3D打印技術在竹制品生產中的應用研究*

崔俊杰

（鄭州輕工業大學，鄭州 450002)

3D打印技術的出現，顛覆了傳統生產制作基本模式，讓越來越多之前僅僅能夠停留在圖紙作業的產品，經過計算機多媒體的精確分析之后，快速而精準地轉變為實物產品。這項技術可讓竹制品制作，這種需要對竹纖維材質進行精確規劃的生產制作工藝，不再考慮因為人工因素造成的竹制品圖形圖案差異，按照預設的計算機程序進行精細加工。

1 3D打印技術原理

3D打印技術是一種通過材料逐層添加制造三維物體的變革性、數字化增材制造技術[1]。也被稱作“添加制造”。美國ASTM 2009年公布的定義是：一種與傳統的材料去除加工方法相反的，基于三維數字模型的，通過采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝，包括：添加成型、添加工藝、添加技術、添加分層制造、分層制造和無模成型[2]。

2 3D打印技術應用于竹制品生產中設計方式

2.1 “來圖制造”型

在竹制品生產制作過程中融入的3D打印技術，并不是完全將3D打印機以噴涂材料的形式出現，如果將竹纖維做成液態，其纖維的柔韌性會明顯降低。在竹制品基本造型的基礎上，以3D打印技術來對復雜圖形進行“二次加工”，是現階段3D打印技術應用于竹制品生產中的常用方式（如圖1所示）。

這類產品屬于“小眾化”產品，其造型、內容、方式基本按照客戶設計思路上的圖形圖案來完成。這種“來圖制造”看似符合客戶基本需求，然而由于無法有效體現竹制品設計人員對竹制品的設計思路，因此，這些產品符合消費需求，但缺乏創新思路。

圖1 利用3D打印技術完成的竹制品Fig.1 Bamboo products using 3D printing technology

2.2 “定制”型

有很多從事竹制品設計與生產的人認為，定制類型3D打印竹制品與來圖制造型基本類似，其實這是對3D打印技術有效應用的一種認知誤區。這種產品的定制方式，客戶并沒有給出具體的圖形圖案，只是給設計人員提出一個設計方案[3]。因此在產品的設計過程中，設計師可根據其對竹制品的不同理解，勾勒出竹制品特殊造型，再借助專業3D打印機完成生產制造。

圖2 定制型竹制品掛飾Fig.2 Customized hanging decorations for bamboo products

由于設計與生產這種產品，給設計師預留的拓展空間較大，因此設計人員在進行產品定位時，能夠汲取和借鑒的設計方式也較多。將竹制品傳統生產制造工藝與3D打印技術相結合，或者是在之前竹制品傳統生產工藝的基礎上再進行3D打印加工，其藝術性就能夠得到明顯提升（如圖2所示）。

圖2就屬于這種竹制品定制類型的“再加工”生產方式，所有的色彩以及異形結構，都是在之前傳統生產技術及工藝的基礎上借助3D打印技術進行的二次加工[4]，如此一來，產品的色彩與結構就更為艷麗、豐富，所傳達出來的視覺傳遞信號也從之前的平面信號向立體信號升級，從而讓產品的可視性、藝術性特征更為飽滿。

2.3 “創新”型

由于竹纖維具有較強柔韌性，竹制品的造型較易控制，能夠讓其在造型變換上具有較強的適應能力，然而由于竹纖維對于色彩顏料，特別是油脂材料的吸附性較弱，因此在傳統竹制品中，色彩的影響力明顯偏弱[5]。不過當3D打印技術在竹制品生產中得以全面應用之后，這種局面已逐步扭轉（如圖3所示）。

圖3 UV方式3D打印的竹制工藝品Fig.3 Bamboo handicraft using UV 3D printing technology

在竹制品的3D打印生產過程中增加UV方式（如圖3所示）[6]，主要是因為這樣能夠借助多媒體數碼技術，徹底解決打印偏位和打印拉絲不牢固等直接影響產品視覺效果和質量的問題，增加產品色彩的層次感。

但由于UV技術在應用的過程中需要對竹制品的尺寸造型有一定的限制要求，按照現在的技術條件來看[7]，大型或者超大型的產品并不能完成直接生產，所以，竹制品生產設計人員的創新設計方案，基本上以器型較小的產品為主。

另外，考慮到產品的設計生產成本，這種器型較小的產品對于年輕用戶的吸引力較強，這樣就明顯提高了其市場迎合效應，這種小巧精致的產品生產設計模式能較好地適應終端消費市場需求。

3 3D打印技術在竹制品生產中應用難點

盡管從3D打印的竹制品銷售來看，市場前景比較樂觀，但從客觀上來講，目前的生產技術和工藝仍然有待提升，應用難點較多。如不能妥善解決這些問題，將很難有效提升3D打印竹制品的使用壽命。

