基于快速成型技术的中国古典家具模型制作工艺
王琛1，于嘉浩2，陆红红1，蒋雨婷1
（1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京210037；2.南京林业大学汽车与交通工程学院，南京210037）
摘要：快速成型技术作为一种迅猛发展的先进制造技术，在多个行业领域的生产环节中有广泛应用。笔者主要研究中国古典家具模型快速成型制作工艺。首先，介绍了家具设计与制造过程中常用的快速成型工艺，通过试制试验对各种快速成型工艺进行初步筛选。随后，通过表面粗糙度测试和拉伸试验，对比各种快速成型工艺制件的表面质量和机械性能，选择适合中国古典家具模型制作的熔融沉积工艺，并以该工艺制作中国古典家具模型。关键词：快速成型；家具模型；制作工艺
中图分类号：TS664文献标识码:A文章编号：1000-4629(2018)06-0040-05
DOI:10.16610/j.cnki.jiaju.2018.06.009
The Manufacturing Technology of Chinese Classical Furniture Based on Rapid Prototyping Technology
WANG Chen1 ，YU Jiahao2，LU Honghong1，JIANG Yuting1
(1.College of Furnishings and Industrial Design，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China；2. College of Automotive and Traffic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)
Abstract：As a booming advanced manufacturing technology，the rapid prototyping technology has been widely used in manufacturing process among many industries. This paper mainly studies the rapid proto typing technology of Chinese classical furniture models. Firstly, the rapid prototyping technology common ly used in furniture design and manufacturing process was introduced，and various rapid prototyping tech nologies were preliminarily screened through trial production experiments. Subsequently，through the sur face roughness test and tensile test，the surface quality and mechanical properties of various rapid proto typing process parts were compared，and the melt deposition process was selected to produce the Chinese classical furniture model.
Key words：rapid prototyping；furniture model；manufacturing technology research
快速成型技术作为先进的制造技术，已经成为一种迅猛发展的潮流［1］。其高度集成的特性，使得产品从CAD到CAM的生产流程实现了无缝连接, 可以将创意概念用快捷的方式制作出来。而且作 为一种增材制造形式，快速成型减少了材料的浪
费，是一种绿色环保的制造方式［2］。通过快速成型技术制作中国古典家具模型，探索中国古典家具模型制作的新工艺，在提高模型质量的同时，可以促进中国古典家具模型的推广，实现中国古典家具文化的“新传播”。
基金项目：江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）。
