3D打印家具的技术原理与发展趋势

刘碧瑶

东北林业大学，哈尔滨 150040

3D打印家具的技术原理与发展趋势

刘碧瑶

东北林业大学，哈尔滨 150040

工业级3D打印机功能的不断扩展，使3D打印技术与制造业之间的联系变得愈加紧密，在未来将会深刻影响家具的设计与发展。针对3D打印家具进行研究和探索，从打印过程、打印技术和材料等方面，对3D打印家具的技术原理进行总结。并从3D打印技术赋予家具的新特征的角度，来分析、讨论3D打印家具的创新之处和发展上的优势。同时，对3D打印家具发展的未来趋势做出预测，为探索3D打印技术在家具行业的发展提供建设性意见。

家具；3D打印技术；快速成型；新型制造；技术原理

一、引言

回顾家具生产制造的历史，家具产品的形态往往伴随着家具制造系统的发展而变化。

在工业时代到来之前，家具的手工特点非常明显，材料多为木质家具，通常依靠自身部件之间的连接或配合简单的胶合作用。

进入工业时代以后，伴随着高度的机械化、自动化和数控加工、大规模生产，家具更多地呈现了平面化、组装性等特点，家具材料也扩展出木质材料之外的金属、塑料等制品，家具对连接件的依赖大大增强，板式家具诞生。

而作为一种新的制造手段，3D打印技术的出现，则赋予了家具很多新的特点，把家具制造带入了一个智能的创造时代。

二、3D打印家具的技术原理

用3D打印技术来打印家具，是一种区别于传统减材或等材制造家具的制造技术，其本质是增材制造。其制造原理是在三维数据模型基础上，利用材料累加的原理，从无到有地制造家具实体。

1. 3D打印家具的制造过程

3D打印技术制造家具时，其制造过程一般分为以下几个步骤。

（1）用三维建模软件建立家具或家具零部件的虚拟三维数据模型。

（2）在三维数据模型的基础上打印三维空间实体。这个过程，需要使用满足尺寸精度和结构强度需求的工业级3D打印机，来保持连续的打印工作，制造出家具主体。

（3）前两个步骤完成之后，可增加家具的抛光、上色等后序处理，最终完成家具生产。整个过程，可以保证单件家具的一次性快速成型。

2. 3D打印家具打印实例

目前，已有的3D打印家具实例越来越多，包括桌椅类家具、坐卧类家具，以及部分储藏家具等。这些3D打印家具实例的出现，让我们看到了3D打印技术给家具设计与制造所带来的新工艺美[1]。

2004年，法国设计师帕特里克·乔安（Patrick Jouin）与比利时玛瑞斯公司的工业设计部（MGX by Materialise）合作打造的立体C2椅（Solid C2）（见图1）①，作为第一款用选择性激光烧结（SLS）技术制作的家具，被荷兰阿姆斯特丹市立博物馆（Stedelijk Museum Amsterdam）收藏。在2016年的米兰设计周上，中国广州美术学院和极致盛放公司合作打造的3D打印家具作品系列《梦蝶》、《闹蛾》等（见图2）②，则展示了中国3D打印家具的新进展。

图 1 立体C2椅（Solid C2）①

图 2 米兰设计周上中国3D打印家具作品系列②

3.具体打印技术及其打印材料

目前，主要的3D打印技术有以下几种：光固化（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、熔融沉积制造（FDM）以及三维打印（3GP）等。

用于家具制造的打印技术，以光固化（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、熔融沉积制造（FDM）为主。这4种技术打印出的家具，分别有各自的特点[2]。

