浅谈3D打印技术在家具产品设计中的应用

摘  要：以3D打印技术在家具产品设计中的应用为切入点，采用分析法，对3D打印技术在家具领域的适用性展开探讨，梳理和总结当前3D打印技术在家具设计和生产制造流程中有效、可行的技术路径，探讨未来3D打印技术在家具领域的应用趋势，以期为新技术背景下家具产品的设计创新提供更多的思路。

关键词：3D打印技术;家具产品设计;产品定制化;个性化;可持续性设计

3D打印技术作为一种融合了电脑技术与材料科技的新技术最早出现于20世纪80年代中期，它在工作原理上与人们熟悉的普通打印机类似，其内部具有以液态或固态（粉末）等作为“打印成型材料”的耗材，通过与计算机终端相连接，将数字化三维模型方案用层叠累加的“材料打印”方式，以三维实体状态呈现出来，这种技术称为3D打印技术。

如今的3D打印技术应用领域已由最初的产品设计与模具加工制造等领域逐渐拓展到土木工程、建筑设计、工业设计、家具、珠宝、服饰鞋帽、汽车制造、医疗、航天、教育、军事等各个领域。

从历史发展的经验看，每一种新技术的出现必然会对原有的产业起到推动的作用，就与人们生活息息相关的家具产业而言，家具产品的设计生产也必然会受到新技术、新材料、新理念的直接影响。传统家具产品的研发、生产方式与当前的3D打印技术亟待有效结合，以期将3D打印技术的优势，如设计可变性、个性化、轻量化、高精度、电子元件融合、快速成型等应用到家具产品的设计和生产实践中来。

一、3D打印的实现路径与家具产品设计

3D打印技术是一种快速成型的技术，又称增材制造。1984年，美国发明家查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明了SLA 3D（立体光固化）打印技术，并将它称作立体平版印刷，3D打印技术也由此诞生。伴随着科技的发展和新型材料研发的不断突破，当前的3D打印技术已发展出多种不同的技术实现路径。它们的相同之处在于都是基于电脑三维设计软件制作的三维数字化模型，并且采用增材制造的快速成型技术创建三维实体。不同之处在于采用的材料性质不同，层构建创建实体的技术路径不同。

（一）3D打印技术及材料在家具设计中的适用性分析

3D打印技术作为一种增材制造的快速成型技术，在家具产品的设计和生产过程中有其独特的优势，有多种打印技术及材料可在家具产品的设计与生产环节中进行选择。目前3D打印技术按照加工工艺和材料介质的分类可以分出几十种。市场上比较常见的3D打印技术主要有FDM（熔融沉积）、SLA（立体光固化）、SLS（选择性激光烧结）、3DP（3D喷射打印）、PUG（真空注型）等。

FDM（熔融沉积）是采用热熔喷头将半流动性的热塑材料按数字三维模型的分层数据路径挤出并沉积到指定位置凝固成型的一种技术。此技术的应用门槛不高，因此也是目前在家具新设计制造领域应用最多的一种技术。其主要应用于家具产品设计的模型验证阶段和一些特殊部件的小批量定制，经过此阶段后新产品还将以传统的家具生产设备进行正式的量产。

SLA（立体光固化）是以特定波长和强度的激光聚焦在光固化材料的表面，使其以由点到线、由线到面的顺序凝固一层，通过升降设备的不断上移逐层实现打印固化成型三维实体的技术。其优点是成型精度、机械强度高，加工迅速、生产周期短。缺点是设备昂贵，使用和维护成本高，成型材料单一，主要以树脂类为主。目前其主要应用领域在生物医学方面。

SLS（选择性激光烧结）是采用红外激光器作能源，利用计算机控制激光束对粉末材料的薄层，以一定的速度和能量按不同层面的二维数据进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧結，全部烧结完后去掉多余的粉末就可以得到需要的产品实体。目前使用的材料有蜡粉末、塑料粉末、陶瓷粉末、金属粉末等。其技术优势在于材料种类多，打印过程无浪费（未烧结粉末可重复利用），生产周期短，成型与零件复杂度无关，无需后期修饰加工可直接生产产品。缺点是设备成本高，成型过程耗能较大。其可用于家具生产中对于塑料、陶瓷、金属家具及部件的设计和生产。

