快速成型技术在家具设计中的应用研究_常伟

快速成型技术在家具设计中的应用研究

常伟¹，杨艳石²

(1.宿迁学院，宿迁 223800；2.常熟理工学院，常熟 215500)

摘要：目的 探索快速成型技术与传统木工工艺的邂逅，在家具产品设计中的应用。方法 运用分析、比 较的研究方法，了解 3D 打印快速成型技术的优势，探讨传统工艺与 3D 打印技术相结合的表现效果。 结论 通过不断探索快速成型技术与传统工艺的结合，在 3D 打印这一现代技术的影响下，“新”、“旧” 技术的结合将成为家具设计创新的突破口，并基于模块化的设计理念，推导出家具产品创新设计的思路 与方法。

关键词：快速成型；传统木工工艺；产品设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2017)10-0171-04

DOI:10.19554/j.cnki.1001-3563.2017.10.038

Application of Rapid Prototyping Technology in Furniture Design

CHANG Wei¹, YANG Yan-shi²

(1.Suqian College, Suqian 223800, China; 2.Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

ABSTRACT: It aims to explore the rapid prototyping technology and traditional woodworking technology encounter, in the design of furniture products. Through analysis, comparison, examples of research methods, it understands the advan tages of 3D printing rapid prototyping technology, explores the combination of traditional technology and 3D printing technology performance results. Combining the continuous exploration of rapid prototyping technology and traditional technology, the impact of the modern technology of 3D printing, "old" and "new" technology will become the furniture design innovation breakthrough, and based on the modular design concept, push the ideas and methods of export furniture innovation design.

KEY WORDS: rapid prototyping; traditional woodworking technology; product design

科技的快速发展，产品的多元化，消费者需求的 多样化已经成为社会发展的主流。承载着悠久传统工 艺文化历史的中国，家具生产跻身世界前列，其精湛 的工艺、优雅的造型、吉祥的寓意透露着独特的东方 神韵、体现出深厚的文化艺术价值。在家具设计中， 传统的木工工艺对制作者的技法要求较为挑剔，这也 是很多传统工艺都亟待传承保护的原因。产品快速成 型技术（又称“增材制造”或“3D打印技术”）,是一种 全新的综合性应用技术，可以说是生产制造方式的一 场重大变革，技术的日益娴熟与精确，加上成本的逐 渐降低、打印速度的提升^［1］, 3D打印技术广泛应用 于航空、交通、教育等多个领域。3D打印技术的应 运而生成就了现代技术去实现传统工艺技法表现效 果的可能性^［2］。新技术与传统工艺的融合,将成为家 具设计创新的突破口,引导家具产品创新设计的新思 路与新方法,这是对时代发展、技术创新的一种适应 和态度。

1 3D打印技术概述

3D打印技术是由20世纪70年代末、80年代初 出现的快速成型技术发展而来的一种先进制造技术, 它的发展改变许多工厂中的生产方式，降低了制造业 的门槛，大大提升了创造力，从而带来了制造工艺和 生产模式的新变革^［3］，并以其技术的独特性、非凡的 创造性改变着人们固有的思维习性、行为方式和行动 结果。

收稿日期：2017-01-15

基金项目：2016年江苏省教育厅高校哲学社会科学研究项目（2016SJD760117）

作者简介：常伟（1979—），男，安徽人，硕士，南京师范大学硕士生，宿迁学院讲师，主要研究方向为环境艺术设计、 产品设计。

3D 打印是一种以数字模型文件为基础，通过材 料的逐层叠加、粘结等方式来构造物体的技术^［4］，学 术上称之为“增材制造”技术。增材制造的加工工艺与 传统的加工工艺相反，依据三维数字模型文件，运用 热熔喷嘴、激光束等方式，将粉末状金属或塑料、陶 瓷等材料进行逐层累加，最终构造出与数学模型完全 一致的三维实物模型，可以说3D打印融合了三维建 模技术、自动控制技术、新材料技术等诸多前沿技术， 具有很高的科技价值^［5］。其主流成型工艺有：熔融沉 积制造（简称FDM）、立体喷印成型（简称3DP）、 激光选区烧结（简称SLS ）、立体光固化（简称SLA）、 分层实体制造（简称LOM）；无论采用哪种成型工艺， 产品的生产制造周期都会大大降低，个性化、定制化 的生产方式将逐渐替代大批量的生产方式，成为制造 业的主流趋势。

2 家具设计中的“新”与“旧”

3D 打印技术在各个领域的应用逐渐趋于成熟。 相比于航空航天的突飞猛进，迅速崛起的医疗应用， 亦或是叱咤风云的时尚T台，3D打印在家具的应用 上，却显得力不从心^［6］。对于设计师来而言，一个创 新的产品造型很容易受到制作工艺的束缚，而3D打 印技术能够打破传统的造型理论，可以制作许多传统 制造工艺很难制作或无法制作的家具^［7］，这就促使人 们对传统工艺的思考并引发人们对现代科技长处的 探究，进而领会到将现代高新技术与传统工艺相结合 所带来的优势变化及影响。

2.1 3D打印技术融入家具设计的意义

3D打印技术已经成为所有相关领域技术力量的一 个组成部分。于家具设计而言， 3D 打印技术的融入可 以帮助设计师对原有设计想法的实践、检验及激发其创 意思维，在当下家具设计中具有一定的探索创新意义。

首先， 3D 打印在被作为设计工具时，可以帮助 设计师构建一个更加精准而直观的实物模型，复杂形 体构造一次成型的技术优势，在很大程度上提升了从 设计想法到三维实物的转化速度，亦决定了它在家具 设计中会是最优的曲面形态及异型结构的生成工具 之一。

