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分析3D打印技术在家具设计中的应用及作用

 

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摘要:本文主要论述3D打印技术的概念、所用材料和在家具设计中的应用。重点分析了3D打印技术在家具设计中的应用,及其对家具设计发展的推动作用。

分析3D打印技术在家具设计中的应用及作用

  关键词:3D打印技术; 家具设计; 私人定制; 模型制作; 家具修复;

  13D打印的技术及材料

  1.13D打印机的原理和种类

  3D打印机利用数码数据比较简单方便地制作立体物体。数码数据利用3D程序直接制作,或者通过3D扫描实际物体和外部形状的方式,以及使用供应商提供的各种应用程序(app)或内容制作,其原理就是使用该数码数据层层堆叠的方式制作三维物体。切割或削去材料的传统的生产方法被称为减法制造(Substractive manufacturing),而使用3D打印机的层压方式的生产方法则被称为增材制造(Additivemanufacturing)。根据3D打印的材料和物理性质,生产方法也会不同。对粉末状态的材料采用激光加热凝固的方法一般使用于高精度加工,而最常用的方法是对各种热塑性树脂采用熔融层压的方法,由于其生产成本相对较低而一般使用的最多。

 

  1.2关于3D打印机的应用材料

  使用于3D打印的材料非常丰富,包括橡胶、木材、尼龙、塑料、铝、钛和纸等。随着技术的发展,现在可以采用异质材料和混合材料进行打印。3D打印机的物理特点可分为液体、固体和粉末,原材料也各不相同。除去一些市面上运用比较成熟的材料外,青铜(Bronze)、木材(木制线材-Laywood)、陶瓷、橡胶类(Rubber-like)和纸类等也多用于3D打印中。

  1.2.1 PLA(聚乳酸-Polylactic acid)

  PLA是一种由玉米和马铃薯淀粉制成的环保材料。然而,PLA由于其结晶的温度低而不适用于耐用性产品。在180℃-220℃熔化,溶解程度接近于液体并迅速硬化。造型时各个截面的连接性良好有光泽,因此从视觉上3D打印机的堆叠的条纹较细。但是没有弹性,耐热性差,后处理比较难的缺点。

  1.2.2 ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯-Acrylonitrile Butadiene Styrene)

  ABS是最常用的热塑性塑料。缺点是需在射出成形机的215℃-250℃的高温下进行处理并且输出时会出现收缩。但是易于二次加工,相对比PLA耐用且相对价格也便宜。加热工作台和能够保持恒定温度的腔室是必不可少的。

  1.2.3尼龙(Nylon)、聚酰胺(Polyamide)

  尼龙是称为聚酰胺的合成聚合物的通用名称。尼龙可以说是最古老的塑料,其状态为从固体到粘性状态均有。它对各种物体的表面具有良好的粘附性并且其被膜具有良好的可弯曲性。

  1.2.4 PVA(聚乙烯醇-Polyvinyl alcohol)

  PVA是聚乙酸乙烯酯的可水解的水溶性合成聚合物。它能够完全溶解并快速溶解,并在高于200℃的温度下射出成形。PVA在合成聚合物高分子中具有独特的水溶性。可在温水(75℃以上)中溶解,但在冷水中却是只膨胀溶解的难溶性产品。在酸和碱中可膨胀或溶解。被摸相对于其他树脂更具有抗张力、抗拉强度、延伸率和耐磨性。

  1.2.5 HIPS(高抗冲聚苯乙烯-Impact Polystyrene)

  HIPS与ABS非常相似,但是使用时会与不同的溶剂一起使用。它是用聚苯乙烯和橡胶合成的材料。冲击强度会随着橡胶含量的增加而增加,但是抗拉强度、耐热性、耐光性、可模塑性和表面光泽度反而会逐渐降低。

  23D打印技术的应用领域

  原本属于未来技术的3D打印现在越来越接近了现实。最初研发三维打印的目的是为了制作试制品,而如今其领域逐步扩展到各种各样的产业生产领域;生物医学和生命工程、建筑和家具,时装、航空航天尖端技术产业领域;艺术品的复原等艺术领域,甚至开始在家庭中普及。在产业生产领域,利用3D打印机逐层叠加精密的数码层,可以实现精确的内部结构和造型,并且还可以复制无限。和传统的产品研发相比,具有明显降低所需的成本和工作量的卓越的效率性。在家具方面,通过各种实验和材料可以实现复杂的形状和结构而作为新领域开始引起了人们的关注。

  33D打印技术应用的案例

  3D打印技术最近几年得到了长足的发展,也逐渐得到了消费者的认同,并且在家具设计领域出现了很多优秀的设计师和设计作品。

  3.1 Patrick jouin

  1967年设计师Patrick Jouin出生于法国。2005年Patrick Jouin推出最新设计的Solid家具系列,该系列是由Patrick Jouin与Materialise公司合作设计并制造的。这一系列家具产品都是通过3D打印机打印完成的,体现了3D打印机在复杂结构状态下打印实体的能力。在这一系列产品之后Patrick Jouin又设计了一款可折叠的凳子OneShot.OneShot是由多个构件组合构成,而它的每一个构件都是通过3D打印机打印制造完成。不仅体现3D打印机打印实体的能力还体现了打印出来的构件还可以进行组合拼接保证产品的正常使用。

