3D打印技術在蘇作家具設計中的應用研究

邱春來 衡小東

摘? 要：3D打印技術與傳統的木家具“減材制造”有著本質的區別，其為蘇作家具設計帶來了前所未有的技術優勢，尤其讓家具的前期設計環節更加靈活，其承擔了更多的核心研發責任。3D打印技術應用于蘇作家具設計研究以蘇作家具為著眼點，對3D打印的技術原理與工藝特性做簡要闡述，以普適性的設計流程為主線，探討3D打印技術在蘇作家具設計開發過程中的應用，以及由此帶來的環節優勢，并總結一套理論框架為設計實踐提供參考。

關鍵詞：3D打印;蘇作家具;設計研發

基金項目：本文系江蘇省社會科學基金項目“數字時代背景下蘇作家具設計開發研究”（17YSD011）研究成果。

一、3D打印的技術原理與工藝特性

（一）3D打印的技術原理

3D打印（3D Printing）屬于增材制造技術（Additive Manufacturing，AM），其生成原理為首先將目標產品的三維模型離散，然后使用特定設備的再涂層技術，將離散的三維模型分層堆積最終完成實體打印[1]。3D打印技術相比于傳統制造技術有較多優勢，例如制造過程不需要模具或復雜的刀具，能夠高效且相對低成本地生成復雜的三維形狀或多層結構，原材料浪費較少，能夠靈活生產中小批量或定制產品，產品成本控制和可預測性較高等優勢[2]。隨著3D打印材料和技術方法的不斷革新，3D打印技術中的細分技術領域逐漸完善，3D打印產品在生物相容性、機械性能、耐候性、視覺效果等方面有了質的飛躍，也正因此在各行各業得到了廣泛的應用。

（二）常用于家具的3D打印技術特性

3D打印的技術細分廣泛，核心的3D打印技術包含熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）等三種。在家居領域經常應用的3D打印技術主要有打印技術有熔融沉積（FDM）、選擇性激光燒結（SLA）、墨料直寫成型（DIW）、分層實體制造（LOM）及噴墨打印成型，其打印方法及其主要特征如表1。其中FDM相比較于其他3D打印技術，其尺寸精度和分辨率最低，但因其技術成熟、成本低廉、交貨期短等優勢，作為原型打印機廣泛應用于各行各業。SLS工藝生產物件的機械性能良好，可打印功能零件和原型，打印過程不需要任何支撐結構，對復雜的空間幾何形狀有良好的打印效能，因此SLS相比較于其他3D打印技術更適合家具的中小批量生產場景。

二、3D打印技術在蘇作家具設計中的應用

“蘇作家具”指江南地區生產制作的硬木家具，保持和繼承上述做法和式樣的家具均屬于蘇作家具的概念范疇[3]，例如海派家具，新中式家具等，而不局限于某個特定的歷史時期。3D打印技術在蘇作家具設計中的應用場景較為廣泛，從制造上劃分主要應用場景包括整體家具、家具零部件、家具表面裝飾等三部分;從蘇作家具的設計研發流程劃分主要應用場景包括蘇作家具的研究階段、創意設計階段、生產制造階段等三個階段。3D打印技術的實際應用環節受蘇作家具的特殊性和3D打印技術的可行性和技術限制、成本和制造需求等因素的限制，同時也為具體應用環節的特殊需求帶來了新的解決方案。下面以蘇作家具的研發流程為主線對3D打印技術在蘇作家具設計中的應用作以闡述。

