基于熔融沉積3D打印技術的家具模型制作技術要點

王琛 訾然 陸雪億 于嘉浩

摘 要：熔融沉積制造是3D打印領域里應用最廣泛的技術之一。本文對該3D打印技術的工藝原理進行了介紹。從制作工藝角度，對使用該技術制作家具模型時出現的問題進行了分析，歸納了該技術應用于家具模型制作時的技術要點，以推動該3D打印技術在家具模型制作領域的應用。

關鍵詞：熔融沉積;家具模型;工藝研究

隨著3D打印技術的不斷發展，越來越多的3D打印技術被推向市場。但由于受設備價格和材料成本的限制，目前市場上應用最廣泛的是熔融沉積3D打印技術，以普及型桌面級設備為主。[1]相比其他3D打印技術，熔融沉積3D打印具有制作工藝簡單、材料成本低、操作簡易等特點。[2]一些家具制造企業的設計部門使用熔融沉積工藝，用于新產品的開發和家具模型的制作。本文通過對熔融沉積3D打印工藝的研究，依據實際打印經驗，歸納出熔融沉積工藝的技術操作要點，為熔融沉積3D打印在家具模型制作領域的應用提供技術參考，以促進該3D打印技術在家具模型制作領域的推廣。

1 熔融沉積3D打印技術

熔融沉積3D打印的工藝原理是將絲狀的熱塑性材料按指定溫度熔化，使材料保持半液體狀態。在計算機代碼的控制下，擠出頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料黏結。當完成一層截面的沉積后，成型平臺下降預定高度，繼續下一層的沉積。如此重復，層層堆積完成實體模型。[3]

2 熔融沉積3D打印技術制作家具模型的技術要點

熔融沉積工藝在3D打印各類工藝中應用最廣泛，但在家具模型制作中仍存在不少技術難題和自身局限性。本研究使用的是國產熔融沉積3D打印機，通過多次實驗測試，觀察打印效果，分析打印問題。總結出熔融沉積3D打印技術制作家具模型時需要注意的技術操作要點，技術操作要點總結如下。

2.1 模型設計要點

熔融沉積3D打印不適合制作細長結構的零件。以圈椅模型的椅腿為例，當椅腿豎直布置時，由于模型底部和打印平臺粘連的面積太小，會出現底座粘連不牢，導致模型底座脫離打印平臺，繼而模型無法打印成型。當椅腿水平布置時，由于椅腿與打印平臺接觸面積較大，打印過程中，受打印平臺溫度和冷卻速度的影響，椅腿容易出現翹曲等問題。因此，熔融沉積3D打印技術不適合制作纖細輕巧的家具部件，粗壯厚重的家具部件更適合用該工藝進行加工。模型設計時應適當將各部件的尺寸加大。同時，也需要保證整體與部件互相協調，取得整體與局部之間的比例勻稱美。

2.2 模型布置要點

模型布置是3D打印操作中的關鍵步驟，模型布置的好壞直接影響模型打印的質量。熔融沉積3D打印技術的切片軟件在生成加工G代碼時會添加支撐結構。支撐結構的作用是輔助打印模型的懸空部分，支撐結構多為片狀構造。片狀構造是為了方便拆除，但由于熔融沉積工藝支撐結構使用的材料和模型主體材料一致，在拆除支撐結構時，會產生毛刺，影響模型的表面質量。因此，使用熔融沉積3D打印技術制作家具模型時，應盡量避免產生支撐。平躺的布置方式可以避免產生支撐結構，從而保證模型的表面質量。

2.3 臺階效應

熔融沉積快速成型過程中會產生“臺階效應”。[4]因為模型表面由一層層圓形截面沉積而成，表現為“臺階狀”效果。“臺階效應”受到分層厚度和成型夾角（模型和打印平臺間的夾角）的影響。[5]分層厚度越大、成型夾角越小，臺階效應越明顯。[6]放置位置的不同直接影響模型的成型夾角。因此，減少“臺階效應”的優化方案就是要增加成型夾角，尤其是體現模型主體外觀的曲面，增大夾角后，可以獲得最佳成型效果。

2.4 模型變形

模型變形是熔融沉積快速成型過程中經常出現的問題。原因包括以下幾個方面。第一，模型的不同部分在冷卻過程中有不同的收縮率。第二，快速成型機擠出頭的側面有冷卻風扇，導致模型各部位原料冷卻速度不同。優化方案如下：首先，3D打印控制軟件中擺放模型時一般以平面作為底面，如果模型有多個平面，應選擇面積較小的面，以減少成型材料冷卻收縮引起的變形。其次，3D打印控制軟件中布置模型時，應盡量讓成型底面的長邊與冷卻風扇的散熱方向保持垂直，以減少由風扇散熱引起的冷卻不均。

3 結語

在3D打印各類工藝中，熔融沉積3D打印的成型原理最簡單，普及度最高。本文對熔融沉積3D打印技術的工藝原理進行了分析，總結出該工藝用于制作家具模型時需要注意的技術要點，為使用該工藝制作家具模型提供技術參考，以推動熔融沉積3D打印技術在家具模型制作領域的應用。

參考文獻：

[1] 王琛，于嘉浩，陸紅紅，蔣雨婷.基于快速成型技術的中國古典家具模型制作工藝研究[J].家具，2018，39（6）：40-44.

[2] 郁舒蘭，施佳露，于娜，吳成.交互式老年人手指握力康復產品設計[J].家具，2019，41（2）：84-88.

[3] 王子軒，吳智慧.辦公環境中建筑與家具的文化體現[J].家具，2019，41（2）：41-45.

[4] 周季純，吳燕.圈椅的起源與發展[J].家具，2019，41（2）：62-65.

[5] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發平均生產周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內有害揮發物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡介：王琛，男，南京林業大學家居與工業設計學院實驗師，主要研究方向：工業設計工程。