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3D打印技术在家具设计中应用

2021-07-14 17:14 来源:家具设计论文 人参与在线咨询

摘要:3D打印技术与传统的木家具“减材制造”有着本质的区别,其为苏作家具设计带来了前所未有的技术优势,尤其让家具的前期设计环节更加灵活,其承担了更多的核心研发责任。3D打印技术应用于苏作家具设计研究以苏作家具为着眼点,对3D打印的技术原理与工艺特性做简要阐述,以普适性的设计流程为主线,探讨3D打印技术在苏作家具设计开发过程中的应用,以及由此带来的环节优势,并总结一套理论框架为设计实践提供参考。

关键词:3D打印;苏作家具;设计研发

一、3D打印的技术原理与工艺特性

(一)3D打印的技术原理

3D打印(3DPrinting)属于增材制造技术(AdditiveManufacturing,AM),其生成原理为首先将目标产品的三维模型离散,然后使用特定设备的再涂层技术,将离散的三维模型分层堆积最终完成实体打印[1]。3D打印技术相比于传统制造技术有较多优势,例如制造过程不需要模具或复杂的刀具,能够高效且相对低成本地生成复杂的三维形状或多层结构,原材料浪费较少,能够灵活生产中小批量或定制产品,产品成本控制和可预测性较高等优势[2]。随着3D打印材料和技术方法的不断革新,3D打印技术中的细分技术领域逐渐完善,3D打印产品在生物相容性、机械性能、耐候性、视觉效果等方面有了质的飞跃,也正因此在各行各业得到了广泛的应用。

(二)常用于家具的3D打印技术特性

3D打印的技术细分广泛,核心的3D打印技术包含熔融沉积成型(FDM)、光固化成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)等三种。在家居领域经常应用的3D打印技术主要有打印技术有熔融沉积(FDM)、选择性激光烧结(SLA)、墨料直写成型(DIW)、分层实体制造(LOM)及喷墨打印成型,其打印方法及其主要特征如表1。其中FDM相比较于其他3D打印技术,其尺寸精度和分辨率最低,但因其技术成熟、成本低廉、交货期短等优势,作为原型打印机广泛应用于各行各业。SLS工艺生产物件的机械性能良好,可打印功能零件和原型,打印过程不需要任何支撑结构,对复杂的空间几何形状有良好的打印效能,因此SLS相比较于其他3D打印技术更适合家具的中小批量生产场景。

二、3D打印技术在苏作家具设计中的应用

“苏作家具”指江南地区生产制作的硬木家具,保持和继承上述做法和式样的家具均属于苏作家具的概念范畴[3],例如海派家具,新中式家具等,而不局限于某个特定的历史时期。3D打印技术在苏作家具设计中的应用场景较为广泛,从制造上划分主要应用场景包括整体家具、家具零部件、家具表面装饰等三部分;从苏作家具的设计研发流程划分主要应用场景包括苏作家具的研究阶段、创意设计阶段、生产制造阶段等三个阶段。3D打印技术的实际应用环节受苏作家具的特殊性和3D打印技术的可行性和技术限制、成本和制造需求等因素的限制,同时也为具体应用环节的特殊需求带来了新的解决方案。下面以苏作家具的研发流程为主线对3D打印技术在苏作家具设计中的应用作以阐述。

(一)研究阶段的应用

1.对文献的立体复原苏作家具最早出现于宋元时期,其分水岭在于苏作家具多使用硬木而有别于隋唐时期的漆木家具,该时期的苏作家具实物很难考证,研究工作主要从书籍和绘画中展开[4]。明清时期出现了宫廷苏作、民间苏作、广式苏作等多种苏作家具的分支,而各分支的工艺、纹样、形制、式样等又形成了庞大的信息系统,历史流传至今的苏作家具分散在世界各地,少量的实物和大量的文献资料对苏作家具的设计研究者来说是一种挑战。传统的复原工作受执行者经验和技艺水平影响明显,而使用3D打印技术结合三维软件建模技术,能够将文献资料高效地转化成实物模型,经过表面后处理工艺便可直接用于展示、研究、教学等需求。2.对文物的维护与修复苏作家具的修复难度主要体现在材料的珍贵与工艺的繁杂,对修复人的技术水平要求高,例如苏作家具中的雕刻纹样常使用的镶嵌材料多为玉石、象牙、螺钿等,传统的匹配修复方法难度极高[5],而对苏作家具的名贵硬木残缺部分的木料匹配和木纹修复则更加考验修复人的经验和水平[6]。使用3D打印技术配合3D实体扫描、表面后处理工艺等技术则能够代替寻料、测量、技艺还原等障碍进行实体复原,为苏作家具文物保护和修复工作带来了极大的便利。

