家具制造中的快速成型技术

　　快速成型技术作为一种迅猛发展的先进技术，在多个领域的生产环节具有广泛应用，而这种技术在家具生产中最为人乐道的成果莫过于3D打印家具了。为了让大家更好的了解快速成型的种类和原理，我们以古典家具模型制作为例，看一看它的技术特点，并以此展望下未来的家具生产。

　　快速成型的工艺分类

　　根据成型原理和成型材料的不同，目前在家具设计与制造过程中使用的快速成型工艺可以分为以下4 种类型：

　　熔融沉积工艺

　　熔融沉积(FDM)工艺是将丝状的热塑性材料按特定温度融化，使材料始终保持液体状态，通过挤出头匀速挤出。在成型数据的控制下，有选择的沉积在工作平台上，沉积后立即冷却并固化成型。

　　立体光固化工艺

　　立体光固化(SLA)工艺利用了光敏树脂的材料特性，即在一定波长和强度的紫外光束照射下可以实现从液态到固态的相变。紫外光束的运动轨迹通过成型数据来控制，在光敏树脂表面进行选择性的扫描，实现逐点固化成型。

　　三维印刷工艺

　　三维印刷(3DP)工艺的原理为粉末状材料在黏合剂的作用下的黏结成型。在工作平台上先铺一层粉末状材料，再使用喷嘴将黏合剂分布于需要成型的粉末区域，实现了粉末的黏合成型。

　　选择性激光烧结工艺

　　选择性激光烧结(SLS)工艺的原理为粉末状材料在激光烧结下的熔化结合。在工作平台上先铺一层接近熔点的粉末状材料，再使用激光在该层粉末上选择性的扫描，被扫描区域的粉末温度升高， 熔化后烧结成型。

　　古典家具模型制作工艺筛选

　　工艺要求

　　中国古典家具模型由于需要呈现经典家具器型的形态，有大量的曲面或者异形构件。因此，模型的制作对于整体形态的呈现要力求精确。同时， 模型表面要尽量光滑，体现制作工艺的美感。

　　中国古典家具模型的展示不光是“形态美”，更有其“结构美”。作为中国古典家具精髓的榫卯结构需要特别展示，模型设计要求为包含榫卯结构的可拆装形式。可拆装的榫卯结构对构件的机械性能提出较高的要求。

　　四种快速成型工艺的对比

　　根据中国古典家具模型的制作工艺要求，对4 种主要快速成型工艺进行试制试验，初步筛选适合本次模型制作的快速成型工艺。

　　选取明式圈椅模型中的背板作为试件，通过对背板的试制，对比制作效果、制作时间、制作成本、表面质量和机械性能等5 个要素，对比结果如下图所示。

　　观察过程中发现，SLA 工艺制作的试件表面光滑，FDM 工艺制作的试件表面有台阶效应，3DP工艺制作的试件表面有颗粒状的感觉，SLS 工艺制作的试件表面有分层状感觉。

　　手掰过程中发现， 3DP 工艺制作的试件轻轻用力就被掰断，且有粉末状碎屑。加大力量后，SLA 工艺和SLS 工艺制作的试件相继出现断裂，而FDM 工艺制作的试件最不容易掰断。因此，FDM 快速成型工艺在机械性能表现方面最优。而且后续的拉伸试验分析，FDM 工艺制作的试件机械性能也更好。

　　熔融沉积工艺(FDM)制作家具模型

　　通过筛选，选取FDM 工艺制作中国古典家具模型。本次模型制作使用的是Stratasys Fotus 450 快速成型机，选取的模型为明式圈椅模型，制作过程如下：

　　使用UG 软件建立明式圈椅模型，通过测绘及参考二维尺寸图等手段进行建模。模型一共32个零件，各零件分开建立，通过装配模块进行装配。零件与零件间的连接方式均为榫卯结合，明式圈椅模型的整体效果和炸裂图如图所示。

　　将圈椅模型的STL 文件导入Fotus 450 快速成型设备中，对模型大小进行设置。本次制作过程中明式圈椅模型与实物的比例设置为1∶9，该比例下模型尺寸刚好适宜。

　　设置Fotus 450 快速成型设备的参数，设置加工层厚为0.1 mm，材料挤出速度为50 mm/min，其余参数一般默认由系统进行设置。

　　参数设置完成后，快速成型控制软件自动切片，生成机代码，并开始加工过程。

　　模型加工完成后，进行后处理工艺。后处理工艺的第一步是去除支撑材料，通过手工剥离的方法。支撑剥离过程中产生的毛刺和凹槽，通过打磨抛光去除。主要使用的工具为砂纸、纱绸布、羊绒轮等。进行后续处理后，完成古典家具模型的制作。

　　得益于先进制造技术的发展，通过快速成型技术制作中国古典家具模型，不仅能提高制作效率、降低制作成本，而且实现了科技和文化的融合，凝聚了深刻而丰富的内涵，具有较高的市场推广价值，同时也促进了文化的传播。

　　我们以此来展望未来的家具生产，快速成型技术早日能够实现工业化生产。