多材料3D打印技术在家居产品中的应用趋势

文_陈建锐（鲁迅美术学院） 李子昂 贾玉堃（清华大学） 指导教师：蒋红斌 赵妍

从材料跨界融合、数字制造和“泛家居”等领域探寻多材料3D打印技术的应用机遇。通过观察法、文献综述法和案例分析法等预测多材料3D打印技术的价值前景。结合实验成果分析多材料3D打印技术融入家居产品的可行性，以丰富家居产品的CMF，促进未来家居产品设计拓展新思路。通过文献佐证多材料3D打印技术促进材料高效利用和提高生产效率，集成材料优势以丰富产品的实用功能和装饰价值。此外，该技术引领的零材料浪费原则也可以为社会可持续设计注入新的活力。

引言

3D打印技术作为一项快速成型原型的技术，当前广泛应用在家居产品当中，它从造型的创新性角度赋予了家居产品形态上的差异化构思。但近些年来3D打印技术的发展止步不前，逐渐开始迈入瓶颈期，目前制约3D打印技术发展的两大成因主要是技术工艺和打印所使用的材料[1]。材料作为3D打印当中最为重要的组成部分，放眼未来3D打印技术其工艺和材料个性化、复杂化、多样化已是今后发展趋势[2]。就材料而言，传统的3D打印技术材料主要采用熔点较为低的高分子材料，它主要用于家居产品、医疗器械、电子产品和汽车制作等领域。但对于一些需要高强度和高硬度材料的产品，高分子材料就显得力不从心[2]。如今，以“多材料”为媒介、3D打印技术为支撑的混合多材料3D打印技术开始逐渐进入大众视野。多材料3D打印作为3D打印技术的拓展，其工作原理是在同一项打印作业中同时打印多种材料[3]，它集成了多种打印方法，此技术可用于制造具有不同特性或功能的产品。眼下其技术尚未止步仍待完善，多材料3D打印技术在家居产品中的运用，将会给未来智能化家居体验和材料创新带来新的机遇。在未来多材料3D打印技术融入家居产品的设计和生产的过程中，将会满足市场多样化和用户个性化的需求，并通过多元化材质赋予的技术，给予家居产品新的功能语义和安全保障，使其适应今后高端家电市场环境的基础上满足不同用户的需求。如何将该技术使用到未来家居产品之中，是设计师所需把握的重要方向。

多材料3D打印技术在家居产品中的运用，将会给未来智能化家居体验和材料创新带来新的机遇。

1.多材料3D打印技术的优势分析

将数字化模型制造技术运用到原型展示当中的技术称之为3D打印技术，其原理是通过“减法”转变为“加法”的形式将模型进行呈现，区别于其他的传统原型呈现技术。3D打印技术利用计算机的辅助结合指定材料能够在短时间内快速呈现原型。材料作为3D打印技术的重要载体，其创新对于3D打印技术有着重要的价值导向。传统的3D打印样机模型主要是以树脂、橡胶、金属为代表的单一高分子材料，不同材料有其不同的特性。以光敏树脂材料为例，打印出来的模型具有较好的表干性能，成型后产品在外观上呈光滑表面，并拥有较高的分辨度和质量。但光敏树脂材料的造价相对于其他材料而言成本较高，且机械强度、耐热性等都远低于工程塑料，这些都是3D打印在材质表达上所现存的问题。另外，3D打印技术往往在选材上较为单一，早已无法满足现今多样化的市场需求，产品的多样化迫使3D打印技术需要有所突破。而如今多材料3D打印技术已渐渐浮现市场，其技术的灵活性恰恰符合现今市场发展导向，但多材料3D打印技术尚处于探索的阶段，此技术将会是3D打印技术的一大新突破口。如何最大限度地发挥混合3D打印在工业设计领域中的应用将它利益最大化，并化机遇挑战为成果是其重点。以下将通过三个角度来描述多材料3D技术的优势，并加以分析。

1.1 高标准工艺以提升生产良率

目前，3D打印技术的模型精度仍有缺陷，打印产品需要进行加工处理后才能使用，且打印的效率与精细度往往成正比，模型的精细度越高耗时越长，反之则时间越短。此外，在3D打印的过程中模型的薄厚程度与时间也有关联。在多材料复杂模型打印的过程中，传统的3D打印设备需要花费更多的时间，且产出符合高合格率、高标准的产品比例不高，而不合格的模型将会废弃，这将大大增加成本的支出[4]。而多材料3D打印技术却能很好地解决打印高质量产品模型时生产效率低下和迅速产出高良率产品等问题。以美国公司所研发的BCN3D Sigmax R19多材料桌面3D打印机（图1）为例，此3D打印机在设计上采用了双挤压的形式来提高模型分辨率和多材料、零件的供给，并且BCN3D Sigmax R19的IDEX技术是唯一能够使用两个头独立打印的挤出系统。这意味着在多材料打印过程中，一个工具头处于活动状态，而另一个则不受影响，这一设计进一步加快了生产效率缩短生产周期，并创造一个具有不同材质属性且无需组装的产品，最终达到在生产高合格率产品的同时减少制造产品的步骤来实现生产效益的最大化，以高效率高标准为指标快速产出符合市场标准的产品，加快产品向市场的推进速度[5]。

