3D 复合打印残疾人坐便椅设计研究

2023-10-24王海顺

装备制造技术 2023年8期

王海顺

（无锡工艺职业技术学院，江苏宜兴 214200）

0 引言

在我国，有一定人群因患病导致机能衰退行为受限，对他们来说蹲起如厕变成了一件艰难的事情。同时，蹲起动作在一定程度上也会加重他们的身体负担，给家人带来护理的压力。为了使这类人群可以再次轻松如厕，坐便椅在一定程度上给这部分人群提供了便利，但当前在坐便椅设计上仍存在不少的问题。因此，优化坐便椅设计对减轻家庭负担，提高病患生活质量都具有一定意义。“朔云”坐便椅是基于现状完成的关于空间尺度的无障碍设计，笔者根据功能性与形态美的主旨，结合3D 打印技术，整合多学科知识，对坐便椅进行优化设计。

1 坐便椅现存问题

在材质方面，我国市面上的坐便椅大多数是采用铝合金、木质以及不锈钢作椅身结构，整体虽然轻便易拿取，却不稳固，安全系数相对较低。铝合金和不锈钢的坐便椅坐面常采用聚乙烯材料，即塑料制成，短期低温环境下使用尚可，对于长久使用者而言，它容易老化变形甚至出现开裂。其次，铝合金、不锈钢材质的坐便椅，椅身相对较凉，不适合在寒冷的冬季使用。相对于金属材质的坐便椅，木质坐便椅，坐面和椅身通常为一种材质，在冬季使用尚可。但它不具有便桶，通常是放置于卫生间蹲便器上方，临时移动性较差，只能在特定位置使用。

在尺寸和便桶方面，现有坐便椅缺乏对人体工程学的考量，没有统一的尺寸标准。就椅面高度来看，椅面过高，患者往往排便时不够通畅，无法达到如厕效果，同时会使使用者缺乏安全感。椅面过低，对患者而言排便相对通畅，但由于其本身身体状况，起身会更加费劲，需要他人帮助。就便孔尺寸来看，现有较大尺寸通常为宽23 cm，长26 cm，相对符合女性使用者的要求，对肥胖患者和部分男性患者来说则感到尺寸不够，导致排泄物外露，一方面加重护理者工作量，另一方面也给病患带来一定心理负担。便桶问题主要体现在拿取方式及清洁方面。当前市面上的坐便椅拿取方式有两种：其一，从椅面下方滑槽抽出，其缺点是手在握住便桶边缘时，容易触碰便桶内壁，沾碰排泄物，同时便桶中的尿液容易倾洒；其二，掀开坐面拿出，其缺点是椅面较重，容易手滑，导致排泄物溅出。可见，两者都会加重清洁压力。

在靠背和折叠方面，病患因病症带来的疼痛，常以佝偻状姿态使用坐便椅，市面上坐便椅靠背坚硬，未考虑人体工程学，弧度不合理，使病患在使用过程中感到脊椎不适。现在很多坐便椅带有折叠功能，但这一功能常在频繁使用下出现折叠卡顿等问题，使得使用者对其质量及安全系数产生质疑，并且在折叠的过程中被夹伤的情况也时常发生（图1）。

图1 坐便椅现状

在稳定性方面，通过走访调研发现诸多使用者表示在使用坐便椅的过程中通常会十分小心，其一是由于他们自身身体状况，其二是由于坐便椅结构不稳定，缺少承重的支撑物件，腿部容易摇晃，坐面轻薄易碎，坐面和椅身连接不牢固，结构过于简单容易摇晃等。可见，当前坐便椅稳定性是使用者较为关心的问题。

在可循环使用方面，市面上现有坐便椅往往功能单一，仅提供给有需求的人使用。对于孕妇和术后患者等短期需要坐便椅的使用者来说，当他们结束生育或恢复健康后，坐便椅往往成了无用之物，无处安放，最终流向废材市场，造成大量浪费。因此，丰富坐便椅的功能性，增添智能化设计，让坐便椅失去坐便功能后依然可以不被淘汰也显得尤为必要。