（1）光固化（SLA）打印家具的特点。表面光滑，质感好；可用的打印材料多以液体的光敏树脂为主；成型后易发生形变；成本较高。

（2）选择性激光烧结（SLS）打印家具的特点。表面有磨砂感；承重好，韧性较强；造型实现程度好；可用的打印材料为多种固体粉末，如金属、陶瓷等；成本高。

（3）选择性激光熔化（SLM）打印家具的特点。金属质感；承重好，结构强度高；可用的打印材料为金属混合粉末；成本非常高。

（4）熔融沉积制造（FDM）打印家具的特点。表面呈线圈质感，较粗糙；结构强度低；成型后易变形；可用的打印材料多为固体卷材，如PVC工程塑料、金属丝等；成本低。

从打印效果来看，比较理想的技术是选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）。

选择性激光烧结（SLS）技术，其技术原理是根据熔点不同，采用激光来有选择性地分层烧结固体粉末，使特定熔点的粉末烧结成固化层，最终以层层叠加的方式塑造最终形体。这一打印技术可用于打印高分子、金属、陶瓷、石膏、尼龙等多种粉末材料。

选择性激光熔化（SLM）技术，是指选择性激光熔化，其实质是在选择性激光烧结（SLS）技术上的一种优化，使用的材料多为不同金属组成的混合物，不需要黏结剂，成型的精度和力学性能，比选择性激光烧结（SLS）好。

目前，市面上可用来打印家具的打印材料越来越多，有金属、工程塑料、木塑、陶瓷、石膏、尼龙等。其中，在综合性能上比较有优势的打印材料，是工程塑料和金属。

随着打印技术的发展，木塑、陶瓷等材料也会在未来大放异彩。作为最新的研究成果，弹性材料的应用，更是会弥补现在家具材料的空白。

三、3D打印家具的特征和优势

3D打印技术的发展，使计算机辅助技术对家具制造的推动作用，从虚拟世界发展到现实世界，从家具的设计过程发展到家具的制造过程。

3D打印家具充分运用了计算机辅助技术的运算和生成能力，在材料、结构、形态上也有了更多的扩展性。

1. 3D打印家具的特征

站在技术创新角度，3D打印技术打印出的家具具有以下明显的特征。

（1）3D打印家具具有免组装、一体成型的特征。目前在家具的大规模生产线系统中，从模具到零件，再从零件到产品有着复杂的工序，需要多个生产线来完成整个制造流程，整个过程中需要一定的加工数量才能满足成本需求。家具零部件和连接件之间通常呈现明显的组装性特征。

而3D打印家具的整个制造过程，是从无到有地制造家具实体。对三维数据模型的完整、连续复制，可以使每单件家具的生产，都可以实现免组装、一体成型。

切除宫颈组织完整,宫颈切缘肉眼观察无病灶,石蜡切片检查切缘无残存病灶。手术时间30~50min,平均时间为25.5±3.4min;出血量10~80ml,平均20.8±13.5m L;住院时间平均2.8±1.5天,术后发热2例。子宫颈锥形切除术后与术前阴道镜病理结果诊断完全相符者29例,不符合31例。宫颈锥切术后病理检查阴道镜下多点活检程度重15例,CIN III 10例(术前诊断为CIN II 3例,CIN I 7例),CIN II 5例,术前诊断为CIN I;程度较轻16例。

这种生产工艺，使家具制造从研发到生产的流程大大缩短，同时降低了成本，满足了人们各个层面不同的需求。

另外，对家具连接部位或连接件的一体成型制造，还有增强结构强度的作用。在建立虚拟三维数据模型阶段，通过对家具的连接部位或特殊连接件的结构设计，来减少或省去连接件，使连接部位的结构变得更加简单明了，并且增强连接强度（见图3、图4）。

图3 家具特殊部位可简化连接结构之一③

图4 家具特殊部位可简化连接结构之二④

在生产需要活动连接（如旋转开合、抽拉等）的家具时，通过对连接部位阴阳面的设计，也可以实现去连接工件的目的（见图5、图6）。

图5 打印活动连接工件示意（旋转开合）⑤

图6 打印活动连接工件示意（抽拉）⑤

（2）3D打印家具具有骨骼化、多孔、夹层、蜂窝结构等框架结构特征。在创建虚拟三维模型阶段，结构设计师可以通过多边形拓扑或建立网格结构等手段，创建带有明显框架结构的模型外观。这些结构可以使打印对象“空心化”，达到大体积、轻重量的目的，使打印出的家具具有骨骼化、多孔、夹层、蜂窝结构等特征（见图7）。