作者简介：王琛（1992-），男，助理实验师，主要从事工业设计方面的研究。E-mail：996869559@qq.com。
引文格式:王琛，于嘉浩,陆红红，等.基于快速成型技术的中国古典家具模型制作工艺J］.家具,2018,39（6）： 40-44.
在快速成型技术制作中国古典家具模型的概念提出前，中国古典家具模型主要是用传统手工艺的方法制作［3］。
选用木材为原料，按照中国传统木器制作工艺，通过纯手工的方法制作而成，配以木工机械辅助加工。相比较传统制作工艺，快速成型技术制作中国古典家具模型具有明显优势，其主要优势在于直接将模型的三维数据转化为加工数据，在模型制作的精度、效率和成本上都有较大提高。
1 快速成型工艺分类
根据成型原理和成型材料的不同，目前在家具设计与制造过程中使用的快速成型工艺可以分为以下4种类型：
（1）熔融沉积工艺
熔融沉积（FDM）工艺是将丝状的热塑性材料按特定温度融化，使材料始终保持液体状态，通过挤出头匀速挤出。在成型数据的控制下，有选择的沉积在工作平台上，沉积后立即冷却并固化成型［4］。
（2）立体光固化工艺
立体光固化（SLA）工艺利用了光敏树脂的材料特性，即在一定波长和强度的紫外光束照射下可以实现从液态到固态的相变。紫外光束的运动轨迹通过成型数据来控制，在光敏树脂表面进行选择性的扫描，实现逐点固化成型［5］。
（3）三维印刷工艺
三维印刷（3DP）工艺的原理为粉末状材料在黏合剂的作用下的黏结成型。在工作平台上先铺一层粉末状材料，再使用喷嘴将黏合剂分布于需要成型的粉末区域，实现了粉末的黏合成型。
（4）选择性激光烧结工艺
选择性激光烧结（SLS）工艺的原理为粉末状材料在激光烧结下的熔化结合。在工作平台上先铺一层接近熔点的粉末状材料，再使用激光在该层粉末上选择性的扫描，被扫描区域的粉末温度升高，熔化后烧结成型［6］。
2 中国古典家具模型的快速成型工艺初步筛选
2.1 中国古典家具模型的制作工艺要求
中国古典家具模型由于需要呈现经典家具器型的形态，有大量的曲面或者异形构件。因此，模型的制作对于整体形态的呈现要力求精确。同时，模型表面要尽量光滑，体现制作工艺的美感。
中国古典家具模型的展示不光是“形态美”，更 有其“结构美”［7］。作为中国古典家具精髓的榫卯结构需要特别展示，模型设计要求为包含榫卯结构的可拆装形式。可拆装的榫卯结构对构件的机械性能提出较高的要求。
2.2 试制实验
根据中国古典家具模型的制作工艺要求，对4种主要快速成型工艺进行试制试验，初步筛选适合本次模型制作的快速成型工艺。试验选取明式圈椅模型中的背板作为试件，通过对背板的试制，对比制作效果、制作时间、制作成本、表面质量和机械性能等5个要素，对比结果如表1所示。
通过观察和手掰的方式对试制试验进行初步评价。观察过程中发现,SLA工艺制作的试件表面光滑，FDM工艺制作的试件表面有台阶效应，3DP工艺制作的试件表面有颗粒状的感觉,SLS工艺制作的试件表面有分层状感觉。因此,SLA快速成型工艺在表面质量展示方面最优。手掰过程中发现，3DP工艺制作的试件轻轻用力就被掰断，且有粉末状碎屑。加大力量后，SLA工艺和SLS工艺制作的试件相继出现断裂，而FDM工艺制作的试件最不容易掰断。因此,FDM快速成型工艺在机械性能表现方面最优。本研究重点对FDM工艺和SLA工艺进行后续对比筛选。
3 FDM工艺及SLA工艺对比筛选
3.1表面粗糙度分析
使用TR-240型粗糙度测试仪，分别制作5组试件。对FDM和SLA快速成型工艺制作的5组试件分别进行5次测量，测量得到轮廓算术平均差Ra、轮廓最大高度Rz,并求得各参数的平均值并进行分析，如表2所示。
表2表面粗糙度测量值
Tab.2 Surface roughness measurement
| 项目 |
算术平均差 Ra/“m |
最大咼度 Rz/“m |
图号 |
| FDM |
8.512 |
40.160 |
1 |
| SLA |
2.597 |
21.600 |
2 |
从实际轮廓图中可以看出（如图1、图2所示）。相同取样长度下,FDM工艺的轮廓算术平均差Ra为8.512 |dm,SLA工艺的轮廓算术平均差Ra为2.597 “m。FDM工艺的轮廓算术平均差大于SLA工艺的轮廓算术平均差，因此，在同一平面方向上,SLA工艺的成型表面粗糙度值更小,表面质量更好。从最大高 度分析,FDM工艺的轮廓最大高度Rz为40.160 “m,SLA工艺的轮廓最大高度Rz为21.600 “m。比较可知,FDM工艺的轮廓最大高度大于SLA工艺的轮廓最大高度，可以推断FDM工艺的表面质量差于SLA工艺的表面质量。
