 3D打印技術在定制家具中的應用設計

2.1定制家具設計方法

目前，隨著社會的發展，大部分消費者都更加傾向于“個性化定制”，正是因為消費者的需求，為定制家具提供了廣闊的發展空間。在應用3D打印技術的過程中，便可基于消費者的個性化需求確定具體的設計方法，具體內容如下。

2.1.1明確定制家具的理念、內容以及意義，然后基于消費者的需求不斷地進行優化，從而滿足消費者的需求。例如向消費者咨詢其喜好、需求以及對定制的想法等，然后再咨詢材質、成本等方面的信息，從而設計方案進行優化。另外，以椅子為例，如果消費者的腰部有疾病，還應該將其納入考慮的因素，優化椅背的曲線，提供舒適度。

2.1.2恰當運用自身的技術。在3D打印技術的背景下，定制家具設計人員的能力直接影響著設計的效果，因此設計人員應該量力而行。例如同樣以定制椅子為例，如果在設計的過程中，部分技藝超出了自身的能力，那么在無法突破的情況下應該選擇其他技藝，避免影響設計效果。另外，雖然定制家具的設計工作存在互通性，但是不同的設計依然存在區別，所以在設計椅子的過程中，盡量不要使用其他家具的設計方式。

2.1.3分析消費者反饋信息。當定制家具完成生產以后，通常很難在第一時間滿足消費者的需求，所以應該根據消費者的反饋意見，再次對設計進行優化，直到滿足消費者的需求，提高家具定制的質量。

2.2確定定制家具設計點

目前，消費者對定制家具的需求趨于多樣化，他們都希望能夠在家具彰顯自己的個性，充分享受“定制服務”，因此設計人員應該確定設計點，具體的方式如下。

2.2.1個性張揚。很多消費者在定制家具的過程中，要求設計人員在家具中彰顯出更多的個性化元素。對此，設計人員應該運用更多的創意，大膽用色，創新家具的形狀和功能。

2.2.2崇尚簡約。在浮躁的社會中，很多年輕人更加崇尚簡約的家具設計，所以在應用3D打印技術的過程中，切忌“浮夸”，要以實用為主，進而滿足消費者的需求，確定定制設計的關鍵點。

2.2.3彰顯身份。如果消費者在應用過程中，有的人是為了彰顯自己的身份，對于這樣的需求，在運用3D打印技術的過程中，可以傾向于古風設計，使定制家具更具韻味，彰顯身份[2]。

2.3制定定制家具方案

當確定定制家具的設計點以后，就需要制定3D打印技術定制家具的方案。以椅子為例，其具體的方案設計包括以下幾點。

2.3.1經過對消費者了解、前期的頭腦風暴等，在設計椅子的過程中，其具體的設計意向主要包括包裹、分割，然后結合既定的設計點進行設計創意。

2.3.2通常來說，創意階段需要幾位設計師進行商討，在思想的碰撞下確定設計草圖。然后不斷進行深化，確定椅子的功能和造型，如圖3所示。另外，在設計的過程中可以通過繪制草圖優化設計方案。

圖3 定制家具設計草圖

2.3.3依據最終的設計圖，使用3D打印技術完成定制家具的全過程。結合草圖，椅子的最終成品為：椅子的曲面以直角轉折為主，其主體為黑色的塑料，而椅子腿為木材，通過塑料、木材的相互結合，使整個椅子呈現出時尚、大氣的視覺效果。椅子的整體采用分割、包裹的設計方式，將椅子的整體分為3個主要部分，最后使用3D打印技術進行打磨處理，然后完成組裝。

2.4選用定制家具工藝

基于對3D打印技術的了解、家具定制的方案等，在定制的過程中需要根據需求應用3D打印粉末燒結成形技術。在此基礎上，在打印家具時，3D打印粉末燒結成形技術能夠更好地處理木材的顏色，使椅子的成品更具自然美(見圖4)。

圖4 3D打印粉末燒結成形過程

就理論層面而言，3D打印粉末燒結成形技術對定制家具的材質有著具體的要求：打印的材質應該具有較強的導熱性、熱塑性，并且燒結性能良好，能夠滿足加工性能、導熱性能、熱穩定性、剛度、強度的需求。另外，在應用3D打印技術定制家具的過程中，應該選擇耐老化、耐水性、固化速度快、粘合強度大的膠合劑。在使用膠合劑的過程中，應該重視當前的使用環境，從而更好的控制成本。例如3D打印技術在應用的過程中，很多定制家具商家傾向于選擇脲醛樹脂膠粘劑，將其作為家具成形的主要膠粘劑，主要是因為該膠粘劑價格低、固化速度快、粘合強度高等優勢。在實際應用中，需要根據定制家具的定制、消費者的需求，選擇恰當的膠粘劑[3]。3D打印粉末燒結成形技術簡圖，如圖5所示。

