3D打印技术影响下的家具造型创新设计研究

2022-09-11

3D打印是一种通俗化的称谓,是快速成型技术的一种。3D打印技术最早诞生于20世纪80年代,经过20多年的发展和探索,这项新型技术已经有了飞速的发展,特别是在打印材料的多样性、打印的精密性、打印的速度等方面有了长足的进步。作为一种与传统的加工制造行业完全不同的新型制造方法,3D打印技术在家具的生产制造以及家具的造型设计创新方面有着极大的优越性。与传统的生产制造相比,应用3D打印技术进行家具造型设计的创新,能够实现更加复杂的家具造型,降低材料的损耗,为家具造型的创新设计的可行性和研发的成本提供更加便利的技术保障。

一、3D打印技术概述

1、3D打印技术的基本概念

3D打印技术是快速成型技术的一种,是增材制造的主要实现形式,制造过程不需要原坯和模具,直接依托计算机图形数据,通过一系列的横截面切片进行材料叠加以生成任何形状的物体[1] 。

2、3D打印技术的成型原理

3D打印技术的成型原理始于需要创建对象的虚拟设计。这种虚拟设计能通过多种3D建模的程序来完成,在虚拟空间中创造出一个新的三维对象,最终导入到3D打印的系统中。目前,3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域,从而替代这些领域所依赖的传统精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。

二、3D打印技术在家具造型设计中的适用性分析

在3D打印技术出现之前,人们虽然可以采用一些其他的手段去探索和发现新的世界,但是对于在虚拟空间中出现的用概念化的设计方法或者脱离现实的造型方法呈现出来的家具形态,却很难使用现实的生产技术手段将他们转化成实体。随着当今时代计算机的运行能力的不断飞速增长,设计师可以使用不同的虚拟造型程序将自己的设计灵感更加全面的表现出来,通过使用3D打印技术,原本在虚拟世界的创建出来的家具模型信息可以经过3D打印的分析与生产,就直接转化为现实世界存在的物体。这样,设计师的创造性思维就能得到最大化的保留,而不必再因为现实生产技术的限制而受到约束,从而使虚拟世界和现实世界更加紧密地联系起来,更好地使家具设计服务于人们对新型化、个性化设计的需求。

3D打印技术通过采用“逐层叠加”的技术手段实现不同三维造型的转化,这一生产特点使其能便捷地制造出复杂精细的家具构件,制作过程也更加智能化,并且能够使家具在制造中以均匀的材料形式出现,使异形、梯度的家具零部件能够得以更好诠释实现,且大幅度降低了材料浪费[2] 。

在家具造型设计中应用3D打印技术,实现家具造型的创新性设计,从目前来看,具有以下几个方面的意义:第一,“数字化设计+3D打印”的家具设计和测试过程[3] ,要比生产等比例的家具模型来进行测试的方法更加的方便可靠,因为这项技术能够最大化的将创意思维转化成现实,并且能够在设计的过程中进行更加科学、规范的设计,从而解决造型上的重心、内部衔接方式以及结构的稳定性等理性化的考量因素。同时,应用数字化的生产方式比传统的样品制造方式来的更快捷,尤其对于侧重于外观造型的开发设计阶段,采用3D打印技术在生产时间上也能大大的优越于传统的生产工艺。第二,对于一些概念性的设计、具有形态美学的抽象设计形态,人们也可以通过3D新型打印技术将这些形状奇异、结构精细的零件部件直接制造出来,具有现实意义。3D打印技术的出现和应用,为这些只存在于“虚拟世界”和思维领域中的特殊形体,提供了转化成现实的便利条件,因而大幅度扩展了家具设计乃至工业设计的设计范围。

对于从设计到实际生产制造的过程而言,3D打印采用了更加智能的制造方式,与传统的家具生产车间相比,提高了生产的自动化程度。对于基于3D打印技术的家具设计流程而言,人力资源的投入最重要的是集中在前期的设计开发以及虚拟建模阶段,后期的生产过程中,3D打印系统将自动进行模型的分层分析,操作人员只需要将相关的数据根据模型的基本要求设置完整,3D打印机就可以独立完成一个或者多个模型的制造过程,并且制造的过程是连贯的,及时遇到材料短缺等问题,也会对当前的生产数据进行保存和记忆,待设备回复正常之后,能够继续进行加工生产。传统的生产车间对人力的需求是十分密集的,常见的一些加工设备都需要人力进行操作,而3D打印加工过程不需要人进行监管和控制操作,因此操作人员就可以远离生产一线,从而免除噪音、粉尘等有害物质对人体的损害。如果在前期的操作过程中也能够通过比如“云计算”、网络传输等方式进行,那么更有可能实现远程操作。

虽然3D打印技术由于其生产制造方面的优势,能够制造出传统工艺手段不能胜任的造型,或者是作为造型的辅助手段,从而弥补传统工艺的不足。但是每一种技术都有它的弱点,只有能够把握和利用它的优势和强项,才能更加充分的发挥技术的优势,让技术为设计所用。对于3D打印技术来说,它的成型原理就是利用分层制造的概念来进行生产制造,这样的生产方式虽然能够生产出一些复杂的曲面造型,但是同时又意味着,如果要得到更加精细化的模型或者家具产品,就要增加分层的数量,减少每层的厚度,才能使模型表面的轮廓更加的圆滑。特别是对于家具来说,需要与人体进行直接的接触,如果表面的处理不够到位的话,会对人体体验的舒适度带来极大的损坏,那这样的家具就只能指摆设,而不能作为一件功能性的日常用品进行使用了,大大降低了家具的功能性,这样的结果与家具设计的初衷是不符的。要克服这样的一个问题,就要提高对于设备本身的要求,从而导致设计的成本就随之上升[4] 。再者,增加表面的精细度的另外一个方法就是增加分层的数量,分层数量的增加就意味着3D打印在分析模型和后期打印生产的阶段投入更多的时间,同时又增加了时间成本。如果要缩短生产周期,就意味着放弃产品的精细度。有此可见,如果要达到传统制造工艺所能达到的质量的话,3D打印技术在成本方面的优势并不是特别的突出。

