中国智造背景下3D打印模型结构在木制家具设计中的实践与创新

◆ 曾华盛 陈孝样（南京晓庄学院）

引言

随着社会现代化进程的加速，智能制造已经渗透到了产业设计的方方面面，智能化的本质是运用科学技术来提高生产力，智能制造必然成为未来制造业发展的主要趋势，在各个制造领域占据主要的位置。3D打印技术作为一项新兴的智能化技术在多个领域中迅猛发展，它具有制造过程便捷、灵活性高、可控程度高和工具需求少等优点，现如今3D打印技术已经成为现代设计中重要的技术支持之一。中式家具作为中国传统历史文化的重要组成部分，其主要的材料为木材，其生产工艺和技术要求都非常高，从而在一定程度上阻碍了中式家具的创新和发展，而3D打印技术恰好能在一定程度上解决这些问题，将3D打印技术与传统中式家具设计相结合，将带来中式家具的设计创新风潮。

1.中国智造的意义

1.1由来

智能制造是指将高端的信息、计算、通信技术和现代传感技术相合，以实现制造流程和设备的自动化控制，协调设备之间的联调，改变制造概念，在自动化及数字化基础上，以更高效的制造方式实现产品的低成本、高质量和快速制造的目标，旨在利用计算机、微机相结合的技术及先进的管理知识，实现精确的自动制造。以智能制造的由来和意义可分为三个部分。首先，智能制造的由来。它可以追溯到20世纪50年代初，当时的自动控制技术，尤其是由康明斯和汤姆逊发明的控制器应用于制造业，从而使得许多比较复杂的工作可以机械化完成，节省了大量的成本和时间。随着自动化水平的提高、计算机技术的发展，特别是智能制造技术的诞生，使得制造业更加自动化、智能化和精细化。其次，智能制造的意义。它是一种改变制造模式的新技术，可以实现智能制造和绿色制造，从而提高生产效率，降低成本，改善产品质量，简化生产流程，优化生产环境，提高制造者的效率，减少能量消耗，大大推动现代制造发展。最后，智能制造的发展趋势。它能够为企业创造更好的技术平台，提供更多的智能系统、设备、软件和技术，将信息化和网络化技术进一步应用到现代制造中，实现工厂的智能化、自动化、集成化等需求，实现制造的控制、规划、管理，降低制造成本，提高生产效率，推动智能制造的发展。

1.2意义

以智能制造为题，现在是把人工智能技术应用于制造行业的最佳时机。近几年，随着智能制造技术的迅速发展，人们对它的重视也在不断加深，更多的行业开始将这一技术用于实践之中。在此背景下，如何正确理解以及研究智能制造的内涵，发挥它的巨大潜力，具有十分重要的意义。智能制造，可以为企业的制造提供更加可靠的技术支撑，解决制造者在生产过程中遇到的种种问题。当前智能制造还处于起步阶段，还有很多发展空间。在今后工业革命四次的大潮中，智能制造如能继续得到支持与发展，实现从传统制造到智能制造的跨越，必将为世界经济提供更大的贡献。

2.智能制造中的3D打印技术

2.1由来

3D打印技术又称“增材制造”，是一种新兴的数字化制造技术，它可以将计算机设计模型或数据快速和精确地转换为实体物件。三维打印技术的历史可以追溯到上个世纪90年代，当时它被用于制造复杂精密部件，并作为一种新兴技术吸引了众多制造企业的注意。3D打印技术有着独特的优势，它不受型号和尺寸的限制，可以快速准确制造出复杂的几何形状，制造多种材质的物体，并且能够大幅缩短生产周期，降低生产成本，使得现代制造行业的高精尖仪器及机器零部件得以方便、快捷和精确地制造出来。

2.2意义

当今环境的发展和创新的设计理念的兴起下，3D打印技术也不断拓展到新的领域，如食品加工、家具设计等。在这种背景下，3D打印家具设计不仅缩短了生产周期，并且作为一种高效的制造式，可以有效减少材料浪费和劳动力成本。3D打印家具设计技术潜在的广度和深度，充分利用数字技术，推进了个性化定制技术的发展。充分利用3D打印复杂形状，实现家具设计的灵活性和个性化，加快设计—制造的紧密结合，给售卖市场带来更多的竞争性，同时也为消费者带来更多的满意度。

