邱春來 衡小東

摘? 要：3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的木家具“減材制造”有著本質(zhì)的區(qū)別，其為蘇作家具設(shè)計帶來了前所未有的技術(shù)優(yōu)勢，尤其讓家具的前期設(shè)計環(huán)節(jié)更加靈活，其承擔(dān)了更多的核心研發(fā)責(zé)任。3D打印技術(shù)應(yīng)用于蘇作家具設(shè)計研究以蘇作家具為著眼點，對3D打印的技術(shù)原理與工藝特性做簡要闡述，以普適性的設(shè)計流程為主線，探討3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計開發(fā)過程中的應(yīng)用，以及由此帶來的環(huán)節(jié)優(yōu)勢，并總結(jié)一套理論框架為設(shè)計實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：3D打印;蘇作家具;設(shè)計研發(fā)

基金項目：本文系江蘇省社會科學(xué)基金項目“數(shù)字時代背景下蘇作家具設(shè)計開發(fā)研究”（17YSD011）研究成果。

一、3D打印的技術(shù)原理與工藝特性

（一）3D打印的技術(shù)原理

3D打?。?D Printing）屬于增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），其生成原理為首先將目標(biāo)產(chǎn)品的三維模型離散，然后使用特定設(shè)備的再涂層技術(shù)，將離散的三維模型分層堆積最終完成實體打印[1]。3D打印技術(shù)相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)有較多優(yōu)勢，例如制造過程不需要模具或復(fù)雜的刀具，能夠高效且相對低成本地生成復(fù)雜的三維形狀或多層結(jié)構(gòu)，原材料浪費較少，能夠靈活生產(chǎn)中小批量或定制產(chǎn)品，產(chǎn)品成本控制和可預(yù)測性較高等優(yōu)勢[2]。隨著3D打印材料和技術(shù)方法的不斷革新，3D打印技術(shù)中的細分技術(shù)領(lǐng)域逐漸完善，3D打印產(chǎn)品在生物相容性、機械性能、耐候性、視覺效果等方面有了質(zhì)的飛躍，也正因此在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

（二）常用于家具的3D打印技術(shù)特性

3D打印的技術(shù)細分廣泛，核心的3D打印技術(shù)包含熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）等三種。在家居領(lǐng)域經(jīng)常應(yīng)用的3D打印技術(shù)主要有打印技術(shù)有熔融沉積（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLA）、墨料直寫成型（DIW）、分層實體制造（LOM）及噴墨打印成型，其打印方法及其主要特征如表1。其中FDM相比較于其他3D打印技術(shù)，其尺寸精度和分辨率最低，但因其技術(shù)成熟、成本低廉、交貨期短等優(yōu)勢，作為原型打印機廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。SLS工藝生產(chǎn)物件的機械性能良好，可打印功能零件和原型，打印過程不需要任何支撐結(jié)構(gòu)，對復(fù)雜的空間幾何形狀有良好的打印效能，因此SLS相比較于其他3D打印技術(shù)更適合家具的中小批量生產(chǎn)場景。

二、3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計中的應(yīng)用

“蘇作家具”指江南地區(qū)生產(chǎn)制作的硬木家具，保持和繼承上述做法和式樣的家具均屬于蘇作家具的概念范疇[3]，例如海派家具，新中式家具等，而不局限于某個特定的歷史時期。3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計中的應(yīng)用場景較為廣泛，從制造上劃分主要應(yīng)用場景包括整體家具、家具零部件、家具表面裝飾等三部分;從蘇作家具的設(shè)計研發(fā)流程劃分主要應(yīng)用場景包括蘇作家具的研究階段、創(chuàng)意設(shè)計階段、生產(chǎn)制造階段等三個階段。3D打印技術(shù)的實際應(yīng)用環(huán)節(jié)受蘇作家具的特殊性和3D打印技術(shù)的可行性和技術(shù)限制、成本和制造需求等因素的限制，同時也為具體應(yīng)用環(huán)節(jié)的特殊需求帶來了新的解決方案。下面以蘇作家具的研發(fā)流程為主線對3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計中的應(yīng)用作以闡述。