↑图1 BCN3D Sigmax R19 3D打印机（作者自制）

1.2 兼容多种材料以拓充适用性

此前受技术影响传统的3D打印技术所产出的产品往往在材质上较为单一，受材料限制可符合3D打印技术要求的打印材料种类甚少，不同的材料物理和化学属性也有所不同，且并不是所有的材料都适用于3D打印，受材料特质约束大大限制了3D打印在原型制造和生产过程中的应用范围。而由美国设计师设计的LulzBot TAZ Pro多材料3D打印机技术突破了传统单一材质打印的技术壁垒（图2）。其设备可以选择多种材质混合打印，如ABS、PLA、PVA、高抗冲聚苯乙烯（HIPS）、木丝，附加组件后，还可以用尼龙和聚碳酸酯打印，打印成品综合多种材料的优势特性、扩充其适用性并进一步地提高产品稳定性。此外，该多材料3D打印机在工艺流程上，汇聚了多方向多工艺的技术，通过模块化、集成化的流程协同工作，将多个材质附着于产品中，从中优化传统3D打印技术的生产工序和拓宽产品属性，在生产过程中进一步延展其适用性，提高产品的附加值。

↑图2 LulzBot TAZ Pro 3D打印机展示（作者自制）

1.3 集成化生产以提高制造精度

当下集成化和精细化生产工艺已成为企业生产的标准，而普通的3D打印技术无法进行高精度的流水线生产，但多材料3D打印技术已突破其困难。荷兰特文特大学工业设计专业的学生 Reinou Holtrup在其作业当中，设计了一款名为“XZEE多材料DLP打印机”（图3）。XZEED打印机采用自下而上的工作方式，将物体倒置在构建平台底部的树脂桶中。当一种材料打印完成后，DLP投影仪通过底部投射光线固化新材料，所需的下一部分材料将在构建平台下方水平移动。并且整台机械的构思和制造上采用了数字光的处理，当3D打印机使用投影时则会固化一层光敏树脂材料，这一集成化的生产工艺可实现极其精确的打印。而且，设备在工作过程中可以在材料和工艺上自由切换，不会耽误其生产。在面对一些复合型材料和复杂加工工艺的产品时，XZEED多材料DLP打印机也能够迎刃而解。其打印头中的集成化工艺会将材料进行模块化细分，由内而外地快速进行运作，通过协同工作，为高精度产品组装提供质量保障[6]。

↑图3 XZEED 多材料 DLP 打印机（作者自制）

2.多材料3D打印技术所引发的领域革新

未来学科之间的跨界融合已是技术发展的必然趋势，学科之间兼容并包、相辅相成为创新提供新的可能性。尽管多材料3D打印技术如今处于起步阶段，技术尚不成熟，并且现阶段技术仅试验于部分领域当中，尚未普及，但从客观的长远发展来看它存在着巨大的发展潜力。专家预测未来多材料3D打印技术将会成为3D打印发展的趋势，成为多门学科的突破口，它将依托于其他学科，为学科交融提供更为有力的技术支撑，在设计领域发挥更为凸显的作用。以下通过列举最新的三个多材料3D打印技术在跨界融合的应用案例，来聚焦其技术发展潜质和发展导向。

2.1 增强可穿戴装备设计的灵敏度

身处智能化时代，可穿戴设备已是当下最为热点的设计方向，设计以用户的衣食住行中的“衣”为出发点展开设计。多材料3D打印技术的出现，将会通过技术维度赋予可穿戴设备新的属性，增强其设备结构的灵敏度，并从用户的心理、感知和审美出发，给予用户更为舒适的设备体验。从长远来看，未来可穿戴设计不仅仅只充当普通的硬件穿戴设备，而它会以移动智能终端设计、数据云端交互和CMF设计为圆心，多材料3D打印技术为半径展开，为可穿戴设备赋予新的创新。近年来3D打印技术在可穿戴设备中的使用频率逐渐增多，技术的革新为可穿戴设备提供了更多条件，但在打印过程中常会出现多材料的集成和数据出错等问题，即在打印过程中如何精确地将柔性材料、刚性材料和电子电路等精细材料进行无缝衔接过渡。除此之外，传统的3D打印技术也已无法保证高精度可穿戴设备能否符合人机工程学的舒适性和灵活性保障用户的需求[5]。美国针对高精度的可穿戴设备，研制出了主动混合多材料3D打印机。该设备的发明为3D打印可穿戴设备和电子设备提供了更高层次的发展空间，其3D打印机可以整合不同的材料和工艺，包括柔性和刚性材料以及导电材料和非导电油墨材料等，并且在打印过程中采用了可嵌入式的导入导体、电线和电池等硬件设备，这将大大提高可穿戴设备的灵敏度（图4）。同时，这些过程将省去手工装配费用，在提高工厂生产效率的同时也降低生产成本和浪费[5]。