3.中国智造背景下3D打印模型结构在木制家具设计中的意义

作为一种新兴的制造技术，3D打印技术可以赋予产品多样性、设计感和未来感，而这正好迎合当下年轻人追逐个性化潮流的需求。同时，3D打印技术在家具产品的设计生产中也受到了一些因素的制约。3D打印作为一种新兴的制造技术，其技术的多样性、设计感和未来感正好迎合年轻人追逐个性化潮流的需求，在智能制造背景下通过3D打印技术可以为木制家具创造更多的便利、更多样的连接形式。3D 打印独特的制造方式，可以将各种复杂的造型和连接件直接打印出来，特别适合进行一些个性化或者不适合传统工业产出方式的造型打印，而数字化的产品模型也有助于设计者进行修改和传达，提升了产品迭代的效率。现代木制家具制造工艺中的复杂环节主要是对木料部件形状的加工和对部件连接位置的加工，而3D打印的增材制造优势正在于能够有效处理形态与结构的复杂性，二者的结合，有效地降低了整体制造的难度，减少了木材的浪费。传统制造过程中每一次的裁切都会带来木料的损失，简化加工工序后，只需把木料加工为基本的形态，加入3D打印的复杂结构，并通过粘连或榫卯结构连接件即可实现材质之间的结合，碰撞出不一样的造型设计灵感，这不仅减少了浪费的环节，还能从总体上提高木料的有效利用率，简化装配方式，方便运输，从而提升制造业的效率与灵活度，为人们的生活提供趣味性和多样性的选择。

4.中国智造背景下《智画映木》家具设计概述

4.1特色概述

研究围绕实践设计《智画映木》进行了结构创新的尝试，家具造型上以明式家具的素形素工为主要基调，选取了屏风、扶手椅、边几作为设计对象，结合镂空设计的3D打印结构进行外观设计，镂空造型灵感来源于中式花窗，重视追求造型艺术性和功能实用性的统一。

4.2技术路线

运用3D打印技术对传统木制家具的关键部件进行改良，使得在保留传统木制家具特点的前提下，简化制造工艺，减少制造时间，减低制造难度，节省制造材料，使得其在对于传统技术制造的木制中式家具更具有现代化的特点。3D打印的材料特性在于增材制造，其工艺可以实现较为复杂的结构，且由于支撑结构的特殊性，镂空结构可以产生材料之间的张力，一般不需要额外添加支撑，这不仅大幅提升了打印的效率，减少耗材的使用，还能够有效的避免支撑被剪除时留下痕迹，可以真正实现一次成型、即打即用的效果，具有比较好的材耗比。因此，在设计中，我们采用了多种镂空造型来测试，以求最大的成品硬度、韧度，结构的最大稳定和较好的外观效果（图1）。

图1 3D打印结构镂空结构模型

4.3 家具设计特色

《智画映木》采用了从中国传统画中山的造型引申出来的设计概念，通过将家具设计与3D打印技术相结合实现了复杂的形态和结构，使家具作品在形式上更具创新性和独特性。3D打印技术实现一些传统工艺难以实现的形态和结构，例如曲线、扭曲、空间结构等，从而创造出具有未来感和艺术感的家具作品（图2）。3D打印技术可以实现家具的轻量化设计，通过优化结构和材料使用，减少家具的重量和材料消耗，从而降低资源浪费和环境污染。此外，3D打印技术还可以实现复杂内部结构和空腔设计，从而在保持强度和稳定性的同时减少材料使用。将《智画映木》家具设计与3D打印技术相结合，可以呈现出形态创新、个性化定制、轻量化优化、功能融合和可持续环保等特色，为家具设计带来了更多的可能性。

图2 《智画映木》家具设计效果图

4.4 3D打印技术实践

我们通过设计实践和成品的反复检测，得出以下结论：3D打印材料不论是选择PLA还是树脂，都能够很好地表现出镂空结构设计，具有无支撑、强度高于实心结构的显著特点，在打印效率上，同样造型、大小的镂空结构和实心结构相比具有明显更优的材耗比。以下为性能提升对比，见表1。

表1 模型材料造型数据可视表

结语

3D 打印技术的出现给家具制造带来了非常大的便利，作为一种新兴的先进技术，它的出现不但可以减轻众多领域家具设计与制造过程的繁琐和复杂，更能增添流程化与规范化的设计因素，让很多家具产品的设计与制造过程变得更加方便和系统，在家具设计和研究工作过程中变革了设计思路，释放了设计师的想象力和创造力。同时，3D 打印技术摆脱了对传统家具产业加工制造的依赖性，实现了对未来家具产品设计数字化与定制化的技术前瞻。将3D打印技术运用在传统的木制中式家具之中，将传统文化和现代科技相融合，不仅为传统文化提供新的生命力，同时也为智能制造技术提供新的发展方向。