3D打印在家具中的應用
——以尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）作品為例

汪明鏡（江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116）

21世紀隨著科技的進步以及社會信息化時代的全速發展，3D打印的產品也逐漸步入了我們的生活，越來越多的設計者利用3D打印技術實現了更多的創新產品，讓虛擬3D效果圖迅速變成具體的實物，縮短了產品的設計周期，節約了設計成本，是革命性的創新，可以說3D打印技術是未來設計的一種新的趨勢。本文分析了目前3D打印設計師、發明家、藝術家和先驅之一尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）的作品，從3D打印的技術、材料、制作過程、制作方法等方面去分析這些成功的3D打印家具案例，同時對3D打印家具的優缺點進行全面的分析，給現代家具領域的相關研究者、工作者提供意見以及展望未來家具行業的發展方向。

一、1.3D打印的概念

3D打印技術最早出現在20世紀90年代中期，3D打印（3DP）即快速成型技術的一種，又稱“增材制造” ，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。簡單地來說，3D打印機與普通打印機工作原理基本類似，但3D打印的耗材更加豐富，與電腦連接后，通過層層疊加打印方式，把立體的造型直接打印出來，這是一場工業變革。3D打印技術能夠打印出復雜的產品造型，并且復制復雜產品，批量化生產制造，減少人工、減少產品的制作周期。

二、3D打印的理論背景

目前3D打印技術主要有以下幾種熔融沉積式 （FDM）、電子束自由成形制造（EBF）、直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光熔化成型（SLM）、選擇性熱燒結（SHS）、選擇性激光燒結（SLS）、石膏3D打印 （PP）、分層實體制造（LOM）、立體平板印刷（SLA）、數字光處理 （DLP）等。根據打印原材料的種類以及原理，常用于家具的主要有FDM、SLS、SLA三種。

第一，FDM（Fused Deposition Modeling）是一種將各種熱熔性的絲狀材料，如ABS或PLA等材料。打印時首先用犀牛等軟件建構出物體的3D模型，然后將模型轉換到FDM裝置，FDM裝置會根據所設置圖形，首先將材料高溫加熱融化后的材料通過擠壓噴出噴嘴后，隨即與工作臺層面熔結在一起完成一個平面層圖形，當第一個層面完成后，工作臺下降一個層的厚度，再繼續反復操作上述步驟，直到完成整個作品。

第二，SLS（Selective Laser Sintering選擇性激光燒結技術）是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功的，SLS是使用粉末狀材料成形的技術。首先在工作臺表面鋪灑一層粉末并抹平，用激光對剛鋪上的粉末區域進行掃描，使其融化并粘接，隨后重復上述步驟，讓上層新熔化的截面與下層截面相融合，按照各層輪廓粘結，直至完成整個作品。

第三，SLA（Stereo Lithigraphy Apparatus）是世界上最早出現并應用到商業中的一種快速成形技術，SLA是利用液態光敏樹脂的光固化原理，在紫外激光的照射下，快速固化，第一層平面成型后降低工作臺高度，重復上述流程，通過層層疊加后構建成三維實體，是比較成熟的三維打印技術，相比FDM方式的成品表面更光滑、質感更好。

FDM（熔融沉積） SLS（選擇性激光燒結） SLA（光固化）原理images/BZ_33_519_2569_808_2855.pngimages/BZ_33_1207_2576_1530_2849.pngimages/BZ_33_1806_2571_2201_2854.png材料 ABS、PVC工程塑料、金屬絲、及其復合材料等 金屬粉、陶瓷粉末、高分子粉末材料、石膏粉末、尼龍粉末等光敏樹脂優點成本低，操作簡單，性價比高、原材料以卷軸絲形式為主易于搬運和快速變更、材料利用率高、對工作環境要求較低等打印精度高、高強度和剛度、良好的耐化學性、耐用性強、各種精加工的可能性、可以構建具有內部部件、通道復雜部件，并且可以直接打印金屬材料制品最早出現較成熟、加工速度快、無需切削工具與模具、成型精度高、表面質量好、加工速度快、生產周期短缺點成品較粗糙、成型后易變形、成型速度較慢，不適合構建大型零件、噴頭容易堵塞等部件有多孔表面，較粗糙。使用大功率激光器，制造和后期維護成本較高。另外需要比較復雜的輔助工藝液態樹脂具有毒性、后期處理較復雜、對工作環境要求苛刻、不利于長時間保存、操作系統復雜入門難且價格高昂

三、尤里斯·拉爾曼的3D作品案例細分

尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）是3D打印的設計師、藝術家、先驅之一，2004年在荷蘭阿姆斯特丹創辦了Joris Laarman Lab工作室，主要研究和實驗如何讓藝術、科學、技術和未來設計相融合，作品先后被MOMA、V&A、蓬皮杜中心和荷蘭阿姆斯特丹國立博物館等地收藏。本章節按照尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）設計作品的時間順序，選取代表作從作品的設計原理、制作過程、使用材料等方面來進行分析。