3DP（3D喷射打印）该工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后期处理，因此，此技术暂未见应用于家具领域。

PUG（真空注型）是采用3D打印模型，然后用真空浇注做模具，再以模具做快速的注塑，进行产品批量化生产。此技术适合ABS、聚乙烯等塑料类型的家具产品的设计研发，可有效缩短研发周期，降低生产成本。

（二）3D打印技术在家具产品设计与生产中的作用

传统的家具产品设计研发是依据严谨的设计流程，要经过从概念或问题出发，到设计论证、测试、反馈、修正的较长过程。设计研发阶段的前、中、后期全过程都难免会出现各种问题，需要反复地对设计方案进行修改优化。因此，家具产品设计研发的时间周期会比较长，特别是在设计的中期，产品需要在实体制作（或比例模型制作）阶段对家具产品的造型、功能、材料选择与搭配、结构形式与人机工学效应的合理性、五金连接紧固件等多方面进行观察与相关的测试。而无论是比例模型的制作，还是等量实体的制作、测试都需要耗费大量的时间和经费，而在制作的模型精度上还往往不易达到量产家具的预期效果。因此，如果能够将3D打印技术引入到家具产品的设计研发中，无疑将有效优化这一流程。

首先，3D打印家具可以有效节约家具产品的设计研发时间。3D打印设备可实现家具产品的快速原型制造，既可以一体成型（需大型3D打印设备支持），也可以进行结构部件的单体打印成型后再进行整体的组装，大大减少了传统家具产品设计研发、试制测试阶段中实体（或比例模型）制作中的各工种衔接、工序、加工设备、材料缺陷等环节可能出现的问题，同时也将降低中小型家具生产企业的产品研发成本。对于服务于整体家具产业的下游配件企业而言，3D打印技术的应用同样也能够给家具五金配件、装饰件等新产品的研发带来极大的效率。

其次，3D打印技术也可以应用于家具的生产制造阶段。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设备和工艺的发展而变化。在工业革命之前，家具以手工制作，材料多为木质，结构上依靠自身部件之间的连接配合或辅以胶合。工业革命以后，伴随着机械化、自动化和数控加工的应用，规模化和标准化的家具更多地呈现出平面化、模块化等特点。材料方面除木质材料之外，金属、塑料等制品在家具中大量出现。板式家具的出现使得非木制的连接件需求大增，而作为新的制造技术，3D打印可以把各种不同的家具材料结合在一起，进行“整合制造”。另外，个性化的高端定制类家具将是未来家具产品的一种发展趋势，由于此类家具属于小批量高附加值的产品范畴，科技化、新材料的应用也异于大众化的成品批量家具，因此，一些家具的主体材料及附属的功能结构、五金配件会具有一定的“驱前性”，市场上现有的材料或标准配件很难完全满足产品的设计预期，这种情况下，运用3D打印技术来达成设计预期就成为一种必然的选择。

3D打印能够很容易地加工制作出结构复杂的家具形态和家具配件，比如镂空的结构。而传统的CNC加工是基于减材制造的加工方法，设备是通过高速运转的各种刀具，按照编程刀路切割出所需的家具结构、部件。因此，CNC设备加工只能加工出具有一定弧度的圆角，而无法直接加工出内直角，同时，CNC加工很难实现镂空件和一些特殊形态的精密配件加工。曲面加工方面，在家具或配件的曲面面积比较多的情况下，CNC加工曲面会很耗时，而且如果在编程和加工设备操作者经验不足的情况下很容易在加工件上留下明显的纹路，需要后期再对工件进行精修打磨等操作，而3D打印设备却可以完美的胜任上述加工流程。

最后，3D打印技术的应用在家具产品的售后维修保养阶段也具有特殊的优势。例如一些家具产品的结构功能配件会随着使用时间的累积出现很多的“质量问题”，特别是破损断裂等情况，往往造成家具在美观上的缺失（配件在外观上有装饰作用），更严重的是使家具出现安全隐患或直接影响正常的使用功能。以上情况在很多长期使用的家具产品上普遍存在。另外，家具产品的款式更新变化得速度非常快，这样就会造成部分家具品类在配件更换和维修中遇到问题，如一些配件的供应链可能中断或家具企业基于经济方面考虑减少库存配件的数量等。家具企业的售后维修部门如果能引入3D打印技术，此类问题就能得到很好的解决，部分配件的供应将能够实现直接打印制造，配件在一定程度上能达到“自给自足”和最小库存，避免了无谓的积压和浪费。这样，产品的维修和养护的有效性便可以得到延长，将给家具生产企业和家具产品用户双方都带来益处。

