3D 復合打印殘疾人坐便椅設計研究

王海順

（無錫工藝職業技術學院，江蘇 宜興 214200）

0 引言

在我國，有一定人群因患病導致機能衰退行為受限，對他們來說蹲起如廁變成了一件艱難的事情。同時，蹲起動作在一定程度上也會加重他們的身體負擔，給家人帶來護理的壓力。為了使這類人群可以再次輕松如廁，坐便椅在一定程度上給這部分人群提供了便利，但當前在坐便椅設計上仍存在不少的問題。因此，優化坐便椅設計對減輕家庭負擔，提高病患生活質量都具有一定意義。“朔云”坐便椅是基于現狀完成的關于空間尺度的無障礙設計，筆者根據功能性與形態美的主旨，結合3D 打印技術，整合多學科知識，對坐便椅進行優化設計。

1 坐便椅現存問題

在材質方面，我國市面上的坐便椅大多數是采用鋁合金、木質以及不銹鋼作椅身結構，整體雖然輕便易拿取，卻不穩固，安全系數相對較低。鋁合金和不銹鋼的坐便椅坐面常采用聚乙烯材料，即塑料制成，短期低溫環境下使用尚可，對于長久使用者而言，它容易老化變形甚至出現開裂。其次，鋁合金、不銹鋼材質的坐便椅，椅身相對較涼，不適合在寒冷的冬季使用。相對于金屬材質的坐便椅，木質坐便椅，坐面和椅身通常為一種材質，在冬季使用尚可。但它不具有便桶，通常是放置于衛生間蹲便器上方，臨時移動性較差，只能在特定位置使用。

在尺寸和便桶方面，現有坐便椅缺乏對人體工程學的考量，沒有統一的尺寸標準。就椅面高度來看，椅面過高，患者往往排便時不夠通暢，無法達到如廁效果，同時會使使用者缺乏安全感。椅面過低，對患者而言排便相對通暢，但由于其本身身體狀況，起身會更加費勁，需要他人幫助。就便孔尺寸來看，現有較大尺寸通常為寬23 cm，長26 cm，相對符合女性使用者的要求，對肥胖患者和部分男性患者來說則感到尺寸不夠，導致排泄物外露，一方面加重護理者工作量，另一方面也給病患帶來一定心理負擔。便桶問題主要體現在拿取方式及清潔方面。當前市面上的坐便椅拿取方式有兩種：其一，從椅面下方滑槽抽出，其缺點是手在握住便桶邊緣時，容易觸碰便桶內壁，沾碰排泄物，同時便桶中的尿液容易傾灑；其二，掀開坐面拿出，其缺點是椅面較重，容易手滑，導致排泄物濺出。可見，兩者都會加重清潔壓力。

在靠背和折疊方面，病患因病癥帶來的疼痛，常以佝僂狀姿態使用坐便椅，市面上坐便椅靠背堅硬，未考慮人體工程學，弧度不合理，使病患在使用過程中感到脊椎不適。現在很多坐便椅帶有折疊功能，但這一功能常在頻繁使用下出現折疊卡頓等問題，使得使用者對其質量及安全系數產生質疑，并且在折疊的過程中被夾傷的情況也時常發生（圖1）。

圖1 坐便椅現狀

在穩定性方面，通過走訪調研發現諸多使用者表示在使用坐便椅的過程中通常會十分小心，其一是由于他們自身身體狀況，其二是由于坐便椅結構不穩定，缺少承重的支撐物件，腿部容易搖晃，坐面輕薄易碎，坐面和椅身連接不牢固，結構過于簡單容易搖晃等。可見，當前坐便椅穩定性是使用者較為關心的問題。

在可循環使用方面，市面上現有坐便椅往往功能單一，僅提供給有需求的人使用。對于孕婦和術后患者等短期需要坐便椅的使用者來說，當他們結束生育或恢復健康后，坐便椅往往成了無用之物，無處安放，最終流向廢材市場，造成大量浪費。因此，豐富坐便椅的功能性，增添智能化設計，讓坐便椅失去坐便功能后依然可以不被淘汰也顯得尤為必要。