3.2 机械性能对比
使用岛津AGS-X型万能力学试验机，参考塑料拉伸试验方法《GB/T1040.2-2006塑料拉伸性能测定》中的“模塑和挤塑的试验条件”部分。使用1BA型试样（如图3所示），本次试验采用的速度为10mm/min。为了比较FDM和SLA工艺的机械性能，对FDM和SLA快速成型工艺制作的10组试件分别进行5次测量，测量得到的极限应力值如表3所示。从表格中可以看出,FDM工艺制作试件的抗拉强度平均值为26.581 MPa，大于SLA工艺制作试件的抗拉强度平均值17.738MPa。
从应力-应变图中（如图4、图5所示）可以看出。同样的试验条件下,FDM和SLA工艺制作的试件在应力-应变曲线上有较大区别。FDM工艺的曲线体现了试件有一定的韧性，拉伸强度和断裂延长
率方面的值相对较高。SLA工艺的曲线体现了试对较低。因此，通过拉伸试验分析,FDM工艺制作
件的脆性，在拉伸强度和断裂延长率方面的值也相的试件机械性能更好。
表3极限应力表
Tab.3 Table of ultimate stress
| 成型工艺 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
平均值 |
| FDM |
27.612 |
24.053 |
22.811 |
28.637 |
29.794 |
26.581 |
| SLA |
17.785 |
16.439 |
18.153 |
19.102 |
17.212 |
17.738 |
4基于FDM快速成型工艺的中国古典家具模型制作
通过试制试验和对比试验的筛选，选取FDM工艺制作中国古典家具模型。本次模型制作使用的是Stratasys Fotus450快速成型机，选取的模型为明式圈椅模型，制作过程如下：
（1）使用UG软件建立明式圈椅模型，通过测绘及参考二维尺寸图等手段进行建模。模型一共32个零件，各零件分开建立，通过装配模块进行装配零件与零件间的连接方式均为榫卯结合，明式圈椅模型的整体效果如图6所示，明式圈椅模型的爆炸效果图如图7所示。
图5 SLA工艺应力-应变图
Fig.5 Stress-strain diagram of SLA process
3.3中国古典家具模型制作工艺选择
通过对FDM和SLA工艺的表面粗糙度和机械性能的测试，可以得到FDM工艺在机械性能的对比中表现更好，而SLA工艺在表面粗糙度的对比中占优。古典家具模型制作工艺的选择在考虑的上述两个因素外，还需要考虑制作时间和制作成本，两者在试制试验中已经进行过对比。制作时间对比中，两种工艺区别有限。而制作成本方面，FDM工艺的制作价格远低于SLA工艺的制作价格。因此, 优选中国古典家具模型的制作工艺为FDM工艺。
(2)将圈椅模型的STL文件导入Fotus450快速成型设备中，对模型大小进行设置。本次制作过程中明式圈椅模型与实物的比例设置为1： 9,该比
例下模型尺寸刚好适宜。
(3)设置Fotus450快速成型设备的参数，设置加工层厚为0.1 mm，材料挤出速度为50mm/min，其切片，生成机代码，并开始加工过程。
(5)模型加工完成后,进行后处理工艺。后处 理工艺的第一步是去除支撑材料,通过手工剥离的 方法。支撑剥离过程中产生的毛刺和凹槽，通过打 磨抛光去除。主要使用的工具为砂纸、纱绸布、羊 绒轮等。进行后续处理后，完成古典家具模型的制
余参数一般默认由系统进行设置。
作。明式圈椅模型零件拆卸图如图8所示，装配效
model
style round-backed armchair model
5结语
对中国古典家具模型快速成型制作工艺进行研究，通过试制试验、表面粗糙度测试和拉伸试验对4种主要快速成型工艺进行筛选。
综合对比模型表面质量、机械强度、制作时间、制作成本等各项参数，优选熔融沉积(FDM)工艺为 中国古典家具模型的制作工艺，并用该工艺制作出 经典明式圈椅模型。
得益于先进制造技术的发展，通过快速成型技术制作中国古典家具模型，不仅能提高制作效率、降低制作成本，而且实现了科技和文化的融合，凝聚了深刻而丰富的内涵，具有较高的市场推广价值，同时也促进了文化的传播。
参考文献：
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(责任编辑 陈英华 李珂心)
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