2 设计原则

2.1 安全性

坐便椅的使用人群多为老年人、偏瘫患者、术后患者、孕妇等，对于他们来说安全性是选择坐便椅的首要条件。首先，他们反应迟缓，行动不便，不能像健康青年人那样灵活应对各种突发的碰撞、跌倒等危险情况。一旦发生这些意外，对本已欠佳的身体状况无疑雪上加霜，造成严重后果。其次，由于他们现阶段身体状况，导致他们心理发生一定变化，自身对安全感的需求变强，做任何行为活动都更加小心。因此，坐便椅设计必然要以安全性为第一准则。坐便椅最能体现安全性的地方则是椅身，椅身承载着主要重力，要保证椅身稳固牢靠，避免晃动、倾斜，这就需要对材质和制作工艺方面进行全方位把控。当然，除此之外，坐面、便盆、合盖等小部件的设计也应秉承安全牢固的要求，使用者不能像正常人一样很好地使身体缓慢落座，此时坐面要在瞬间承受使用者体重的压力，长久下来，坐面容易断裂，所以坐面材质的选择也需深思熟虑。便盆、合盖与坐面、椅身的衔接如果设计不当，在使用过程中容易出现挤压皮肤状况，造成淤青。

2.2 舒适性

使用坐便椅的人群由于身体状况，往往排便时间偏长，所以坐便椅设计一定要考虑舒适性原则。舒适性主要体现在直接与使用者接触的坐面、靠背和扶手上。考量坐面舒适度离不开坐面的软硬，当然并不是坐面越软越好，通常情况下落座凹陷约一厘米最适。坐面偏软，则会影响脊柱正常的弧度，长时间会使背部肌肉紧张，引起腰痛、乏累。坐面偏硬，会使坐骨关节及下方皮肤组织疼痛。从心理角度出发，由于使用者身体原因，行动缺乏灵活，时常会急躁敏感、郁郁寡欢，这就需要坐便椅的外观设计能带给使用者舒适感。因此设计时要减少生硬、突兀和尖锐的造型感，这种形态会强化使用者负面情绪，应多以柔和、流畅的形态出现，营造舒适氛围，舒缓使用者心态。在颜色选取上，也应避免一些容易引起焦躁的色彩，选取温馨的色彩，让整个设计满足使用者心理需求。

2.3 有效性

目前市面上坐便椅的有效性仅体现在排便有效方面，基本无额外附加功能。与这一有效性最直接的关联便是便孔尺寸问题以及便盆和便孔的衔接问题。便孔尺寸是使用感的最直接体验，便孔太大容易缩小臀部与便盆的使用间距，并且卡住臀部，影响舒适度。便孔太小，排泄物则无法完全进入便桶，影响使用者心态，加大清洁难度。便孔和便桶的尺寸应衔接合理，便于抽取，避免不必要的外溅。

3 3D 复合打印技术概述

3.1 FDM

FDM 属于3D 打印技术的一种，即熔融沉积成型。FDM 设备打印头内的电阻式加热器将丝状热熔材料加热融化成半流体状态，通过打印头挤压出来，挤压出来的材料在打印头和打印平台的移动下，凝固在指定层面，并与上一层材料熔接，层层堆积，但随着堆积层面的不断累加，每个层面的轻微变化，伴随高度的增长，会使整体发生较大形态变化，导致下层轮廓不足以给当前打印层充分支撑力，这时会设计一些辅助支撑结构，确保三维构建的完成。

FDM 适用于大尺度的模型打印。它的优点包含材料性能，线材是FDM 打印的根本，线材的开拓是FDM 技术不断进步的保障，常见的有PLA、ABS、尼龙、PPSF 等，其强度和性能已经达到甚至超过普通注塑产品。FDM 后期处理比较简单，只需要在打印完成后将支撑剥离即可。FDM 工艺在3D 打印技术中的地位至关重要，FDM 设备体积偏小，打印过程不包含激光，线材来源较为广泛，打印成本相对较低，因而受到诸多青睐。现今，FDM 发展领域不断延伸，在医疗、复合材料模具制作都有了一定积累。

从坐便椅设计的安全性角度出发，好的椅身材料必然是其稳固性的基本保障，市面上的坐便椅椅身结构都是通过零件的衔接构成，当一个部位发生问题必然会影响整个结构塌陷。如果病患、老年人、孕妇等使用者在使用时发生安全问题，其后果将不堪设想。因此，基于当下FDM 打印技术的成熟，不仅在材质牢固性上性能突出，其一体成型、无需零件、无需组装的优势更适合于坐便椅椅身的设计和制作（图2）。