↑图4 3D打印技术在可穿戴领域中的应用（作者自制）

2.2 优化高端制造设备的生产结构

3D打印技术采用数据建模和参数化的设置，可以产出高精度产品，这符合将多材料3D打印技术运用到高标准、高质量的高端制造设备之中。高端制造业的产品可以利用多材料3D打印技术优化其复杂结构，减轻装备的质量，延长其产品的寿命，优化生产结构，带动国家制造业的发展。长期以来随着技术的不断更新，对于高端制造业的产品质量也在不断地优化升级，面向3D打印技术提出了更高的挑战，不同类别和不同部件的高端产品需要采用不同硬度和强度的材质，其复杂化的生产加大了3D打印技术的生产难度。从生产角度来看，传统的3D打印生产技术已经无法满足如今高端制造产业的运用。而多材料3D打印技术的出现，对那些大体积多材料的高端制造设备的生产提供更为优化的生产结构，其技术将集结多材料多工艺的技术，为制造提供更高质量、更耐用、更环保、更科技的产出。来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科研人员目前已实现了多种材料的3D打印技术，创建了量身定制的渐变折射率玻璃光学器件，可以制造出更高性能的军事眼镜和虚拟现实护目镜（图5）。 此项新技术可以在平板玻璃组件中实现各种常规和非常规的光学功能，进而在环境稳定的玻璃材料中提供了新的光学设计多功能性，不仅如此这项新技术还可以减轻光学系统的重量[6]。在美国另一家公司也同样研发出了一次性打印10种材料的3D打印机，此设备不仅可以混合多种材料，更能够将复杂的电子器件、电路和传感器等直接植入到对象当中，这不仅大大提高了复杂工程的生产效率，同时也丰富了其生产结构和设备加工工艺[5]。

↑图5 多材料3D打印机的跨界融合（作者自制）

2.3 集成装配类产品的一体化

目前，3D打印技术中功能性产品的快速制造，逐步开始运用到工艺技术密集型产业。在未来，多材料3D打印技术相比传统3D打印技术，它在定制化加工、集成一体化加工、复杂产品快速成型以及零浪费制造等方面，具有更为独特优势。不但如此，多材料3D打印技术如今可用于直接制造含嵌入式组件的产品或用于增强打印件的机械性能，这一性能进一步丰富了3D打印产品的应用场景[3]。如今多材料3D打印技术开始踏入技术密集型的产业，在生物医疗、无线通信和工程建筑等应用领域迅速拓展技术并逐步成熟，技术的出现推动了高效制造工艺的发展，相较于传统的3D打印生产工艺，多材料3D打印技术集成一体化的工艺将产品原型内外结构以不同材料的形式进行呈现，进一步提高产品的一体性与审美性[3]。以江南大学机械工程学院所研究的基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造为例（图6），通过一体化的多材料3D打印技术，将RFID天线由内而外地进行打印，不但从产品的实用性、美观性与一体性出发，重新定义3D打印集成一体化的快速制造，同时提高了产品的质量，避免天线外部接触受到氧化反应而软化。这种集成一体化的生产，不但充实了生产目标的内部结构增强其稳定性，也加快了高质量产品的产出和生产效率的提高。

↑图6 江南大学设计XZEED 多材料 DLP 打印机

3.多材料3D打印技术更新家居产品品类

结合以上的案例和介绍，发现多材料3D打印技术不仅推动了高端制造业、技术密集型生产和设计学科的创造性发展和创新性转换，还改变了原始的、单一材料形式的3D打印技术，为学科间交融提供了新的机会，未来多材料3D打印将成为3D打印技术发展下的一个前沿[5]。目前，传统3D打印技术在家居产品中应用频率高且广受青睐，在生产过程中有以下三点优势：第一，3D打印技术的技术自由性使得能产出多样化的家居产品来满足各类消费群体的需求；第二，3D打印技术的技术易用性使得简洁的家居产品生产较为容易；第三，3D打印技术的技术效益性使得厂家缩短了家居产品的生产周期，加快了家居产品的产出和市场流通[7]。现阶段社会处于产品更替周期迅速高速发展的时代，用户对于市场产品的标准和需求也在不断地提高，因此传统的3D打印技术在家居产品中的应用逐显弊端。随着市面家居产品多样化，用户对于家居产品成型所使用的原材料和制作工艺的要求也给予相对高的期望，受3D打印材料种类数目和难以进行高精度作业的双重限制无法进行模型打印[7]，因此将多材料3打印技术运用其中具有可行性，为多材料3D打印技术在家居产品的发展提供新的应用，弥补材料空缺和技术壁垒的困境，对家居产品的发展有重要价值。以下将从三个视角对未来多材料3D打印技术在家具产品的材料研究做出阐述。