（一）研究階段的應(yīng)用

1. 對文獻的立體復(fù)原

蘇作家具最早出現(xiàn)于宋元時期，其分水嶺在于蘇作家具多使用硬木而有別于隋唐時期的漆木家具，該時期的蘇作家具實物很難考證，研究工作主要從書籍和繪畫中展開[4]。明清時期出現(xiàn)了宮廷蘇作、民間蘇作、廣式蘇作等多種蘇作家具的分支，而各分支的工藝、紋樣、形制、式樣等又形成了龐大的信息系統(tǒng)，歷史流傳至今的蘇作家具分散在世界各地，少量的實物和大量的文獻資料對蘇作家具的設(shè)計研究者來說是一種挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的復(fù)原工作受執(zhí)行者經(jīng)驗和技藝水平影響明顯，而使用3D打印技術(shù)結(jié)合三維軟件建模技術(shù)，能夠?qū)⑽墨I資料高效地轉(zhuǎn)化成實物模型，經(jīng)過表面后處理工藝便可直接用于展示、研究、教學(xué)等需求。

2. 對文物的維護與修復(fù)

蘇作家具的修復(fù)難度主要體現(xiàn)在材料的珍貴與工藝的繁雜，對修復(fù)人的技術(shù)水平要求高，例如蘇作家具中的雕刻紋樣常使用的鑲嵌材料多為玉石、象牙、螺鈿等，傳統(tǒng)的匹配修復(fù)方法難度極高[5]，而對蘇作家具的名貴硬木殘缺部分的木料匹配和木紋修復(fù)則更加考驗修復(fù)人的經(jīng)驗和水平[6]。使用3D打印技術(shù)配合3D實體掃描、表面后處理工藝等技術(shù)則能夠代替尋料、測量、技藝還原等障礙進行實體復(fù)原，為蘇作家具文物保護和修復(fù)工作帶來了極大的便利。

（二）創(chuàng)意階段的應(yīng)用

1.創(chuàng)意設(shè)計與細節(jié)推敲

現(xiàn)代的蘇作家具創(chuàng)意設(shè)計階段與普適性的設(shè)計流程類似，均需要經(jīng)歷“方案草圖設(shè)計-方案三維建模-產(chǎn)品打樣”等主要的設(shè)計驗證步驟，而對于追求設(shè)計美學(xué)和產(chǎn)品功能和諧統(tǒng)一的蘇作家具的設(shè)計而言還存在特殊性需求，例如蘇作家具中存在大量細而三維的空間曲線，諸如圈椅的扶手，案幾的羅鍋帳等，在三維模型中推敲其空間走向亦不夠直觀。將3D打印樣件的環(huán)節(jié)穿插于方案三維建模和產(chǎn)品打樣之間，有效地緩解了建模階段空間曲線不清晰，以及打樣解決問題聚集等的矛盾。圖1項目為作者參與的一款新中式蘇作家具方案設(shè)計過程，其扶手轉(zhuǎn)折處的三維曲線在經(jīng)過FDM技術(shù)打印成實體后，與打樣師傅討論實木加工的可行性，并得到了較好的細化和修正。

2.整套家具的比例尺度和視覺效果推敲

蘇作家具設(shè)計中一般包括整套家具的情況，例如茶室家具套件，書房家具套件，客廳家具套件等，而套件搭配在一起比例是否和諧，設(shè)計語義是否統(tǒng)一等問題，在實體模型中更能夠獲得直觀的判斷。3D打印技術(shù)可將家具三維設(shè)計模型等比例縮小，并通過控制精度使打印物件保留一定的設(shè)計細節(jié)，而傳統(tǒng)的木材加工或其它減材制造方法則在工藝和時間上很難實現(xiàn)（如圖2）。

3.滿足3D打印技術(shù)優(yōu)勢的新設(shè)計思路

3D打印技術(shù)以能夠直接生成復(fù)雜的空間幾何形體、免去模具或組裝等傳統(tǒng)工藝過程而為蘇作家具的設(shè)計思路上提供了新的可能。例如蘇作家具的結(jié)子雕飾，可以使用3D打印技術(shù)加工部件，在滿足支撐和人機工學(xué)等結(jié)構(gòu)和功能需求的前提下，豐富結(jié)子的三維空間形態(tài)，而傳統(tǒng)的雕刻技藝受材料和雕刻技藝的限制很難實現(xiàn)套疊或懸空的效果。