图2 3D 打印工艺

3.2 SLA

SLA 全称立体光固化成型，属于3D 打印方式的一种。它的成型方式是液态光敏树脂通过一定强度和波长的紫外线照射发生聚合反应，逐渐固化生成三维实体。在加工过程中，设备中的可升降工作平台处于液态树脂以下，正好一个截面层的厚度，再在偏转振镜作用下，按照机器指令对截面轮廓信息扫描，扫描处快速固化，完成一层截面加工。接着工作台再次下降一层截面厚度，再次扫描固化并与前一层固化部分牢固粘连，层层叠加反复，直至完成。

SLA 打印时要注意模型放置位置，复杂特征面朝上。如果打印尺度较大，可以采用分段的方式进行打印，打印完成进行拼装或者用AB 胶进行粘连。同时，有些情况下为了减轻模型重量常采用抽壳壁厚的原则，对于大面积模型抽壳后，一般会添加强筋以避免模型形变。SLA 打印表面细致、平滑与传统注塑成型的模型外观效果几乎无差，这主要源于它最低可以实现25 μm 的分辨率。

从外观造型看，当前市面上的坐便椅千篇一律，毫无美感可言。设计鬼才菲利普斯塔克曾说“设计良好的物品，就是那些我们看到它和使用它的时候会发出微笑的产品。”然而当前坐便椅的设计总给人一种病人专用的心理暗示，可见坐便椅外观设计的现状急需改变。因此可以适当加入具有美感的纹样或者流线造型等，运用SLA 对于复杂造型打印，体现坐便椅形态美。

3.3 SLS

SLS 即激光烧结成型法，亦属于3D 打印一种。不同于SLA，它用的是红外激光束，材料使用上也由液态光敏树脂变成了塑料、金属、蜡等粉末。进行打印时，粉末颗粒放置在设备供粉仓，供粉仓升降平台上升，铺粉滚筒将高于打印平台的粉末推压在打印平板上，形成一层薄薄的平面粉层。接着沿切片二维CAD的路径在粉层上进行扫描，在激光高温下被扫描的粉层进行烧结，形成实体薄片。一层烧结结束后，打印平台根据切片厚度进行下降，铺粉滚筒再次将粉末推平，继续新一层的烧结，层与层之间在此时也烧结为一体。接下来，以同样的方式，反复烧结，直到全部完成。

SLS 有着不同于其他3D 打印工艺的优势。它拥有广泛的成型材料，如金属、高分子、石膏、尼龙、陶瓷等。它在打印时无需使用支撑结构，它可以打印空心结构、镂空造型等一系列复杂形态，制作强度极高。对于粉末材料利用率上，未烧结的粉末可重复使用，避免浪费。

由于使用者在每次使用坐便椅时都会亲密接触靠背和坐垫，所以舒适度是靠背和坐垫设计的首要准则。对于偏瘫患者来说，必然会长时间使用坐便椅。以木质坐便椅为例，靠背和坐面都为木板结构，硬度较大，没有丝毫弹性和透气性，长时间使用，会使使用者感到浑身酸痛，粘连皮肤。对于以上思考，结合SLS 打印优势，可以运用SLS 打印TPU 材料，形成拥有一定软度的靠背和坐垫，增加舒适度。同时，靠背和坐垫也可增加镂空，减少使用者在夏季使用时肌肤的黏闷感。

4 坐便椅设计过程

4.1 灵感来源

从坐便椅的名称朔云可知，在对坐便椅形态优化时将“云”这种自然元素作为坐便椅造型的灵感起源。通过对云这一有机形态的模拟、提取、演变，将坐便椅椅身造型和内部纹样形态相互融合，使得坐便椅外观被赋予亲切感、柔美感，这一外观对本身具有抗拒心理的使用者而言变得易于接受。另外，身体的不适会让使用者或心情烦闷或愁容满面，云这一自然形态，广阔无垠，往往也能带给人风淡云轻的心理反馈（图3）。