  3.2 Bitonti

  设计师Bitonti是一位建筑与土木工程设计师。一直以来他的设计作品中大量的使用3D打印技术。2007年,Bitonti正式开办了属于自己的设计工作室,并在之后将工作室改名为"Bitonti".Bitonti不久以工作室的名义发布了最新设计的3D打印鞋,并以此一炮而红。这件设计作品给他和他的团队巨大的名声的同时,也给带来了更多的设计工作。随着设计出来的作品影响力越来越大,也使得Bitonti对3D打印技术更加充满信心,之后Bitonti独自研发了一套数据运算系统,应用于模型的自动生成。通过这套运算系统生成的模型打印出来的ABS塑料家具,每一个都有属于自己的独特结构和纹理。可以充分满足消费者对于家具的个性化要求,同时节约了时间,提高了工作效率。

  43D打印技术在家具设计中的应用方向

  4.1常规应用

  3D打印技术现在再各行各业都有的相应的使用,并且范围非常的广泛。在家具设计行业更多的应用于家具设计定稿之后进行实体打印,通过对家具设计方案的实体打印,可以发现许多在草图和建模阶段无法发现的问题。有了3D打印技术就可以相对直观地解决这些问题,根据客户的实际需求,设计出更好的优化设计方案,才能使得设计方案更加贴合消费者的需求。当然,3D打印技术将设计方案转化为实体的效率远比传统的方式更加高效,同时转化成本也得到了相应的降低。使得从家具设计方案到成品的成本得到了降低。

  3D打印技术在家具设计方面的应用除了在设计方案定稿之后进行模型打印之外,还可以运用在结构相对复杂的家具结构的设计过程中。由于有的家居产品结构过于复杂,传统方式无法做到一体成型。结构分拆的方式虽然解决了复杂结构家具的制造问题,但是也使得家具产品结构的稳定性受到破坏。而通过3D打印技术就可以做到一体成型,完美地解决了复杂结构家具必须通过结构分拆的方式才能进行制造的问题大大提高了结构的稳定性。3D打印技术的优点不仅表现在于使其结构更加稳定,还在于可以缩短复杂结构家具制造的时间。在复杂结构状态下家具生产时间过于漫长,例如曾侯尊盘,它被称为不可复制的传世青铜器。但是其工艺之繁琐、耗时之久,是现代家具生产者所不愿意付出的。而3D打印技术可以在短时间内完成对复杂结构产品的打印制造,甚至在条件允许的情况下可以同时打印多个产品来提高工作效率。

  相对于一体成型,混合结构才是家具设计的常态。传统家具一般都是由同一种材料构成--木质结构。现代家具产品创新设计的形式有很多,而更多的是通过使用多种材质材料结合的形式进行创新设计。这种设计形式,不仅增加了家具设计方式的灵活性,更增强了家具在室内环境中所展现出来的视觉冲击力。这时3D打印技术的特殊成型工艺,就显现出它独有的优势即可以使产品增加混合材料的种类,还可以使多种材料进行无缝连接。

  4.2私人订制

  随着人们生活水平的提高,在物质生活品质生活有着更高的追求,使得人们对于个性化家具产品的需求同市场上日益同质化的家具产品的矛盾日益尖锐。虽然许多企业和相关学者提出了多种多样的方式用来满足消费者的个性化需求,但是其基于大批量生产的本质并没有发生变化。为了解决这一问题,一些商家提出私人订制的理念,这里的私人订制与传统的订制家具不同在于,传统的订制家具更多的是运用单一的材料和固有的结构,对已有的家具形式的模仿。而私人订制不仅可以达到传统的要求,而且可以将我们天马行空的想象通过设计的家具展现出来。3D打印的出现及应用则在技术层面上为私人订制家具的普及提供了保障。

  私人订制的客户通过网络按照自己心仪的设计风格,选择对应风格的设计师进行设计。与设计师进行网络沟通交流,通过面对面的方式说明自己在产品设计方面的需求,而不是只凭借一张调研问卷。设计师依据客户的产品需求进行定制化设计。通过建模的方式展现设计师的设计作品,并通过渲染将作品置于使用环境中。使得客户可以在网络中观看渲染效果图,更加直观地观察设计师的设计作品,然后对于其中有待商榷的细节进行再次沟通,提出修改意见。这样的过程经过反复几次修改最终定稿。将设计模型提交客户。客户可以选择由设计师所在的公司提供打印服务,也可以自行选择距自己最近的提供3D打印服务的公司进行打印,使客户拥有绝对的自由选择的权力。这种异地分散制造方式的实现,充分利用不同地区的资源,实现资源的合理利用。同时减轻了家具运输过程中的污染,也降低了产品的运输成本。

  4.3家具修复

  相对于其他方面的应用,3D打印在家具修复方面的应用使用率频率相对比较低。

  家具经过长时间使用,除了所使用材质会因为时间的流逝达到材质的使用寿命会受到一定程度的损害之外,家具因为磨损也会造成损坏。但是有了3D打印技术,可以使用三维扫描仪对家具损坏的部分进行3D扫描从而生成数字模型。并对损坏的部分进行再设计,将设计好的方案建模、渲染查看效果,最后将设计好的模型通过3D打印技术打印出来,进行拼接、抛光。使得那些已经损坏的家具经过设计师的再设计重新焕发光彩。

  5结论

  现如今3D打印技术依然存在着各种各样的问题,但随着该技术在各行业中的广泛应用,3D打印技术将会不断地完善,日趋成熟以适应社会的需要。本文也有相关的经典案例介绍,可以得出较为全面的整合信息。由此,我们可以得到3D打印技术的广泛应用是时代发展中行业的必然趋势,我们只有合理地将3D打印技术运用在家具设计中顺应时代发展潮流,才能在设计中形成自己独特的风格,不被时代所碾压。

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原文出处:李牧醒,刘沛立,温漫如.关于3D打印技术在家具设计中的应用现状研究[J].居舍,2020(32):167-168.

 

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