中國智造背景下3D打印模型結構在木制家具設計中的實踐與創新

◆ 曾華盛 陳孝樣（南京曉莊學院）

引言

隨著社會現代化進程的加速，智能制造已經滲透到了產業設計的方方面面，智能化的本質是運用科學技術來提高生產力，智能制造必然成為未來制造業發展的主要趨勢，在各個制造領域占據主要的位置。3D打印技術作為一項新興的智能化技術在多個領域中迅猛發展，它具有制造過程便捷、靈活性高、可控程度高和工具需求少等優點，現如今3D打印技術已經成為現代設計中重要的技術支持之一。中式家具作為中國傳統歷史文化的重要組成部分，其主要的材料為木材，其生產工藝和技術要求都非常高，從而在一定程度上阻礙了中式家具的創新和發展，而3D打印技術恰好能在一定程度上解決這些問題，將3D打印技術與傳統中式家具設計相結合，將帶來中式家具的設計創新風潮。

1.中國智造的意義

1.1由來

智能制造是指將高端的信息、計算、通信技術和現代傳感技術相合，以實現制造流程和設備的自動化控制，協調設備之間的聯調，改變制造概念，在自動化及數字化基礎上，以更高效的制造方式實現產品的低成本、高質量和快速制造的目標，旨在利用計算機、微機相結合的技術及先進的管理知識，實現精確的自動制造。以智能制造的由來和意義可分為三個部分。首先，智能制造的由來。它可以追溯到20世紀50年代初，當時的自動控制技術，尤其是由康明斯和湯姆遜發明的控制器應用于制造業，從而使得許多比較復雜的工作可以機械化完成，節省了大量的成本和時間。隨著自動化水平的提高、計算機技術的發展，特別是智能制造技術的誕生，使得制造業更加自動化、智能化和精細化。其次，智能制造的意義。它是一種改變制造模式的新技術，可以實現智能制造和綠色制造，從而提高生產效率，降低成本，改善產品質量，簡化生產流程，優化生產環境，提高制造者的效率，減少能量消耗，大大推動現代制造發展。最后，智能制造的發展趨勢。它能夠為企業創造更好的技術平臺，提供更多的智能系統、設備、軟件和技術，將信息化和網絡化技術進一步應用到現代制造中，實現工廠的智能化、自動化、集成化等需求，實現制造的控制、規劃、管理，降低制造成本，提高生產效率，推動智能制造的發展。

1.2意義

以智能制造為題，現在是把人工智能技術應用于制造行業的最佳時機。近幾年，隨著智能制造技術的迅速發展，人們對它的重視也在不斷加深，更多的行業開始將這一技術用于實踐之中。在此背景下，如何正確理解以及研究智能制造的內涵，發揮它的巨大潛力，具有十分重要的意義。智能制造，可以為企業的制造提供更加可靠的技術支撐，解決制造者在生產過程中遇到的種種問題。當前智能制造還處于起步階段，還有很多發展空間。在今后工業革命四次的大潮中，智能制造如能繼續得到支持與發展，實現從傳統制造到智能制造的跨越，必將為世界經濟提供更大的貢獻。

2.智能制造中的3D打印技術

2.1由來

3D打印技術又稱“增材制造”，是一種新興的數字化制造技術，它可以將計算機設計模型或數據快速和精確地轉換為實體物件。三維打印技術的歷史可以追溯到上個世紀90年代，當時它被用于制造復雜精密部件，并作為一種新興技術吸引了眾多制造企業的注意。3D打印技術有著獨特的優勢，它不受型號和尺寸的限制，可以快速準確制造出復雜的幾何形狀，制造多種材質的物體，并且能夠大幅縮短生產周期，降低生產成本，使得現代制造行業的高精尖儀器及機器零部件得以方便、快捷和精確地制造出來。

2.2意義

當今環境的發展和創新的設計理念的興起下，3D打印技術也不斷拓展到新的領域，如食品加工、家具設計等。在這種背景下，3D打印家具設計不僅縮短了生產周期，并且作為一種高效的制造式，可以有效減少材料浪費和勞動力成本。3D打印家具設計技術潛在的廣度和深度，充分利用數字技術，推進了個性化定制技術的發展。充分利用3D打印復雜形狀，實現家具設計的靈活性和個性化，加快設計—制造的緊密結合，給售賣市場帶來更多的競爭性，同時也為消費者帶來更多的滿意度。