图3 灵感来源

4.2 坐便椅形态

从形态的提取演化便可知朔云坐便椅的整体设计以流线造型为主，并结合参数化，由3D 复合打印而成。同时，坐便椅主要由三个部分组成，分别为椅身、侧边可抽拉花纹抽屉和靠背坐面（图4）。椅身弧度圆滑，贴合使用者蹲坐时背部和上肢轮廓，侧面为两个不规则圆形镂空，前侧镂空圆形偏扁，为放置便桶处，后侧镂空圆形窄长，增加储物功能，可放置厕纸。从顶部看，坐面留有便孔，与侧面圆孔造型相互呼应。椅身采用FDM 一体化打印成型，结构十分牢固，完全摒弃常规坐便椅椅身拼接的设计手法，让使用者在安全性方面没有任何顾虑。除此之外，FDM 在对椅身打印时，是由一层层线形进行叠加，继而形成连续的纹理，无论从视觉上还是触觉上都丰富了椅身的层次感（图5）。

图4 组成分析

图5 形态展示

侧面的可抽拉花纹造型是通过对“云”的线性提取变形而成，丰富的线性变化和镂空造型极具美感，将视觉感受复杂化，呈现出一种不定性的空间形态。同时此处设计不仅仅只有装饰功能，实用性更为显著。通过多变的镂空可以伸手将其轻易拉开，一处用于便桶的拿取，一处用于厕纸或其他物品的放置。考虑到为避免资源浪费，对于短期使用人群，在他们痊愈后，无需坐便功能时，可将前侧抽拉花纹抽屉内的便桶撤出，同样用于储物。此时坐便椅就变成了可储放物品的家具，其美观造型也会为室内软装添彩。由于镂空花纹造型复杂，对工艺要求较高，此处运用SLA 立体光固化进行打印，最终侧边花纹组件达到了纹路清晰，表面光滑细致，空间感强的效果。

靠背和坐面形态顺应椅身整体流线走向，弧度圆滑，且都运用参数化做镂空渐变造型。靠背的渐变从中心略大的四边形镂空往四周以圆形镂空逐渐递减。坐面包含环形坐垫圈和坐垫，环形坐垫圈由五个端部向内做椭圆状镂空渐变，坐面镂空造型则是由四周向中心消失。当环形坐垫圈和坐垫合并时，双层不同渐变带来虚实镶嵌的效果。这些多变的镂空极大丰富了坐便椅的造型效果，在功能上给使用者长时间接触坐便椅的皮肤带来透气感。对于靠背和坐面的打印采用制作强度较高的SLS 工艺，一是由于靠背和坐面造型多变，二是其具有一定的倾斜角度和不平整性（图6）。

图6 纹样、镂空细节展示

4.3 材质和颜色

在材质选择方面，坐便椅椅身是通过FDM 以复合树脂为材料打印形成。复合树脂具有加热软化，冷却硬化的特性。复合树脂可塑性强、环保、可回收使用、耐腐蚀、使用寿命长，因而非常适于坐便椅椅身结构的打印。侧面镂空花纹是以树脂为材料通过SLA打印成型。该材料耐储存、通用性强、便于储存。该材料在打印时，固化速度快，打印出的物体具有防水、耐高温和强度高等优点，同时表面质量和模型精度高，还可通过喷漆工艺上色，符合侧面镂空花纹打印要求。靠背坐面则是选择尼龙为材料的SLS 打印完成。尼龙在干燥低温环境下拥有较好的电绝缘性，其力学性能优良，在耐磨性、压缩强度、拉伸强度和冲击强度等方面都有一定优势。尼龙的化学性能稳定，不会与油脂、盐、酸、碱等产生反应。所以非常适用于打印靠背坐面这种容易受到污损的部件（图7）。

图7 打印材质

在坐便椅颜色选取上，对于使用坐便椅的年轻人而言，他们因身体状况在使用坐便椅时容易急躁，所以应当减少艳丽、跳跃颜色的使用，采用低饱和、高级灰等色彩进行搭配，舒缓其情绪。对于使用坐便椅的老年人而言，随着年龄的增加，他们的视觉神经退化，看东西模糊，对颜色不够敏感，往往喜欢相对鲜艳的颜色。因此朔云坐便椅针对年轻使用者以浅灰蓝为椅身主色调，侧边抽拉花纹选取较浅同色系，靠背和坐面为白色进行色彩搭配。针对老年使用者，椅身选取黑色，侧边抽拉花纹运用红色，靠背和坐面同样为白色进行设计，满足不同年龄段受众的需求（图8）。