（三）3D打印技术与家具的可持续性设计

随着现代人们家庭生活中科技化的不断深入，智能家居、智能家具、智能家电越来越多地出现在普通人的生活当中。而其中打印设备已经成为当今人们居家生活、子女教育和居家办公的一种“标配”，尤其是在“后疫情”时代到来的背景下，传统的平面打印设备仿佛已经成为另一种生活必需品。3D打印机目前在普通的家庭中还算是一种新鲜事物，但随着人们生活的富足、个人闲暇时间的增加、3D打印机及配套耗材价格的不断降低和以科技品质生活为追求的年轻“新生代”的崛起，小型化的桌面级3D打印设备也将越来越多地出现在未来普通人的家居生活中。

桌面级3D打印设备进入普通人的生活，除了在满足个人业余兴趣爱好的DIY制作、促进子女科技教育等方面发挥作用之外，也将会对未来的家具产品维修保养带来新的变革。人们如果有兴趣的话，完全可以使用3D打印设备实现对家具结构配件的自主维修，不再受家具产品的承保期限所困扰。更进一步，一些普通人甚至也可以成为自己的“家具设计师”，运用3D打印设备和木材等多种材料，自行设计制作一些简单实用的小型家具或日用品。

当今，“绿色、环保、生态”的可持续发展理念已成为世界各国的普遍共识，低碳和绿色发展已成为后工业化国家在工业生产中的最高目标，作为家具产业也必然要与之相适应。传统上以实木加工生产家具的生产方式所带来的对生态环境、自然资源的消耗与破坏是难以避免的，因此，不断探索和创新家具用材，低功耗加工、合成材料、生物可降解的新型材料正不断地被研发出来并在人类生产和生活的各个领域得以实际应用。家具设计和生产领域也在不断融入这种潮流，例如FDM（熔融沉积）打印技术所使用的PLA（聚乳酸）就是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米、木薯等）所提出的淀粉原料制成，未来将会有更多能够达到“绿色、环保、生态”要求的3D打印技术和新型材料被研发出来。

虽然3D打印设备目前所使用的材料还不能够打印出天然木材的纯正质感，但相比最初的尝试已经有了很大的进步，其材料的综合应用已经可以满足人们对于时尚家具装饰的需求。更多适合现代人审美需求，更加丰富多彩，可用来打印人造板材和定制化家具需要的相关附属结构、功能部件的打印材料也将会在不远的将来出现。

二、3D打印技术与个性定制家具设计生产趋势

工业化背景下的家具设计研发模式和生产流程是建立在工业革命以来所形成的大批量生产方式之上的，主要是针对于量产的成品类型家具产品，在设计高度统一化的情况下具有生产上的效率优势，但却缺失了家具产品设计上的个性，这意味着消费者的个性差异和喜好在产品的设计过程中难以体现。为提高生产的效率，消费者被假定为一种或几种类型的风格群体，个性需求被忽略。这就如同生活中人们所穿着鞋子的尺码，是按脚的尺寸来设定的几种标准化的尺码，让不同的人在限定的尺码范围内选择，在穿着中逐渐让身体去习惯和适应鞋子。其实这是典型的“反个性”设计，它忽视了人的脚型在生理上的差异。应用3D打印技术就可以很容易地针对消费者个体脚型和日常行走的习惯打印出完全匹配個体脚型舒适度的产品，并且还能够做到在产品外观上完全实现个性化。同理，面对新时代年轻消费者对个性化的追求，家具设计、生产中原有的大批量“复制”制造模式必须向个性化设计、科技型制造模式转化。

与生活科技化和家居个性化的趋势相适应，未来的家具也必然将是集科技与个性设计于一体的。无论是家具的生产企业或是家具产品设计师都将围绕着这两点下功夫“做文章”。3D打印的特殊性正在于同样的成本下，可以只生产一件或几件家具，绝对个性化，更好地满足不同用户的需求。家具产品的设计研发、生产、售前售后都将是一种定制化的趋势。“千人一面”的大批量传统成品家具市场将受到基于科技化、个性定制化家具产品更大的冲击。