名稱(時間） 照片制作過程 制作方法與材料1. Arm Chair（2007）images/BZ_34_544_547_1041_935.pngimages/BZ_34_1243_547_1835_939.png3D打印、金屬大理石粉+樹脂2.Bits & Parts(2014)images/BZ_34_605_963_980_1398.pngimages/BZ_34_1208_992_1870_1327.png小型3D打印、CNC木材、ABS塑料、金屬3. Digital Matter(2011)images/BZ_34_502_1416_1082_1752.pngimages/BZ_34_1214_1446_1862_1723.png3D打印、MX3D金屬4. Dragon(2014)images/BZ_34_417_1772_1167_2088.pngimages/BZ_34_1318_1777_1764_2078.png3D打印、MX3D鋁5. Aluminum Gradient Chair(2014)images/BZ_34_539_2113_1045_2619.pngimages/BZ_34_1233_2114_1844_2623.png3D打印、SLS聚氨酯鋁合金6. Vortex (2014)images/BZ_34_517_2645_1067_3149.pngimages/BZ_34_1204_2698_1874_3118.png壓力模系統（Pressure Mold system）鋁

1.Arm Chair（2007）的設計是模仿生物骨骼，去掉不需要的多余部分，留下受力的骨頭部分，用3D打印進行復雜的模具成型，然后把陶瓷杯碾碎成粉后與樹脂進行混合，然后灌入模型中，本以為會做出類似陶瓷的亮面材料，但與預期效果相差甚遠。后來尤里斯·拉爾曼把大理石粉同樹脂混合后灌入磨具，脫模后達到了類似陶瓷般漂亮的質感，最終Arm Chair的成品使用3D打印出了91個零件組成的模具，在灌入大理石粉加樹脂后脫模做成。在隨后的幾年，尤里斯·拉爾曼的工作室又和歐寶的汽車工程師合作，把一種新型的結構優化算法——雙向漸進結構優化法（BESO）應用到座椅上，通過結構計算，去除原始形體中不受力、多余的材料，同時在受力最大的地方減少增加材料，從而達到用材少、受力最優的狀態，隨后在此基礎上變換不同材料設計出了很多骨骼椅系列作品。

2.Bits & Parts （2014）是一個開放性的椅子制作項目，每把椅子由202塊3D打印部件相結合，設計師邀請了世界各地的參與者來參與此項目，參與者可以根據自己的喜好選擇不同顏色、材料等，打印后拼裝組裝一款屬于自己的椅子。這個項目的目的是將設計形體分解成很多小拼圖一樣的單元，用小型的3D打印機或者CNC來完成這個項目，實現方便且快捷的家具制造。

3.Digital Matter （2011）是受亞特蘭大高等藝術博物館的委托開發的一款動態裝置設計，該裝置基于3D技術之上展示了未來的設計方向。設計原理：同樂高（Lego）類似的物理分子構建基塊，像細胞一樣組合組織，形成具有可定制特性的材料，材料將不再是靜態的而是像細胞一樣可以自由結合組織，讓物體可以一次又一次的重組。這樣的安裝方式有助于我們開發出一種實用、多功能、低成本、可以隨時隨地組裝的未來家具。

4.Dragon （2014）是由MX3D 3D打印機創作的，MX3D實際上是一部結合了6軸3D打印技術和現金焊接工作的工業機器人，它能夠突破傳統3D打印機的限制，無需支撐結構，實現在半空中懸空打印鋼、鈦、青銅、銅等金屬材料。Dragon就是由MX3D熔融金屬后在空中打印雙曲的作品之一。

5.Aluminum Gradient Chair （2014） 是“Microstructures”系列的第二件作品，只由小正方體的網絡單元構成，在結構受力大的地方實體程度更高，結構受力小的地方則正方體內部更空，類似骨骼椅的原理，最終通過鋁粉三維打印各個部分后，在焊接到一起的方式完成此作品。

6.Vortex （2014）靈感來自于密歇根大學的Mark J. Stock對計算旋渦方法的研究。通過這種計算方法做出來的模型雖然表面看起來很混亂，但是做出的成品形態非常美麗，具有極強的視覺裝飾效果。根據設計主題所需要的復雜結構，設計師在電腦中經過高度計算性的代碼字編排了數萬億次的計算以后，打印出模型，再按照數字藍圖進行組裝，組裝后，要通過壓膜系統把鋁板根據模型形狀進行擠壓定性，最終形成作品。

結語

目前3D打印技術還存在以下幾個問題：①材料、機器、系統等價格問題讓普通消費者難以接受，高昂的價格也成為了局限3D打印技術推廣的主要原因；②3D打印技術自身工藝還不是很完善，打印出成品后需要后期組裝打磨，浪費人力物力；③3D打印速度慢，無法大規模批量生產；④數字化的數據容易被盜取，普通消費者得到數據后可以無限傳播復制，造成知識產權難以維護；⑤需要大量的研究經費和相關資金。但不可否認，我們通過分析尤里斯·拉爾曼（Joris Laarman）的作品可以看出3D打印技術在國外的家具設計中已經取得了顯著的成績，3D打印的優勢可以給家具設計和制造帶來顛覆性的改變，作為一項新技術在研發和推廣期是會有一定的局限性。只要以上問題得以解決，3D打印家具的市場將被打開。現代年輕人追求潮流，喜歡個性，而3D打印技術具有設計感、未來感和科技感，正好滿足當代年輕人的需求，所以未來3D打印家具將是一個熱度極高的行業。