图7 3D打印家具的蜂窝结构造型和弹性触感⑥

这种特征，能够在同等厚度下明显减轻家具的重量，同时节省材料，对打印过程本身和运输过程都有很大的好处。对特殊承重部位的骨骼设计，可以增强家具的结构强度。

另外，由点、线组成的部分材料的家具的表面，也可以获得特殊的弹性性能，使之拥有更舒适的触觉感受。

（3）3D打印家具具有曲线化、柔性化的特征。3D打印技术在制造家具时，根据三维模型数据在立体空间内直接打印家具材料，其打印的过程是由点成线、由线成体一步步塑造实体家具。

对每个点的细节把握，使3D打印家具在造型的弯曲度和灵活性上，远远优于减材或等材技术塑造的家具。

这种在三维空间上点的精确度的提高，使3D打印家具能够拥有更复杂的外观造型，具有曲线化、柔性化的特征（见图 8、图9）。

图8 3D打印家具的曲线外观之一⑦

图9 3D打印家具的曲线外观之二②

这种特征对家具有以下好处：使家具更符合人体工程学的要求，尤其是坐卧类家具，能更好地提高舒适度；赋予家具更高的艺术性和联想空间；更易于模仿自然，获得仿生性外观或结构。

2. 3D打印家具的优势

（1）3D打印家具具有使用同种打印设备制造不同材料的优势。

一般来说，根据家具材料的不同，目前家具制造工艺之间的区别是很大的。但是，3D打印技术打印家具时，某些3D打印设备可以兼具打印多种打印材料。

因此，同一件家具或家具零件的虚拟三维数据模型，可以打印出多种材料不同的家具，使得同一款家具能够具有丰富多样的颜色和质感等。

在未来，家具材料上的多样性，会随着更多新材料的发明体现得更加明显。这种优势将会给消费者提供更多的材料选择权，从而更好地满足消费者的特殊定制需求。

（2）3D打印家具具有可替换性、可循环使用的优势。

在自然资源越来越匮乏的时代，家具的环保性和可再生性，是生产者和消费者共同关注的重要指标。

目前，市场上的家具，普遍存在着磨损后难以修复以及旧家具难以回收利用的困境。而3D打印技术可以从技术和材料两方面，使家具的回收利用环节变得轻松。

其一，3D打印家具可替换性的表现主要在以下两个方面：一是3D打印家具的设计生产者可以选择建立分离式家具零部件的三维模型数据，以便于磨损零部件的替换。

二是由于桌面级3D打印机的推广，使用家具的消费者也可以根据家具的三维模型数据或在家具生产者的指导下，打印出家具的某个部件，替换掉已经磨损或者坏掉的家具部件。

这种贯穿生产者和消费者的多渠道的修复，使家具的寿命变得更加长久，修复过程也更加高效。

其二，3D打印家具可循环使用主要体现在以下两个方面：由于3D打印材料多为人工复合材料，一是再加工回收利用的难度较小，对废弃家具的重塑比较容易。

二是家具材料本身就可能是其他材料回收再利用的产物，因此这种循环利用的利用率，远高于现有的木制家具或木质材料合成家具等天然材料。

3D打印家具的这种优势，可以更好地降低资源消耗，减少对环境的破坏。

四、3D打印家具的发展趋势

虽然目前碍于3D打印设备和材料的成本偏高，家具制造业应用这一技术的实例还不多，但是必须看到，3D打印技术在材料、结构、形态上，都使家具产品本身正在发生深刻的变革，我们有理由相信家具的3D打印时代正在到来[3]。