其次，环保作为设计的重要条件，传统的家具制 造多以是减材技术为主，与之相反， 3D 打印是通过 材料的堆积，连续无缝隙搭建起的三维实物^［8］，按需 取材减少浪费，不破坏环境、节约资源。

最后， 3D 打印可对设计想法的合理性进行快速 验证，最大化的实现创意和设计。通过3D打印技术 对模型进行初步打印，将二维图纸转化成现实三维实 物模型，为设计师提供直观的感受，同时也能发现结 构设计中较为薄弱和不合理环节。对结构问题进行针 对性分析，思考解决方案，高效解决设计问题，尽善 尽美。

2.2 新技术与旧工艺的相辅相成

“旧”指的是在家具作品中所运用最多最广的木， 木作为家具设计中的传统语言，已成为当今生活中不 可或缺的重要部分，它是大自然馈赠予人类的宝贵资 源，自然的产物诠释着独有的静谧之意； “新”，指的 是 3D 打印技术，因其能够解决多数传统制造所不能 解决的技术难题，为传统制造业的创新发展注入新鲜 动力而备受瞩目。将旧工艺的“传统性”与3D打印新 技术的“特殊性”有机融合，在家具设计中极大限度的 发挥各自特有的属性，以3D打印材料为媒介，将人 们心中的所思所想直接用这种新技术立体呈现，帮助 设计师在对家具产品的造型、结构设计过程中更准确 更直观地发现问题，充分考量传统工艺结合的合理 性，两者结合运用设计的产物将开启家具设计的新里 程，成为与时俱进的体现。

3 “新”与“旧”的结合应用

社会的快速发展，人们要求产品在满足物质功能 的同时，也应具有更高层次的精神文化功能，尤其是 个性化消费的需求。所谓“新”与“旧”的结合，本质上 就是利用3D打印技术的多形态、易成型、速度快、 周期短的优势，与传统木工工艺的细腻、精致、自 然的优势相融合，并且基于模块化的设计理念运用 于家具设计中，从而传达出中国古代本土元素与现 代技术碰撞出的美的火花，最终达到传承中国传统 文化的目的。

根据上述对 3D 打印技术的分析了解，以及 3D 打印技术与传统木工艺结合在家具设计中所产生的 意义和影响，笔者通过设计实践，来阐述3D打印技 术与传统木工艺结合对坐具创新设计的应用体会。创 新模块坐具设计见图1。

为了迎合当下消费者个性化的心理诉求，融入模 块化设计理念，对坐具的结构进行分解，以单个原件 的组合来体现产品设计的创新性及个性化，坐具模块 分解见图 2。

产品分为3个单元：通孔连接件1，角端连接件 2，实木木材 3，其中连接件属于枢纽环节，其结构 造型较为独特、精度要求也比较高。传统的制造方式， 产品的制造成本与其自身的形状的复杂程度成正比； 相反，3D打印技术采用的是增材制造，材料的无缝

隙叠层累积形成产品实物，更适合复杂结构的快速制 造，因此模块连接件运用3D打印技术实现复杂形体 的一次成型，大大缩短了生产周期，在较短的时间内 快速地将设计想法转变成为现实，模块连接件3D打 印流程示意见图3。

本设计产品中的模块连接件采用3D打印快速成 型技术中的FDM成型工艺进行成型打印，FDM成型 工艺一般打印材料有ABS，PLA, PC等，其中PLA 加工材料相对其他材料的力学性能和可降解性能都 较为优越，因而被广泛的应用于FDM成型工艺领域。 本次模型连接件采用 PLA 材料，并在此基础上，通 过对产品连接件制作中的3D打印机的温度、打印层 厚（精度）、打印填充度进行多次测试，最终确定3D 打印产品连接件的制作采用机器成型温度为210 ~ 220 °C,精度为0.1 mm，填充度设置在80%且采用蜂 窝技术结构时，产品连接件的强度最优，相比传统木 材做的连接件，加工工艺简单、成型速度快、结构性 能好及产品整体造型美观等优点，产品连接件3D打 印参数设置见图4。

以3D打印技术快速成型模块连接件和实木木材 作为基础，融入模块设计理念，使用者可以发挥自 己的想象力创造性地使用产品；根据受众喜好自由 组合以达到不同的使用功能，使产品在功能上得到 极大限度地扩展和延伸，产品也不会因为功能单一 而过早淘汰，从而延长产品的使用寿命，模块化装 配示意见图5。

通过上述设计案例可以看出，3D打印技术的出 现能将传统生产过程中难以共存或同时运用的材料 结合在一起，为设计开拓出一条崭新的创意道路， 就艺术设计和产品创新而言，3D打印技术的优势 以及促进作用十分明显，极大地扩展设计创新的空 间。予它的把握和应用无疑会推动设计新风的产生 与发展^［9］。

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图 4 产品连接件 3D 打印参数设置

Fig.4 Product connection piece 3D printing parameter setting

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模块组合II竖式

模块组合II横式

图 5 模块化装配示意

Fig.5 Schematic diagram of module assembly

4 结语

产品快速成型技术作为一种全新的综合性应用 技术，可以说是生产制造方式的一场重大变革，工业 生产驱逐手工艺代表了工业文明的伟大力量^［10］，但 是，新技术的诞生并不意味着对传统工艺的摒弃，不 论对待新技术还是传统工艺都应持以“取其精华，去 其糟粕”的理性态度，这是工业时代背景下对人性的 重视与回归。3D打印技术的优势与传统木工艺的有 机融合，将成为家具设计创新的突破口，引导家具产 品创新设计的新思路与新方法，帮助设计师准确把握 产品造型的设计细节要素，提高设计效率，这是对时

代发展、技术创新的一种适应和态度

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