2 設計原則

2.1 安全性

坐便椅的使用人群多為老年人、偏癱患者、術后患者、孕婦等，對于他們來說安全性是選擇坐便椅的首要條件。首先，他們反應遲緩，行動不便，不能像健康青年人那樣靈活應對各種突發的碰撞、跌倒等危險情況。一旦發生這些意外，對本已欠佳的身體狀況無疑雪上加霜，造成嚴重后果。其次，由于他們現階段身體狀況，導致他們心理發生一定變化，自身對安全感的需求變強，做任何行為活動都更加小心。因此，坐便椅設計必然要以安全性為第一準則。坐便椅最能體現安全性的地方則是椅身，椅身承載著主要重力，要保證椅身穩固牢靠，避免晃動、傾斜，這就需要對材質和制作工藝方面進行全方位把控。當然，除此之外，坐面、便盆、合蓋等小部件的設計也應秉承安全牢固的要求，使用者不能像正常人一樣很好地使身體緩慢落座，此時坐面要在瞬間承受使用者體重的壓力，長久下來，坐面容易斷裂，所以坐面材質的選擇也需深思熟慮。便盆、合蓋與坐面、椅身的銜接如果設計不當，在使用過程中容易出現擠壓皮膚狀況，造成淤青。

2.2 舒適性

使用坐便椅的人群由于身體狀況，往往排便時間偏長，所以坐便椅設計一定要考慮舒適性原則。舒適性主要體現在直接與使用者接觸的坐面、靠背和扶手上。考量坐面舒適度離不開坐面的軟硬，當然并不是坐面越軟越好，通常情況下落座凹陷約一厘米最適。坐面偏軟，則會影響脊柱正常的弧度，長時間會使背部肌肉緊張，引起腰痛、乏累。坐面偏硬，會使坐骨關節及下方皮膚組織疼痛。從心理角度出發，由于使用者身體原因，行動缺乏靈活，時常會急躁敏感、郁郁寡歡，這就需要坐便椅的外觀設計能帶給使用者舒適感。因此設計時要減少生硬、突兀和尖銳的造型感，這種形態會強化使用者負面情緒，應多以柔和、流暢的形態出現，營造舒適氛圍，舒緩使用者心態。在顏色選取上，也應避免一些容易引起焦躁的色彩，選取溫馨的色彩，讓整個設計滿足使用者心理需求。

2.3 有效性

目前市面上坐便椅的有效性僅體現在排便有效方面，基本無額外附加功能。與這一有效性最直接的關聯便是便孔尺寸問題以及便盆和便孔的銜接問題。便孔尺寸是使用感的最直接體驗，便孔太大容易縮小臀部與便盆的使用間距，并且卡住臀部，影響舒適度。便孔太小，排泄物則無法完全進入便桶，影響使用者心態，加大清潔難度。便孔和便桶的尺寸應銜接合理，便于抽取，避免不必要的外濺。

3 3D 復合打印技術概述

3.1 FDM

FDM 屬于3D 打印技術的一種，即熔融沉積成型。FDM 設備打印頭內的電阻式加熱器將絲狀熱熔材料加熱融化成半流體狀態，通過打印頭擠壓出來，擠壓出來的材料在打印頭和打印平臺的移動下，凝固在指定層面，并與上一層材料熔接，層層堆積，但隨著堆積層面的不斷累加，每個層面的輕微變化，伴隨高度的增長，會使整體發生較大形態變化，導致下層輪廓不足以給當前打印層充分支撐力，這時會設計一些輔助支撐結構，確保三維構建的完成。

FDM 適用于大尺度的模型打印。它的優點包含材料性能，線材是FDM 打印的根本，線材的開拓是FDM 技術不斷進步的保障，常見的有PLA、ABS、尼龍、PPSF 等，其強度和性能已經達到甚至超過普通注塑產品。FDM 后期處理比較簡單，只需要在打印完成后將支撐剝離即可。FDM 工藝在3D 打印技術中的地位至關重要，FDM 設備體積偏小，打印過程不包含激光，線材來源較為廣泛，打印成本相對較低，因而受到諸多青睞。現今，FDM 發展領域不斷延伸，在醫療、復合材料模具制作都有了一定積累。

從坐便椅設計的安全性角度出發，好的椅身材料必然是其穩固性的基本保障，市面上的坐便椅椅身結構都是通過零件的銜接構成，當一個部位發生問題必然會影響整個結構塌陷。如果病患、老年人、孕婦等使用者在使用時發生安全問題，其后果將不堪設想。因此，基于當下FDM 打印技術的成熟，不僅在材質牢固性上性能突出，其一體成型、無需零件、無需組裝的優勢更適合于坐便椅椅身的設計和制作（圖2）。