3D打印家具的未来发展，是一个不断壮大的过程。目前以及未来的数年内，在打印设备和材料高成本的压力下，3D打印家具将以定制化的艺术家具为短期主流。

但是，随着打印设备和技术的不断成熟，以及材料成本的逐渐下降，在更长期的时间之后，3D打印家具将会形成批量化定制的潮流，逐渐发展成为完整的产业链，推动未来家具的新发展，使未来家具呈现完全不同的新面貌[4]。

当然，我们看到3D打印技术为家具制造带来新的机遇的同时，也应该看到这一“智”造技术给家具设计了带来的新的挑战。

也就是说，家具设计将由设计师和企业垄断的自上而下的家具设计模式，向大众设计的自下而上的模式转变[5]。

这种转变的好处，是可以利用全民智慧刺激家具创意的出现。不过，如果运用不当的话，则又会产生资源的浪费。

另外，3D打印家具的设计版权问题，也会逐渐突出。这些问题都需要在不断的探索中去寻找对策。

注释

① 图1来源：佚名．自由编织的丝带：Solid C2椅[EB/OL].（2007-03-30）[2016-09-13].http:// cn.sonhoo.com/info/154721.html.

② 图2、图9来源：佚名．极致盛放：3D打印家具《梦蝶》《闹蛾》米兰首秀[EB/OL].（2016-04-13）[2016-09-13].http://mt.sohu.com/20160413/ n444066559.shtml.

③ 图3来源：佚名．3D打印连接器Keystones让消费者DIY家具[EB/OL].（2014-07-23）[2016-09-13]. http://bbs.uggd.com/thread-660183-1-1.html.

④ 图4来源：佚名.Peg/Tomas Rojcik：结合3D打印技术到传统家具中的椅灯组合[EB/OL].（2012-06-01）[2016-09-13].http://www.gooood.hk/_ d274389100.htm.

⑤图5、图6来源：作者自绘.

⑥ 图7来源：佚名.3D打印家具技术，或推定制家具时代到来[EB/OL].（2016-06-27）[2016-09-13]. http://www.9juren.com/news/5/21059.html.

⑦ 图8来源：佚名.3D打印家具或在将来成为主流[EB/OL].（2016-06-27）[2016-09-13].http:// mt.sohu.com/20160627/n456521900.shtml.

[1] 王雪莹．3D打印技术与产业的发展及前景分析[J].中国高新技术企业，2012（26）：3-5．

[2] 王蕾．3D打印技术与家具设计智能创新[J].家具与室内装饰，2016（1）：60-62．

[3] 王忠宏，李扬帆，张曼茵．中国3D打印产业的现状及发展思路[J]．经济纵横，2013（1）：90-93．

[4] 卢秉恒，李涤尘．增材制造(3D 打印)技术发展[J].机械制造与自动化，2013（4）：1-4．

[5] 许柏鸣．未来中国家具制造业的格局与形态[J].家具与室内装饰，2016（1）：16-19．

（责任编辑 孙玉萍）

Technical Principle and Development Trend of 3D Printing Furniture

LIU Biyao 邸贵玉 DI Guiyu

（Northeast Forestry University，150040 Harbin）

With extension of functions of the industrial 3D printers, the connection between 3D printing technology and manufacturing industry is becoming increasingly close, which will certainly have a profound impact on the furniture design and manufacturing in the future. Based on the research and exploration of3D printing furniture, this paper summarizes technology principle of 3D printing furniture, in such aspects as the 3D printing process, 3D printing technology and materials. In addition, from the aspect of new features of furniture due to 3D printing technology, this paper also analyzes and discusses the innovation and development advantages of 3D printing furniture. At last, it makes predictions about the development trend of 3D printing technology in the furniture industry thus offering constructive suggestions about the development trend of 3D printing furniture.

furniture；3D printing；rapid prototyping technology（RPT）；new manufacturing process；Technical principle

J525.3

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.06.021（0116-06）

2016-09-21

刘碧瑶，东北林业大学材料科学与工程学院硕士生；邸贵玉，东北林业大学材料科学与工程学院副教授。