3D打印技术支持下的定制家具产品另一个优势在于能够解决一些传统家具设计上难以解决的特殊问题。作为全球最大的家具家居用品供应商的瑞典宜家公司是最早将3D打印技术应用到家具产品的设计与生产全流程的家具企业之一。2019年，宜家与非营利性组织 Milbat 及 Access Israel 合作，共同開发了一个名为 ThisAbles 的项目。该项目的主要目的是通过 3D 打印辅助装置与宜家的家具结合，为残障人群体提供更为个性化和针对性的便利家具。为此，宜家还专门开发了一个网络平台。该平台可在线提供免费 3D打印附件图纸和3D数字模型，消费者可免费下载打印。打印完成的辅助件可以在宜家公司推出的部分家具上直接进行安装使用，为残障人士们使用家具带来便利。目前，宜家已经推出了13种此类可自由选择的3D打印产品。这些作品中包括有可以让残疾人更轻松地完成坐下和站起的沙发升降支脚，可使用前臂直接开门的把手，以及避免玻璃门与轮椅产生碰撞的塑料面板等。

宜家在设计中引入3D打印技术，给残疾人的生活带来巨大的便利。由此可见该技术在定制类家具产品的设计研发、生产中的巨大价值。目前3D打印设备常用材料主要为尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏、铝、钛合金、不锈钢、陶瓷、镀银、镀金、橡胶等。这些材料除了以材料自身特殊属性来达到装饰效果外，还具有一定科技元素融入的可能性。3D打印不仅可以在制造过程中控制所用材料，还可以将精度保证在分子和原子的级别上，这方面的优势是传统家具制造设备望尘莫及的。其具有未来高科技技术的特质还在于通过3D打印设备生产出的家具产品将集新材料技术、纳米尺度以及印刷电子器件等特点于一身，可实现家具功能的电子化、感应化、模块化。更容易实现未来家具家电一体化的融合设计，从而使家具展现出令人神往的个性与新的功能性。

三、3D打印技术在家具产品设计

领域应用的瓶颈问题与未来展望

经过20多年的探索和实践，3D打印技术已经有了长足进步，在打印材料、精度、速度等方面都有了很大幅度的提高，在欧美发达国家的产品设计研发环节和工业化生产中正发挥着越来越大的作用。而目前3D打印技术在我国的产品设计领域中虽已见应用，但深度和广度以及在工业生产领域的规模化普及、实践还远未达到。

制约3D打印技术在国内家具企业应用普及的瓶颈问题主要是可应用于家具生产的大型工业3D打印设备的种类较少，相应耗材材料的采购成本十分高昂，打印成型的时间周期也过长，还无法充分满足大批量高效率的家具生产要求。另外，家具产业未来普及应用3D打印设备，需要大量既懂得家具材料、结构、相关工艺又能够熟练使用电脑3D建模软件进行家具数字模型的设计制作且能使用3D打印设备进行打印生产的技能人才，而这类“多维人才”的培养并不是短时间能够解决的。目前来看，对家具企业原有的技术人员进行相关3D技术的培训是一种相对更现实的办法。

未来的3D打印技术不仅将从根本上改变延续了近百年的工业制造模式，也将从深层影响产品设计领域的方方面面。对于未来的设计师而言，3D打印技术将使创意、想象力不再受限于产品加工工艺，设计师的创意与想象力将会得到空前的释放，更直接、迅速地把个性的创意设计变成真实的产品。另外，将会出现更多的独立自由型设计师，他们不再需要以往的团队支持和与传统意义上的工厂进行生产合作，他们将作为另一种“设计势力”而存在。

随着“中国制造 2025”发展战略远景规划的发布，传统制造技术将面临巨大挑战和产业科技提升的迫切要求。3D打印技术将对家具产品设计产生巨大影响，具有广阔的前景，符合未来发展的趋势。而作为以较为传统生产方式为主的中国家具行业，在未来的发展中必须要跟上新科技新技术的步伐，在满足“绿色、环保、生态”的前提下，不断提高家具产品的科技含量，提升家具产品的设计内涵与品质。相信3D打印技术在未来中国家具产业生态中将会有更大的发展空间和广阔的应用前景。

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作者简介：吴冰，天津轻工职业技术学院讲师。