（一）研究階段的應用

1. 對文獻的立體復原

蘇作家具最早出現于宋元時期，其分水嶺在于蘇作家具多使用硬木而有別于隋唐時期的漆木家具，該時期的蘇作家具實物很難考證，研究工作主要從書籍和繪畫中展開[4]。明清時期出現了宮廷蘇作、民間蘇作、廣式蘇作等多種蘇作家具的分支，而各分支的工藝、紋樣、形制、式樣等又形成了龐大的信息系統，歷史流傳至今的蘇作家具分散在世界各地，少量的實物和大量的文獻資料對蘇作家具的設計研究者來說是一種挑戰。傳統的復原工作受執行者經驗和技藝水平影響明顯，而使用3D打印技術結合三維軟件建模技術，能夠將文獻資料高效地轉化成實物模型，經過表面后處理工藝便可直接用于展示、研究、教學等需求。

2. 對文物的維護與修復

蘇作家具的修復難度主要體現在材料的珍貴與工藝的繁雜，對修復人的技術水平要求高，例如蘇作家具中的雕刻紋樣常使用的鑲嵌材料多為玉石、象牙、螺鈿等，傳統的匹配修復方法難度極高[5]，而對蘇作家具的名貴硬木殘缺部分的木料匹配和木紋修復則更加考驗修復人的經驗和水平[6]。使用3D打印技術配合3D實體掃描、表面后處理工藝等技術則能夠代替尋料、測量、技藝還原等障礙進行實體復原，為蘇作家具文物保護和修復工作帶來了極大的便利。

（二）創意階段的應用

1.創意設計與細節推敲

現代的蘇作家具創意設計階段與普適性的設計流程類似，均需要經歷“方案草圖設計-方案三維建模-產品打樣”等主要的設計驗證步驟，而對于追求設計美學和產品功能和諧統一的蘇作家具的設計而言還存在特殊性需求，例如蘇作家具中存在大量細而三維的空間曲線，諸如圈椅的扶手，案幾的羅鍋帳等，在三維模型中推敲其空間走向亦不夠直觀。將3D打印樣件的環節穿插于方案三維建模和產品打樣之間，有效地緩解了建模階段空間曲線不清晰，以及打樣解決問題聚集等的矛盾。圖1項目為作者參與的一款新中式蘇作家具方案設計過程，其扶手轉折處的三維曲線在經過FDM技術打印成實體后，與打樣師傅討論實木加工的可行性，并得到了較好的細化和修正。

2.整套家具的比例尺度和視覺效果推敲

蘇作家具設計中一般包括整套家具的情況，例如茶室家具套件，書房家具套件，客廳家具套件等，而套件搭配在一起比例是否和諧，設計語義是否統一等問題，在實體模型中更能夠獲得直觀的判斷。3D打印技術可將家具三維設計模型等比例縮小，并通過控制精度使打印物件保留一定的設計細節，而傳統的木材加工或其它減材制造方法則在工藝和時間上很難實現（如圖2）。

3.滿足3D打印技術優勢的新設計思路

3D打印技術以能夠直接生成復雜的空間幾何形體、免去模具或組裝等傳統工藝過程而為蘇作家具的設計思路上提供了新的可能。例如蘇作家具的結子雕飾，可以使用3D打印技術加工部件，在滿足支撐和人機工學等結構和功能需求的前提下，豐富結子的三維空間形態，而傳統的雕刻技藝受材料和雕刻技藝的限制很難實現套疊或懸空的效果。

（三）制造階段的應用

20世紀80年代以來，我國的家具行業制造模式從傳統手工作坊模式演化到工業化大批量生產模式[7]，90年代后小批量生產模式開始流行，大規模定制模式亦開始推廣，傳統的蘇作家具行業受新的市場需求刺激，向3D打印等新技術尋求支持。

1.整體蘇作家具或結構件打印

受地域特征等原因的影響，蘇作家具本身具有利用復雜工藝節省用料的傳統，例如使用包鑲等工藝掩蓋雜木內部的雜木骨架，使用名貴的硬木薄板做表面裝飾。而時下整體家具產業面臨著原材料供應緊張的問題，處于林業產業鏈下游的家具行業，對木料的高效利用是“生態產業”的重要一環[8]，蘇作家具的生產同樣面臨著可持續發展的問題。3D打印技術能夠使用熱塑性材料代替木料進行具有蘇作家具風格的低成本家具的生產，從而大大減少了木料的使用，更提升了生產效率。與此同時，由于蘇作家具有漆飾穿帶的傳統，因此挑選適合對應木料的機械性能的材料，便可使用3D打印出的物件替代穿帶內的雜木，應用于中高端的蘇作家具的生產環節。

