3D打印在家具中的应用——以尤里斯·拉尔曼（Joris Laarman）作品为例

汪明镜（江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116）

21世纪随着科技的进步以及社会信息化时代的全速发展，3D打印的产品也逐渐步入了我们的生活，越来越多的设计者利用3D打印技术实现了更多的创新产品，让虚拟3D效果图迅速变成具体的实物，缩短了产品的设计周期，节约了设计成本，是革命性的创新，可以说3D打印技术是未来设计的一种新的趋势。本文分析了目前3D打印设计师、发明家、艺术家和先驱之一尤里斯·拉尔曼（Joris Laarman）的作品，从3D打印的技术、材料、制作过程、制作方法等方面去分析这些成功的3D打印家具案例，同时对3D打印家具的优缺点进行全面的分析，给现代家具领域的相关研究者、工作者提供意见以及展望未来家具行业的发展方向。

一、1.3D打印的概念

3D打印技术最早出现在20世纪90年代中期，3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称“增材制造” ，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。简单地来说，3D打印机与普通打印机工作原理基本类似，但3D打印的耗材更加丰富，与电脑连接后，通过层层叠加打印方式，把立体的造型直接打印出来，这是一场工业变革。3D打印技术能够打印出复杂的产品造型，并且复制复杂产品，批量化生产制造，减少人工、减少产品的制作周期。

二、3D打印的理论背景

目前3D打印技术主要有以下几种熔融沉积式 （FDM）、电子束自由成形制造（EBF）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化成型（EBM）、选择性激光熔化成型（SLM）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光烧结（SLS）、石膏3D打印 （PP）、分层实体制造（LOM）、立体平板印刷（SLA）、数字光处理 （DLP）等。根据打印原材料的种类以及原理，常用于家具的主要有FDM、SLS、SLA三种。

第一，FDM（Fused Deposition Modeling）是一种将各种热熔性的丝状材料，如ABS或PLA等材料。打印时首先用犀牛等软件建构出物体的3D模型，然后将模型转换到FDM装置，FDM装置会根据所设置图形，首先将材料高温加热融化后的材料通过挤压喷出喷嘴后，随即与工作台层面熔结在一起完成一个平面层图形，当第一个层面完成后，工作台下降一个层的厚度，再继续反复操作上述步骤，直到完成整个作品。

第二，SLS（Selective Laser Sintering选择性激光烧结技术）是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功的，SLS是使用粉末状材料成形的技术。首先在工作台表面铺洒一层粉末并抹平，用激光对刚铺上的粉末区域进行扫描，使其融化并粘接，随后重复上述步骤，让上层新熔化的截面与下层截面相融合，按照各层轮廓粘结，直至完成整个作品。

第三，SLA（Stereo Lithigraphy Apparatus）是世界上最早出现并应用到商业中的一种快速成形技术，SLA是利用液态光敏树脂的光固化原理，在紫外激光的照射下，快速固化，第一层平面成型后降低工作台高度，重复上述流程，通过层层叠加后构建成三维实体，是比较成熟的三维打印技术，相比FDM方式的成品表面更光滑、质感更好。

FDM（熔融沉积） SLS（选择性激光烧结） SLA（光固化）原理images/BZ_33_519_2569_808_2855.pngimages/BZ_33_1207_2576_1530_2849.pngimages/BZ_33_1806_2571_2201_2854.png材料 ABS、PVC工程塑料、金属丝、及其复合材料等 金属粉、陶瓷粉末、高分子粉末材料、石膏粉末、尼龙粉末等光敏树脂优点成本低，操作简单，性价比高、原材料以卷轴丝形式为主易于搬运和快速变更、材料利用率高、对工作环境要求较低等打印精度高、高强度和刚度、良好的耐化学性、耐用性强、各种精加工的可能性、可以构建具有内部部件、通道复杂部件，并且可以直接打印金属材料制品最早出现较成熟、加工速度快、无需切削工具与模具、成型精度高、表面质量好、加工速度快、生产周期短缺点成品较粗糙、成型后易变形、成型速度较慢，不适合构建大型零件、喷头容易堵塞等部件有多孔表面，较粗糙。使用大功率激光器，制造和后期维护成本较高。另外需要比较复杂的辅助工艺液态树脂具有毒性、后期处理较复杂、对工作环境要求苛刻、不利于长时间保存、操作系统复杂入门难且价格高昂

三、尤里斯·拉尔曼的3D作品案例细分

尤里斯·拉尔曼（Joris Laarman）是3D打印的设计师、艺术家、先驱之一，2004年在荷兰阿姆斯特丹创办了Joris Laarman Lab工作室，主要研究和实验如何让艺术、科学、技术和未来设计相融合，作品先后被MOMA、V&A、蓬皮杜中心和荷兰阿姆斯特丹国立博物馆等地收藏。本章节按照尤里斯·拉尔曼（Joris Laarman）设计作品的时间顺序，选取代表作从作品的设计原理、制作过程、使用材料等方面来进行分析。