圖2 3D 打印工藝

3.2 SLA

SLA 全稱立體光固化成型，屬于3D 打印方式的一種。它的成型方式是液態光敏樹脂通過一定強度和波長的紫外線照射發生聚合反應，逐漸固化生成三維實體。在加工過程中，設備中的可升降工作平臺處于液態樹脂以下，正好一個截面層的厚度，再在偏轉振鏡作用下，按照機器指令對截面輪廓信息掃描，掃描處快速固化，完成一層截面加工。接著工作臺再次下降一層截面厚度，再次掃描固化并與前一層固化部分牢固粘連，層層疊加反復，直至完成。

SLA 打印時要注意模型放置位置，復雜特征面朝上。如果打印尺度較大，可以采用分段的方式進行打印，打印完成進行拼裝或者用AB 膠進行粘連。同時，有些情況下為了減輕模型重量常采用抽殼壁厚的原則，對于大面積模型抽殼后，一般會添加強筋以避免模型形變。SLA 打印表面細致、平滑與傳統注塑成型的模型外觀效果幾乎無差，這主要源于它最低可以實現25 μm 的分辨率。

從外觀造型看，當前市面上的坐便椅千篇一律，毫無美感可言。設計鬼才菲利普斯塔克曾說“設計良好的物品，就是那些我們看到它和使用它的時候會發出微笑的產品。”然而當前坐便椅的設計總給人一種病人專用的心理暗示，可見坐便椅外觀設計的現狀急需改變。因此可以適當加入具有美感的紋樣或者流線造型等，運用SLA 對于復雜造型打印，體現坐便椅形態美。

3.3 SLS

SLS 即激光燒結成型法，亦屬于3D 打印一種。不同于SLA，它用的是紅外激光束，材料使用上也由液態光敏樹脂變成了塑料、金屬、蠟等粉末。進行打印時，粉末顆粒放置在設備供粉倉，供粉倉升降平臺上升，鋪粉滾筒將高于打印平臺的粉末推壓在打印平板上，形成一層薄薄的平面粉層。接著沿切片二維CAD的路徑在粉層上進行掃描，在激光高溫下被掃描的粉層進行燒結，形成實體薄片。一層燒結結束后，打印平臺根據切片厚度進行下降，鋪粉滾筒再次將粉末推平，繼續新一層的燒結，層與層之間在此時也燒結為一體。接下來，以同樣的方式，反復燒結，直到全部完成。

SLS 有著不同于其他3D 打印工藝的優勢。它擁有廣泛的成型材料，如金屬、高分子、石膏、尼龍、陶瓷等。它在打印時無需使用支撐結構，它可以打印空心結構、鏤空造型等一系列復雜形態，制作強度極高。對于粉末材料利用率上，未燒結的粉末可重復使用，避免浪費。

由于使用者在每次使用坐便椅時都會親密接觸靠背和坐墊，所以舒適度是靠背和坐墊設計的首要準則。對于偏癱患者來說，必然會長時間使用坐便椅。以木質坐便椅為例，靠背和坐面都為木板結構，硬度較大，沒有絲毫彈性和透氣性，長時間使用，會使使用者感到渾身酸痛，粘連皮膚。對于以上思考，結合SLS 打印優勢，可以運用SLS 打印TPU 材料，形成擁有一定軟度的靠背和坐墊，增加舒適度。同時，靠背和坐墊也可增加鏤空，減少使用者在夏季使用時肌膚的黏悶感。

4 坐便椅設計過程

4.1 靈感來源

從坐便椅的名稱朔云可知，在對坐便椅形態優化時將“云”這種自然元素作為坐便椅造型的靈感起源。通過對云這一有機形態的模擬、提取、演變，將坐便椅椅身造型和內部紋樣形態相互融合，使得坐便椅外觀被賦予親切感、柔美感，這一外觀對本身具有抗拒心理的使用者而言變得易于接受。另外，身體的不適會讓使用者或心情煩悶或愁容滿面，云這一自然形態，廣闊無垠，往往也能帶給人風淡云輕的心理反饋（圖3）。

圖3 靈感來源

4.2 坐便椅形態

從形態的提取演化便可知朔云坐便椅的整體設計以流線造型為主，并結合參數化，由3D 復合打印而成。同時，坐便椅主要由三個部分組成，分別為椅身、側邊可抽拉花紋抽屜和靠背坐面（圖4）。椅身弧度圓滑，貼合使用者蹲坐時背部和上肢輪廓，側面為兩個不規則圓形鏤空，前側鏤空圓形偏扁，為放置便桶處，后側鏤空圓形窄長，增加儲物功能，可放置廁紙。從頂部看，坐面留有便孔，與側面圓孔造型相互呼應。椅身采用FDM 一體化打印成型，結構十分牢固，完全摒棄常規坐便椅椅身拼接的設計手法，讓使用者在安全性方面沒有任何顧慮。除此之外，FDM 在對椅身打印時，是由一層層線形進行疊加，繼而形成連續的紋理，無論從視覺上還是觸覺上都豐富了椅身的層次感（圖5）。