(二)创意阶段的应用

1.创意设计与细节推敲现代的苏作家具创意设计阶段与普适性的设计流程类似,均需要经历“方案草图设计-方案三维建模-产品打样”等主要的设计验证步骤,而对于追求设计美学和产品功能和谐统一的苏作家具的设计而言还存在特殊性需求,例如苏作家具中存在大量细而三维的空间曲线,诸如圈椅的扶手,案几的罗锅帐等,在三维模型中推敲其空间走向亦不够直观。将3D打印样件的环节穿插于方案三维建模和产品打样之间,有效地缓解了建模阶段空间曲线不清晰,以及打样解决问题聚集等的矛盾。图1项目为作者参与的一款新中式苏作家具方案设计过程,其扶手转折处的三维曲线在经过FDM技术打印成实体后,与打样师傅讨论实木加工的可行性,并得到了较好的细化和修正。2.整套家具的比例尺度和视觉效果推敲苏作家具设计中一般包括整套家具的情况,例如茶室家具套件,书房家具套件,客厅家具套件等,而套件搭配在一起比例是否和谐,设计语义是否统一等问题,在实体模型中更能够获得直观的判断。3D打印技术可将家具三维设计模型等比例缩小,并通过控制精度使打印物件保留一定的设计细节,而传统的木材加工或其它减材制造方法则在工艺和时间上很难实现(如图2)。3.满足3D打印技术优势的新设计思路3D打印技术以能够直接生成复杂的空间几何形体、免去模具或组装等传统工艺过程而为苏作家具的设计思路上提供了新的可能。例如苏作家具的结子雕饰,可以使用3D打印技术加工部件,在满足支撑和人机工学等结构和功能需求的前提下,丰富结子的三维空间形态,而传统的雕刻技艺受材料和雕刻技艺的限制很难实现套叠或悬空的效果。

(三)制造阶段的应用

20世纪80年代以来,我国的家具行业制造模式从传统手工作坊模式演化到工业化大批量生产模式[7],90年代后小批量生产模式开始流行,大规模定制模式亦开始推广,传统的苏作家具行业受新的市场需求刺激,向3D打印等新技术寻求支持。1.整体苏作家具或结构件打印受地域特征等原因的影响,苏作家具本身具有利用复杂工艺节省用料的传统,例如使用包镶等工艺掩盖杂木内部的杂木骨架,使用名贵的硬木薄板做表面装饰。而时下整体家具产业面临着原材料供应紧张的问题,处于林业产业链下游的家具行业,对木料的高效利用是“生态产业”的重要一环[8],苏作家具的生产同样面临着可持续发展的问题。3D打印技术能够使用热塑性材料代替木料进行具有苏作家具风格的低成本家具的生产,从而大大减少了木料的使用,更提升了生产效率。与此同时,由于苏作家具有漆饰穿带的传统,因此挑选适合对应木料的机械性能的材料,便可使用3D打印出的物件替代穿带内的杂木,应用于中高端的苏作家具的生产环节。2.家具零部件打印用于装饰的苏作家具零部件主要包括五金件和镶嵌装饰,使用3D打印技术能够满足小批量或定制化的五金件生产,一些柜门锁环等相对复杂的五金件更可以使用3D打印技术直接生成,免去了制造上组装加固环节,同时也为免去了五金件的设计的限制。3.表面装饰处理苏作家具强调利用木本身的纹理作为家具的天然装饰,而大批量生产和硬木原材料紧缺的矛盾催生出了利用3D打印技术实现模仿硬木纹理的表面处理手段,例如使用喷墨打印(IJP)技术可用于模仿彩绘、螺钿等传统装饰工艺[9],还可以模仿浅浮雕等起伏较薄的雕刻工艺,以及满足红木的木纹、木色等纹理和色彩的需求。3D打印表面装饰技术在保持成品装饰性能的同时,让苏作家具的天然材料装饰技术和成本门槛降低,同时也提高了普通木料商业附加值[10]。

三、结语

3D打印技术在苏作家具设计的研究阶段、创意设计阶段和生产制造阶段的应用前景广阔,为推动苏作家具领域向智能制造方向发展提供了动力。在实际应用中会受多种因素的影响,这其中不乏包括具体3D打印技术的工艺特征和工艺限制,生产时间和成本的控制,设计师创意经验,表面后处理工艺限制,拆装和运输等商品诉求等。这就要求设计师对各种生产工艺有广泛的了解,如工艺的优缺点、可制造的几何形状和相关的生产成本等。随着3D打印技术的不断革新,其在成本控制、生产效能、表面精度、表面装饰性等方面会有更优越的表现,届时将会为苏作家具领域提供更多的科技赋能。

作者:邱春来 衡小东 单位:苏州工艺美术职业技术学院

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