名称(时间） 照片制作过程 制作方法与材料1. Arm Chair（2007）images/BZ_34_544_547_1041_935.pngimages/BZ_34_1243_547_1835_939.png3D打印、金属大理石粉+树脂2.Bits & Parts(2014)images/BZ_34_605_963_980_1398.pngimages/BZ_34_1208_992_1870_1327.png小型3D打印、CNC木材、ABS塑料、金属3. Digital Matter(2011)images/BZ_34_502_1416_1082_1752.pngimages/BZ_34_1214_1446_1862_1723.png3D打印、MX3D金属4. Dragon(2014)images/BZ_34_417_1772_1167_2088.pngimages/BZ_34_1318_1777_1764_2078.png3D打印、MX3D铝5. Aluminum Gradient Chair(2014)images/BZ_34_539_2113_1045_2619.pngimages/BZ_34_1233_2114_1844_2623.png3D打印、SLS聚氨酯铝合金6. Vortex (2014)images/BZ_34_517_2645_1067_3149.pngimages/BZ_34_1204_2698_1874_3118.png压力模系统（Pressure Mold system）铝

1.Arm Chair（2007）的设计是模仿生物骨骼，去掉不需要的多余部分，留下受力的骨头部分，用3D打印进行复杂的模具成型，然后把陶瓷杯碾碎成粉后与树脂进行混合，然后灌入模型中，本以为会做出类似陶瓷的亮面材料，但与预期效果相差甚远。后来尤里斯·拉尔曼把大理石粉同树脂混合后灌入磨具，脱模后达到了类似陶瓷般漂亮的质感，最终Arm Chair的成品使用3D打印出了91个零件组成的模具，在灌入大理石粉加树脂后脱模做成。在随后的几年，尤里斯·拉尔曼的工作室又和欧宝的汽车工程师合作，把一种新型的结构优化算法——双向渐进结构优化法（BESO）应用到座椅上，通过结构计算，去除原始形体中不受力、多余的材料，同时在受力最大的地方减少增加材料，从而达到用材少、受力最优的状态，随后在此基础上变换不同材料设计出了很多骨骼椅系列作品。

2.Bits & Parts （2014）是一个开放性的椅子制作项目，每把椅子由202块3D打印部件相结合，设计师邀请了世界各地的参与者来参与此项目，参与者可以根据自己的喜好选择不同颜色、材料等，打印后拼装组装一款属于自己的椅子。这个项目的目的是将设计形体分解成很多小拼图一样的单元，用小型的3D打印机或者CNC来完成这个项目，实现方便且快捷的家具制造。

3.Digital Matter （2011）是受亚特兰大高等艺术博物馆的委托开发的一款动态装置设计，该装置基于3D技术之上展示了未来的设计方向。设计原理：同乐高（Lego）类似的物理分子构建基块，像细胞一样组合组织，形成具有可定制特性的材料，材料将不再是静态的而是像细胞一样可以自由结合组织，让物体可以一次又一次的重组。这样的安装方式有助于我们开发出一种实用、多功能、低成本、可以随时随地组装的未来家具。

4.Dragon （2014）是由MX3D 3D打印机创作的，MX3D实际上是一部结合了6轴3D打印技术和现金焊接工作的工业机器人，它能够突破传统3D打印机的限制，无需支撑结构，实现在半空中悬空打印钢、钛、青铜、铜等金属材料。Dragon就是由MX3D熔融金属后在空中打印双曲的作品之一。

5.Aluminum Gradient Chair （2014） 是“Microstructures”系列的第二件作品，只由小正方体的网络单元构成，在结构受力大的地方实体程度更高，结构受力小的地方则正方体内部更空，类似骨骼椅的原理，最终通过铝粉三维打印各个部分后，在焊接到一起的方式完成此作品。

6.Vortex （2014）灵感来自于密歇根大学的Mark J. Stock对计算旋涡方法的研究。通过这种计算方法做出来的模型虽然表面看起来很混乱，但是做出的成品形态非常美丽，具有极强的视觉装饰效果。根据设计主题所需要的复杂结构，设计师在电脑中经过高度计算性的代码字编排了数万亿次的计算以后，打印出模型，再按照数字蓝图进行组装，组装后，要通过压膜系统把铝板根据模型形状进行挤压定性，最终形成作品。

结语

目前3D打印技术还存在以下几个问题：①材料、机器、系统等价格问题让普通消费者难以接受，高昂的价格也成为了局限3D打印技术推广的主要原因；②3D打印技术自身工艺还不是很完善，打印出成品后需要后期组装打磨，浪费人力物力；③3D打印速度慢，无法大规模批量生产；④数字化的数据容易被盗取，普通消费者得到数据后可以无限传播复制，造成知识产权难以维护；⑤需要大量的研究经费和相关资金。但不可否认，我们通过分析尤里斯·拉尔曼（Joris Laarman）的作品可以看出3D打印技术在国外的家具设计中已经取得了显著的成绩，3D打印的优势可以给家具设计和制造带来颠覆性的改变，作为一项新技术在研发和推广期是会有一定的局限性。只要以上问题得以解决，3D打印家具的市场将被打开。现代年轻人追求潮流，喜欢个性，而3D打印技术具有设计感、未来感和科技感，正好满足当代年轻人的需求，所以未来3D打印家具将是一个热度极高的行业。