圖4 組成分析

圖5 形態展示

側面的可抽拉花紋造型是通過對“云”的線性提取變形而成，豐富的線性變化和鏤空造型極具美感，將視覺感受復雜化，呈現出一種不定性的空間形態。同時此處設計不僅僅只有裝飾功能，實用性更為顯著。通過多變的鏤空可以伸手將其輕易拉開，一處用于便桶的拿取，一處用于廁紙或其他物品的放置。考慮到為避免資源浪費，對于短期使用人群，在他們痊愈后，無需坐便功能時，可將前側抽拉花紋抽屜內的便桶撤出，同樣用于儲物。此時坐便椅就變成了可儲放物品的家具，其美觀造型也會為室內軟裝添彩。由于鏤空花紋造型復雜，對工藝要求較高，此處運用SLA 立體光固化進行打印，最終側邊花紋組件達到了紋路清晰，表面光滑細致，空間感強的效果。

靠背和坐面形態順應椅身整體流線走向，弧度圓滑，且都運用參數化做鏤空漸變造型。靠背的漸變從中心略大的四邊形鏤空往四周以圓形鏤空逐漸遞減。坐面包含環形坐墊圈和坐墊，環形坐墊圈由五個端部向內做橢圓狀鏤空漸變，坐面鏤空造型則是由四周向中心消失。當環形坐墊圈和坐墊合并時，雙層不同漸變帶來虛實鑲嵌的效果。這些多變的鏤空極大豐富了坐便椅的造型效果，在功能上給使用者長時間接觸坐便椅的皮膚帶來透氣感。對于靠背和坐面的打印采用制作強度較高的SLS 工藝，一是由于靠背和坐面造型多變，二是其具有一定的傾斜角度和不平整性（圖6）。

圖6 紋樣、鏤空細節展示

4.3 材質和顏色

在材質選擇方面，坐便椅椅身是通過FDM 以復合樹脂為材料打印形成。復合樹脂具有加熱軟化，冷卻硬化的特性。復合樹脂可塑性強、環保、可回收使用、耐腐蝕、使用壽命長，因而非常適于坐便椅椅身結構的打印。側面鏤空花紋是以樹脂為材料通過SLA打印成型。該材料耐儲存、通用性強、便于儲存。該材料在打印時，固化速度快，打印出的物體具有防水、耐高溫和強度高等優點，同時表面質量和模型精度高，還可通過噴漆工藝上色，符合側面鏤空花紋打印要求。靠背坐面則是選擇尼龍為材料的SLS 打印完成。尼龍在干燥低溫環境下擁有較好的電絕緣性，其力學性能優良，在耐磨性、壓縮強度、拉伸強度和沖擊強度等方面都有一定優勢。尼龍的化學性能穩定，不會與油脂、鹽、酸、堿等產生反應。所以非常適用于打印靠背坐面這種容易受到污損的部件（圖7）。

圖7 打印材質

在坐便椅顏色選取上，對于使用坐便椅的年輕人而言，他們因身體狀況在使用坐便椅時容易急躁，所以應當減少艷麗、跳躍顏色的使用，采用低飽和、高級灰等色彩進行搭配，舒緩其情緒。對于使用坐便椅的老年人而言，隨著年齡的增加，他們的視覺神經退化，看東西模糊，對顏色不夠敏感，往往喜歡相對鮮艷的顏色。因此朔云坐便椅針對年輕使用者以淺灰藍為椅身主色調，側邊抽拉花紋選取較淺同色系，靠背和坐面為白色進行色彩搭配。針對老年使用者，椅身選取黑色，側邊抽拉花紋運用紅色，靠背和坐面同樣為白色進行設計，滿足不同年齡段受眾的需求（圖8）。

圖8 配色展示

5 結語

朔云坐便椅設計旨在對當前坐便椅現存問題進行優化，完善坐便椅的結構與功能，豐富坐便椅造型的多元化。巧妙利用3D 復合打印的工藝特點完成表皮紋理和鏤空，增加動勢感，結合3D 打印材料的廣泛性能滿足坐便椅穩固性要求。強化坐便椅設計效果，滿足不同人群需求，對促進坐便椅功能美、形式美具有一定意義。