3.1 竹制材料匹配性

與其它材料的3D打印不同的是，竹制品3D打印產品不僅有一次成型的，還有組合成型的（如圖1所示），這對竹制品材料與打印設備、竹制品的材料與材料之間的匹配性有較高要求。竹纖維在常溫狀態下仍然有較強的活躍性，這就導致其在進行材料匹配的過程中，很容易導致物理特征出現變化，例如纖維素(C6H6O6)n是細菌良好的培養基[8]，但是同等數量的細菌在棉、木纖維上能繁殖，而竹子纖維會抑制細菌生長，具有天然抗菌性的同時，由于纖維表面含有大量—OH羥基易和水分子形成氫鍵，竹原纖維吸濕后水分進入無定形區后，削弱大分子內部鍵能，纖維含量就會從40%降低到25%左右[9]。

要想使竹制品在經過3D打印后保持纖維穩定性的同時，還讓材料之間的匹配性穩定，就必須確保所有竹制品材料保持在纖維直徑為0.03～0.18 mm，纖維長度為10～40 mm,含水量≤15%[10]。

特別需要強調的是，在多色彩3D竹制品打印的過程中，顏料有可能會直接影響到竹纖維的含水率，從而造成竹制品原材料的孔隙增多，剛度明顯增大。避免這種情況出現的最直接方式是提升整個纖維染色性，經過實驗室的階段性實驗分析，將竹纖維的色牢度控制在3.5左右之后，用于3D打印的竹制品材料顏色穩定性有明顯提升。

3.2 竹制材料穩定性

影響竹制品材料工藝品使用壽命的最大制約因素是霉變、蟲蛀，由于按照3D打印技術生產的竹制品已經改變了竹纖維的物理特征，因此無法保證竹纖維的穩定性。運用UV設計及生產制造工藝，能夠在一定程度上提升竹制品材料的穩定性，但是在3D打印過程中，竹纖維材料的溫度會在7～14 ℃的常溫保存期，在60～100 s之間快速達到55～70 ℃之后，在60～100 min之內再恢復到常溫狀態[11]，這是否會破壞掉竹纖維的霉變防護，在實際應用中并沒有得到印證，但在實驗室采取的破壞性采樣實驗階段，出現了由于竹制材料穩定性被破壞之后[12]，竹纖維產生碳化或者是竹纖維中的纖維素物理特性弱化現象。

解決這種問題需要改變竹纖維提取方式，優化3D打印材料，強化竹纖維的穩定性[13]，從而讓整個竹制品材料的濕度一直保持在50%～60%[14]，如條件允許，有必要對竹制品材料，特別是用于3D打印生產方式的打印材料，在完成基礎材料匹配的情況下進行除濕處理，反復加熱和對原材料進行空氣流動，其效果較明顯。

3.3 成品使用壽命延長性

按照傳統生產工藝制作的竹制品一旦開裂就很難完成修復，基本報廢，依照3D打印技術生產的竹制品，雖然能夠較好地規避開裂這個問題[15-25]，但由于其在整體打印過程中沒有運用熏蒸工藝[26-34]，導致防止開裂的藥劑無法被竹纖維吸收，所以3D打印的竹制品韌性較強但剛性較弱，易在鏈接處出現斷裂現象。

解決該問題需要調整的工藝較多。在3D打印的液態材料中增加熏蒸藥水，待3D打印完成之后再對其進行熏蒸工藝的處理[35-44]，但實際應用效果并不理想，原因是由于3D打印的過程會出現加溫效應，而這些熏蒸藥水易揮發，在揮發之后就失去了作用。因而必須要在材料進行3D打印之前進行“加濕-加藥-除濕”的循環操作步驟，如果一次處理效果不明顯，應進行多次循環操作[45-48]，這樣才能促進熏蒸藥水被竹纖維吸收。

4 竹制品生產“3D打印化”展望

現階段被應用于3D打印的竹制品，多為竹粘膠纖維和天然竹纖維兩種，但因其特征和品性之間存在較大差異，所以其設計生產出來的3D打印竹制品物理特性也不完全相同。從終端消費市場的反饋來看，3D打印竹制品受成本制約[49-50]，工業化量產操作性不強，以工藝品形式出現，是下階段竹制品生產“3D打印化”的階段性發展趨勢，只有降低制作成本，才能真正在終端消費市場上實現推廣。

5 結語

3D打印技術具有能縮短產品創新研發周期、簡化產品制作流程、提高產品質量與性能等優點。將該技術應用于竹制品生產中，其設計方式多樣，為竹制品生產企業帶來良好的社會和經濟效益[51-52]。但3D打印技術在竹制材料匹配性、竹制材料穩定性及成品使用壽命延長性等方面存在應用難點；基于此，本文提出了相應解決措施，并分析了竹制品生產“3D打印化”發展趨勢，希望為3D打印技術在竹制品生產中的應用提供借鑒，推動我國竹制品設計制造方式的多元化發展。