3.1 多触感材料应用于保护类家居产品设计

我国是世界上老年人口占比最高的国家，如何有效地解决老龄化的趋势— —使老年人适应社会发展的趋势是当下最为重要的社会性问题[8]。老年人受生理因素影响，其身体机能、心理状态与年轻人有差距，他们对于生活需求也有所不同，在生活当中往往需要得到特殊关照。研究发现老年人居家生活空间和家居产品上缺乏人文关怀，以及所使用的其他产品仍也有待考量，如今的老年人家居产品已经跟不上现代技术的发展，缺乏安全性、创新性。现3D打印技术在老年人家居产品装饰上的运用较为普及，尤其在老年人家居产品当中[8]，如何打破单一的装饰形式，在适老化社会下赋予老年人家居产品新的突破性发展，满足老龄化社会下对于老年家居产品的需求值得思考。从材料创新和安全保障的角度：首先，多材料3D打印技术在进行老年人家居产品生产过程中，可利用其多材质植入的特性，打印出符合老年人体质需求的家居产品，在稳定性和舒适性上得到双重保障；其次，传统的3D打印家居产品在材料采用上往往较为单一，多为金属、树脂和橡胶等材料，往往打印的家居产品较为硬朗锋利，不适用于老年人，不少老年人在使用家居产品过程中不经意间可能会碰伤。而多材料3D打印则能够很好地保障其家居产品使用的安全性，通过混合打印的形式弥补各类材料的缺陷，将软材料与硬材料互相兼容，给予家居产品不同的触感，避免老人受伤。

3.2 多感知材料应用于智能类家居产品设计

人的感知最快是通过视觉与触觉。用户在使用家居产品过程时，最先通过视觉感知，其次才是触觉感知，材料属性不同对于用户情绪感知也有所不同[9]。研究表明,家居材质是距离用户最近的基础属性，产品材质可被人感知器官感知并经过人脑作用形成心理反应，对人的心理产生情感意识和印象。如今在智能化时代下，智能家居产品已经是未来家居产品设计发展的趋势，未来设计师不仅需要考量智能家居产品设计的功能性，同时也需要考虑其智能家居产品设计的感知性，而多材料3D打印技术将成为未来智能家居产品的发展关键。在未来设计师将会通过人工智能和人物感知的技术转换，使用户通过感官来感受由多材料3D打印技术制作的智能家居产品，其技术不单单能使用户在体验上集成多种材料的优质特性，为用户提供更为舒适的体验，同时也进一步加快了多材料3D打印技术与多感知家居、智能家居在交互中枢系统上的相融合，为用户群体提供更为便携的体验环境。

3.3 混合生态材料应用于可持续类家居产品设计

挖掘生态材料的价值，使其更好地服务于人类是设计师应当肩负的责任。设计师维克多·帕帕奈克在其著作《为真实的世界设计》中，呼吁设计师在设计中要将可持续理念贯彻其中，保护地球环境，并鼓励在设计创作当中运用可持续生态材料将它外化于形。家居产品对于材料的选择与环境的可持续发展有着密切关系[10]，当前生态材料在家居产品当中的应用开始日益增多，未来随着生态材料研究的不断深入，能够为多材料3D打印所使用的材料品类也在不断增加，这为用户和设计师提供更为多样化的选择。多材料3D打印的出现将会进一步放大生态材料在家居产品设计中的优势，为家居产品提供更为丰富的生态材料附着的同时，还可以平衡人与自然之间的关系，为可持续家居产品注入新的活力。

结语

多材料3D打印的出现，既是机遇也是挑战，如硅胶材质与塑料材质具有不兼容性，它们的化学反应会产生互斥，若将它们进行混合打印，会发生形变以及脱粘连等现象，这些细微的痛点都是未来多材料3D打印技术待解决的问题。最后，为了使多材料3D打印技术能够在家居产品领域中发挥更为突出的作用，设计师需要合理把握其技术走向，从跨界融合和社会创新等不同新视角作为切入口，展开未来家居产品的设计，为今后社会、企业、用户提供新的服务体系和战略支撑。