圖5 3D打印粉末燒結成形技術簡圖

3 3D打印技術在定制家具中應用的發展趨勢

3.1提高3D粉末打印的效率

在定制家具中，材料的氣體含量、夾雜、流動性、球形度、粉末粒度等因素都直接影響著成品的質量。在應用的過程中，激光熔融沉積成形對粉末的實際力度有著較強的適應性，幾十微米至幾百微米不等。具體而言，細粉末主要應用于家具的精細結構中，但如果粒度小于40微米，則家具的穩定性就會降低，甚至在熱輸入的過程中會影響材質的性能。就激光熔融沉積成形而言，使用粗粉末完成定制家具的打印，在提高打印效率的同時，還能夠有效地降低成本。對于電子書、激光的選區，在定制打印時應該選用25微米至45微米左右的粉末，如果粉末過大或者過小都會影響家具的質量。因此，在打印定制家具的部分結構時，應該根據位置的不同選用恰當的粉末粒度，從而保證定制家具的質量，發揮3D打印技術的價值。另外，3D打印的價格受粉末價格的影響，所以在定制家具中應該尋求用戶的意見，在此基礎上選擇恰當的粉末，滿足消費者的需求。

3.2增強設備的性能并設置監控系統

對于3D打印設備而言，瑞典的ARCAM、美國的OPTOMEC、德國的EOS最具代表性，而中國3D打印技術起步較晚，為了促進3D打印技術在定制家具中的影響，需要增強3D打印設備的性能。目前，我國的3D打印設備的問題主要表現為：(1)尺寸較小，其中最大的3D打印設備尺寸僅有400毫米*400毫米*400毫米左右；(2)效率較低，3D打印技術定制家具的成本較高，其周期較長；(3)定制家具的精度、光滑度并不理想。

對此，為了有效地解決上述問題，就需要科研人員加大研究力度，擴大3D打印設備的尺寸，優化送粉器、送粉頭的穩定性與精度，為保證定制家具的質量奠定基礎。同時，為了更加精準地掌握定制家具的參數，可以在設備中安裝監控系統，以便及時地發現打印中存在的問題，并提示工作人員進行干預，優化家具的指令，例如可以使用城鄉監控系統對粉末的尺寸、形狀進行監控；使用照相系統對成形質量、熔池進行檢測。通過上述方式，能夠使定制家具的工作人員更加清楚3D打印的全過程，便于及時糾正存在的問題，提高定制家具的質量，促進家具市場的發展[4]。

3.3制定3D打印無損規范

如上文所述，應用3D打印技術定制家具，其關鍵的工作就是拼接，所以裂紋、為熔合、夾雜、氣孔是其不能避免的問題。在應用的過程中可以發現，3D打印技術在定制家具方面，數量、尺寸均可能出現問題，并且存在嚴重的波動性、隨機性。因此，為了能夠優化定制家具的打印技術，就需要在具體的工作中，制定完善的3D打印無損規范。

3.3.1確定3D打印的方法、設備，主要目的就是識別定制家具打印中可能存在的缺陷，以便選用恰當的優化方式。

3.3.2使用更優質的檢測工藝。在定制家具的打印中，3D打印的數據、文件較為復雜，所以會直接影響無損檢測的效果。換言之，在檢測的過程中使用傳統的方式、設備很難發現定制家具打印中存在的問題，因此需要使用在線檢測等新型的設備、方法。

3.3.3目前，在應用3D打印技術定制家具中，分布、數量、尺寸、類型等界定標準尚未完善，所以會影響其未來的發展。在應用3D打印技術的過程中應該統一標準，完善定制家具的規范。

3.4建立3D打印技術的數據庫

家具的穩定性、耐久性，除了受材質、工藝的影響之外，還在很大程度上受力學性能的影響，但目前運用3D打印技術定制家具，其研究的重點在于力學性能，并且積累的性能相對有限，研究的材料較少，無法為定制家具的打印提供科學的依據。因此，應該建立力學性能數據庫，將打印工藝、粉末作為數據庫的基礎，即基于大量的研究，對缺陷控制、化學成分、工藝規范、粉末標準等進行系統、科學的界定。以此為前提，測試、表征的具體對象就是標準過程、流程下的定制家具打印材料，從而發揮力學性能的具體意義，增強定制家具的質量，促進3D打印技術的發展。

3.5分析材料具體性能

不同的3D打印材料之間，都存在一定的差異性，為了能夠優化3D打印技術在定制家具中的應用，需要對不同材料的性能進行具體分析。因此，可以從以下幾方面入手：(1)分析微觀組織的演變規律、特征，確定對不同打印材料的評價方式；(2)如果材料存在為裂縫、未熔合、夾雜、氣孔等問題，則需要具體界定缺陷的類型、程度等；(3)在各項異性、組織不均勻的條件下，分析材料的斷裂行為、特征、原因以及可能性；(4)在評價定制家具材料的過程中，應該對表面進行系統分析與評價；(5)根據打印材料的損傷容限特征、耐久性特征等建立評估模型；(6)對普載疲勞裂縫進行擴展分析、壽命預測；(7)在特定的環境中，確定打印材料的失效、損傷性能等。只有在打印過程中，明確打印材料的性能，才能夠提高定制家具的質量[5]。

綜上所述，3D打印技術的原理相對復雜，但目前已經得到了廣泛的應用，并加大對該項技術的研究力度。基于此，在家具定制行業中，采用恰當的方式應用3D打印技術，打破傳統的制造工藝，不僅增強了定制家具的個性，還提高了定制生產的效率，并在一定程度上增強了3D打印設備的性能，建立了關于打印材料的數據庫。所以，在定制家具的行業中，為滿足消費者需求可以將3D打印技術應用在制造中。