对于设计师来说,3D打印的另外一个弊端在于,在设计中不能灵活的应用色彩元素进行家具造型的创新设计。尽管现在3D打印的材料不断更新换代,推陈出新,在材料的种类、性质等方面都有了极大的提升,并且很多新型的材料都着重改良了材料在打印精细度方面的问题,使其能够更加的适用于快速打印的方式中。但是目前3D打印的材料仍旧是以白色或者是单色的为主(如图1),虽然可以在材料中加入一定的色彩元素(如图2),但是由于分层制造的制造工艺的特点,就决定了材料的色彩在进行整体造型时过度不够自然,无法在打印的过程中,一边进行造型制造一边进行色彩的配置,完成在造型外观上的色彩搭配。

尽管在3D打印技术在家具设计方面的应用有优势也有缺陷,但是在家具造型设计的创新方面,还是有很多技术上的优势,通过这样的技术能够使家具造型突破技术上的限制,仅仅从创意的角度来思考家具造型的创新,从而极大的解放了创意思维的表达。

三、3D打印技术对家具造型设计创新方法

传统的家具设计是建立在工业革命以来所形成的大批量生产方式之上的,特别是现代的家具结构设计更是基于这样的生产制造方式进行设计的,所有的行业设计规范的制定也是基于这样的一个现实。由于3D打印技术的成型原理,就决定这样一种新型的加工制造模式可以通过在三维空间中的模拟技术,生产出以前无法以人工或传统方式生产的产品,特别是在家具的开发设计的过程中,这对于实现家具形态的有机化设计有着极大的指导意义,能够促进家具造型的多元化发展。特别是造型的设计与实现的过程中,能够摆脱材料和生产工艺流程的限制。3D打印作为一种先进的生产技术,能够更快更精准的实现更加复杂的家具形态和结构。限定家具造型的因素不再是传统的材料和工艺,而仅仅是人的思维所能达到的方向,因为3D打印技术更倾向于对设计的表达,它不仅能做人手能做的东西,还能做出人手无法制作的东西,而且生产的时间也大大缩短了。通过应用3D打印技术,可以实现在传统的技艺下无法实现的一些复杂的家具造型,比如一些繁复的曲面,线条的穿插等结构造型以及一下高度复杂的形态。

1、采用仿生设计的造型设计方法进行造型的创新

仿生设计就是通过模仿自然和生物的各种特性或受自然和生物的启发而进行的设计。仿生造型设计的形式是多样的,从生物体的外观、色彩以及内在的结构设计都可以作为造型设计的基本参考对象。仿生设计的方法是不仅仅站在理论的高度,对家具的造型设计进行指导,同时也要对生物体的结构、内部的功能特征等方面来提取设计元素。

2、家具的造型设计通过应用3D打印的结构部件的置换来实现

置换设计的方法是指将家具中的某一个部件或者表面用另外一种材料或者形态加以改变,从而形成新的外观造型特点。比如在设计中通过把木制家具的靠背置换成塑料材质或者钢板,由此来形成一种新的造型设计的方法。3D打印技术除了可以将家具整体的设计通过数字化的生产制造出来,同时还可以与传统的材料相结合,形成新的造型设计。对于3D打印技术而言,快速打印是未来的发展趋势,对于设计师来说,更多的限制体现在材料的应用方面。基于现阶段3D打印技术的应用来看,目前3D打印所采用的材料,无论是ABS、光敏树脂或者金属和木质的粉末,大多数还是仅仅停留在对于造型创意的表现,家具的实用性和美观性与预期还是有很大的差距。材料在未来的发展中肯定会有更多的解决方案,但是在目前的状态下,可以将原本的传统的材料制作家具部件置换成3D打印的零部件或者连接件,通过虚拟手段设计出家具的连接件,从而实现家具造型设计的创新(如图3)。

3、采用整体化的造型设计方法进行设计创新

在3D技术的影响下,家具的造型设计的方法也越来越多样,在以往的设计理念里,家具是作为众多零部件组合而成的一个功能体的方式出现的。零部件的数量越多,就代表着在生产制造的过程中要消耗更多的材料。由于3D打印独特的制造工艺,能够一次性的完成一件家具产品的生产。即使在虚拟建模的过程中,也需要将家具的所有部件化零为整,作为一个整体来进行处理(如图4)。根据这样的制造工艺特点,整体化的设计思维是指在家具设计的部件一体化的方法来实现的,从而实现了设计的优化。

四、结论

3D打印技术虽然不可能完全取代传统制造工艺,但是在制造行业中,基于3D打印技术的家具设计已经开始出现了一些有意义的探索。3D打印技术不仅会改变未来设计行业的工作与生产制造方式,更能够最大化的促进设计的发展,并且发展的动力不再是生产规模,而更多的来源自创意思维。在这个更加注重人性化、个性化设计的时代,在3D打印新型材料和工艺的发展影响下,家具造型设计必将会带来不断的创新,从而使人的情感和生活体验得到不断的满足。

摘要：3D打印技术作为第三次工业革命的代表性技术之一,未来将会对工业设计领域的生产制造方式产生深远的影响。本文在详细介绍了3D打印技术的成型原理,分析了3D打印技术在家具造型创新设计中的重要作用,并进一步分析总结了在3D打印技术的影响下,如何发挥技术优势,进行家具造型设计创新的方法。

关键词：3D打印技术,家具造型设计,创新设计