2.家具零部件打印

用于裝飾的蘇作家具零部件主要包括五金件和鑲嵌裝飾，使用3D打印技術能夠滿足小批量或定制化的五金件生產，一些柜門鎖環等相對復雜的五金件更可以使用3D打印技術直接生成，免去了制造上組裝加固環節，同時也為免去了五金件的設計的限制。

3.表面裝飾處理

蘇作家具強調利用木本身的紋理作為家具的天然裝飾，而大批量生產和硬木原材料緊缺的矛盾催生出了利用3D打印技術實現模仿硬木紋理的表面處理手段，例如使用噴墨打印（IJP）技術可用于模仿彩繪、螺鈿等傳統裝飾工藝[9]，還可以模仿淺浮雕等起伏較薄的雕刻工藝，以及滿足紅木的木紋、木色等紋理和色彩的需求。3D打印表面裝飾技術在保持成品裝飾性能的同時，讓蘇作家具的天然材料裝飾技術和成本門檻降低，同時也提高了普通木料商業附加值[10]。

三、結語

3D打印技術在蘇作家具設計的研究階段、創意設計階段和生產制造階段的應用前景廣闊，為推動蘇作家具領域向智能制造方向發展提供了動力。在實際應用中會受多種因素的影響，這其中不乏包括具體3D打印技術的工藝特征和工藝限制，生產時間和成本的控制，設計師創意經驗，表面后處理工藝限制，拆裝和運輸等商品訴求等。這就要求設計師對各種生產工藝有廣泛的了解，如工藝的優缺點、可制造的幾何形狀和相關的生產成本等。隨著3D打印技術的不斷革新，其在成本控制、生產效能、表面精度、表面裝飾性等方面會有更優越的表現，屆時將會為蘇作家具領域提供更多的科技賦能。

參考文獻：

[1]馬曉坤，侯建峰，孟憲東，等.3D打印技術的發展及應用現狀[J].化學工程與裝備，2020（12）：246-248.

[2]劉智，趙永強.3D打印技術設備的現狀與發展[J].鍛壓裝備與制造技術，2020（6）：7-13.

[3]高偉霞，黃誠，吳智慧，余繼宏.茶文化視域下的蘇作家具與文人情懷[J]，包裝工程，2020（20）：30-34.

[4]許家千，沈易立.論蘇作家具的發展歷程[J]，蘇州工藝美術職業技術學院學報，2014（4）：61-64.

[5]范偉，鄒蕓鸝.3D打印技術在傳統民間家具形態中的數字化保護[J]，家具與室內裝飾，2015（9）：52-53.

[6]劉曉東.3D打印在家具產品中的應用研究[J]，家具與室內裝飾，2019（12）：26-27.

[7]大規模定制家具的發展現狀及應用技術[J]，南京林業大學學報（自然科學版），2013（4）：156-162.

[8]吳智慧.工業4.0時代家具產業的制造模式[J].林產工業，2016（3）：6-10.

[9]馮鑫浩，吳智慧.家居制品3D打印制造的現狀及發展前景[J]，林業工程學報，2019（6）：20-28.

[10]汪菲，吳智慧，黃瓊濤.家具與木制品表面數字化木紋圖案UV樹脂3D打印裝飾技術[J].家具，2017（1）：5-10.

作者簡介：

邱春來，碩士，蘇州工藝美術職業技術學院講師。研究方向：產品設計與應用技術。

衡小東，碩士，蘇州工藝美術職業技術學院副教授。研究方向：中式古典家具設計制造。