（三）制造階段的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來，我國的家具行業(yè)制造模式從傳統(tǒng)手工作坊模式演化到工業(yè)化大批量生產(chǎn)模式[7]，90年代后小批量生產(chǎn)模式開始流行，大規(guī)模定制模式亦開始推廣，傳統(tǒng)的蘇作家具行業(yè)受新的市場需求刺激，向3D打印等新技術(shù)尋求支持。

1.整體蘇作家具或結(jié)構(gòu)件打印

受地域特征等原因的影響，蘇作家具本身具有利用復(fù)雜工藝節(jié)省用料的傳統(tǒng)，例如使用包鑲等工藝掩蓋雜木內(nèi)部的雜木骨架，使用名貴的硬木薄板做表面裝飾。而時下整體家具產(chǎn)業(yè)面臨著原材料供應(yīng)緊張的問題，處于林業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈下游的家具行業(yè)，對木料的高效利用是“生態(tài)產(chǎn)業(yè)”的重要一環(huán)[8]，蘇作家具的生產(chǎn)同樣面臨著可持續(xù)發(fā)展的問題。3D打印技術(shù)能夠使用熱塑性材料代替木料進行具有蘇作家具風(fēng)格的低成本家具的生產(chǎn)，從而大大減少了木料的使用，更提升了生產(chǎn)效率。與此同時，由于蘇作家具有漆飾穿帶的傳統(tǒng)，因此挑選適合對應(yīng)木料的機械性能的材料，便可使用3D打印出的物件替代穿帶內(nèi)的雜木，應(yīng)用于中高端的蘇作家具的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

2.家具零部件打印

用于裝飾的蘇作家具零部件主要包括五金件和鑲嵌裝飾，使用3D打印技術(shù)能夠滿足小批量或定制化的五金件生產(chǎn)，一些柜門鎖環(huán)等相對復(fù)雜的五金件更可以使用3D打印技術(shù)直接生成，免去了制造上組裝加固環(huán)節(jié)，同時也為免去了五金件的設(shè)計的限制。

3.表面裝飾處理

蘇作家具強調(diào)利用木本身的紋理作為家具的天然裝飾，而大批量生產(chǎn)和硬木原材料緊缺的矛盾催生出了利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)模仿硬木紋理的表面處理手段，例如使用噴墨打?。↖JP）技術(shù)可用于模仿彩繪、螺鈿等傳統(tǒng)裝飾工藝[9]，還可以模仿淺浮雕等起伏較薄的雕刻工藝，以及滿足紅木的木紋、木色等紋理和色彩的需求。3D打印表面裝飾技術(shù)在保持成品裝飾性能的同時，讓蘇作家具的天然材料裝飾技術(shù)和成本門檻降低，同時也提高了普通木料商業(yè)附加值[10]。

三、結(jié)語

3D打印技術(shù)在蘇作家具設(shè)計的研究階段、創(chuàng)意設(shè)計階段和生產(chǎn)制造階段的應(yīng)用前景廣闊，為推動蘇作家具領(lǐng)域向智能制造方向發(fā)展提供了動力。在實際應(yīng)用中會受多種因素的影響，這其中不乏包括具體3D打印技術(shù)的工藝特征和工藝限制，生產(chǎn)時間和成本的控制，設(shè)計師創(chuàng)意經(jīng)驗，表面后處理工藝限制，拆裝和運輸?shù)壬唐吩V求等。這就要求設(shè)計師對各種生產(chǎn)工藝有廣泛的了解，如工藝的優(yōu)缺點、可制造的幾何形狀和相關(guān)的生產(chǎn)成本等。隨著3D打印技術(shù)的不斷革新，其在成本控制、生產(chǎn)效能、表面精度、表面裝飾性等方面會有更優(yōu)越的表現(xiàn)，屆時將會為蘇作家具領(lǐng)域提供更多的科技賦能。

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[10]汪菲，吳智慧，黃瓊濤.家具與木制品表面數(shù)字化木紋圖案UV樹脂3D打印裝飾技術(shù)[J].家具，2017（1）：5-10.

作者簡介：

邱春來，碩士，蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。研究方向：產(chǎn)品設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)。

衡小東，碩士，蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。研究方向：中式古典家具設(shè)計制造。