3.中國智造背景下3D打印模型結構在木制家具設計中的意義

作為一種新興的制造技術，3D打印技術可以賦予產品多樣性、設計感和未來感，而這正好迎合當下年輕人追逐個性化潮流的需求。同時，3D打印技術在家具產品的設計生產中也受到了一些因素的制約。3D打印作為一種新興的制造技術，其技術的多樣性、設計感和未來感正好迎合年輕人追逐個性化潮流的需求，在智能制造背景下通過3D打印技術可以為木制家具創造更多的便利、更多樣的連接形式。3D 打印獨特的制造方式，可以將各種復雜的造型和連接件直接打印出來，特別適合進行一些個性化或者不適合傳統工業產出方式的造型打印，而數字化的產品模型也有助于設計者進行修改和傳達，提升了產品迭代的效率。現代木制家具制造工藝中的復雜環節主要是對木料部件形狀的加工和對部件連接位置的加工，而3D打印的增材制造優勢正在于能夠有效處理形態與結構的復雜性，二者的結合，有效地降低了整體制造的難度，減少了木材的浪費。傳統制造過程中每一次的裁切都會帶來木料的損失，簡化加工工序后，只需把木料加工為基本的形態，加入3D打印的復雜結構，并通過粘連或榫卯結構連接件即可實現材質之間的結合，碰撞出不一樣的造型設計靈感，這不僅減少了浪費的環節，還能從總體上提高木料的有效利用率，簡化裝配方式，方便運輸，從而提升制造業的效率與靈活度，為人們的生活提供趣味性和多樣性的選擇。

4.中國智造背景下《智畫映木》家具設計概述

4.1特色概述

研究圍繞實踐設計《智畫映木》進行了結構創新的嘗試，家具造型上以明式家具的素形素工為主要基調，選取了屏風、扶手椅、邊幾作為設計對象，結合鏤空設計的3D打印結構進行外觀設計，鏤空造型靈感來源于中式花窗，重視追求造型藝術性和功能實用性的統一。

4.2技術路線

運用3D打印技術對傳統木制家具的關鍵部件進行改良，使得在保留傳統木制家具特點的前提下，簡化制造工藝，減少制造時間，減低制造難度，節省制造材料，使得其在對于傳統技術制造的木制中式家具更具有現代化的特點。3D打印的材料特性在于增材制造，其工藝可以實現較為復雜的結構，且由于支撐結構的特殊性，鏤空結構可以產生材料之間的張力，一般不需要額外添加支撐，這不僅大幅提升了打印的效率，減少耗材的使用，還能夠有效的避免支撐被剪除時留下痕跡，可以真正實現一次成型、即打即用的效果，具有比較好的材耗比。因此，在設計中，我們采用了多種鏤空造型來測試，以求最大的成品硬度、韌度，結構的最大穩定和較好的外觀效果（圖1）。

圖1 3D打印結構鏤空結構模型

4.3 家具設計特色

《智畫映木》采用了從中國傳統畫中山的造型引申出來的設計概念，通過將家具設計與3D打印技術相結合實現了復雜的形態和結構，使家具作品在形式上更具創新性和獨特性。3D打印技術實現一些傳統工藝難以實現的形態和結構，例如曲線、扭曲、空間結構等，從而創造出具有未來感和藝術感的家具作品（圖2）。3D打印技術可以實現家具的輕量化設計，通過優化結構和材料使用，減少家具的重量和材料消耗，從而降低資源浪費和環境污染。此外，3D打印技術還可以實現復雜內部結構和空腔設計，從而在保持強度和穩定性的同時減少材料使用。將《智畫映木》家具設計與3D打印技術相結合，可以呈現出形態創新、個性化定制、輕量化優化、功能融合和可持續環保等特色，為家具設計帶來了更多的可能性。

圖2 《智畫映木》家具設計效果圖

4.4 3D打印技術實踐

我們通過設計實踐和成品的反復檢測，得出以下結論：3D打印材料不論是選擇PLA還是樹脂，都能夠很好地表現出鏤空結構設計，具有無支撐、強度高于實心結構的顯著特點，在打印效率上，同樣造型、大小的鏤空結構和實心結構相比具有明顯更優的材耗比。以下為性能提升對比，見表1。

表1 模型材料造型數據可視表

結語

3D 打印技術的出現給家具制造帶來了非常大的便利，作為一種新興的先進技術，它的出現不但可以減輕眾多領域家具設計與制造過程的繁瑣和復雜，更能增添流程化與規范化的設計因素，讓很多家具產品的設計與制造過程變得更加方便和系統，在家具設計和研究工作過程中變革了設計思路，釋放了設計師的想象力和創造力。同時，3D 打印技術擺脫了對傳統家具產業加工制造的依賴性，實現了對未來家具產品設計數字化與定制化的技術前瞻。將3D打印技術運用在傳統的木制中式家具之中，將傳統文化和現代科技相融合，不僅為傳統文化提供新的生命力，同時也為智能制造技術提供新的發展方向。