3D打印技術(shù)與首飾設(shè)計教育實踐探索

邵翃恩

一、3D打印技術(shù)與第三次工業(yè)革命的興起

美國著名的趨勢學(xué)家杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）在上世紀(jì)90年代末，以精妙的構(gòu)想提出第三次工業(yè)革命的全新經(jīng)濟模式，發(fā)表在他的最新著作《第三次工業(yè)革命——新的經(jīng)濟模式如何改變世界》一書中。他提出的新經(jīng)濟模式是互聯(lián)網(wǎng)與可再生能源相結(jié)合。作者為我們描繪了一幅宏偉的藍(lán)圖：數(shù)以億計的人們將在家里、辦公室里、工廠里生產(chǎn)出自己的綠色能源，并在能源互聯(lián)網(wǎng)上與大家分享，就像現(xiàn)在我們在網(wǎng)上發(fā)布分享消息一樣。能源民主化將從根本上重塑人際關(guān)系，它將影響我們?nèi)绾巫錾狻⑷绾喂芾砩鐣?、如何教育子女和如何生活?/p>

2012年4月出版的英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志推出了第三次工業(yè)革命的專輯，作者是經(jīng)濟學(xué)家（《經(jīng)濟學(xué)人》的編輯）保羅·麥基里（Paul Markillie）。他提出：一種建立在互聯(lián)網(wǎng)和新材料、新能源相互結(jié)合基礎(chǔ)上的工業(yè)革命——第三次工業(yè)革命即將到來。它以制造業(yè)數(shù)字化為核心，將使全球技術(shù)要素和社會要素配置方式發(fā)生革命性變化。他認(rèn)為新材料、3D打印、機器人與自動化技術(shù)及其與互聯(lián)網(wǎng)的眾包、社交型制造和持續(xù)生產(chǎn)模式是這次工業(yè)革命發(fā)生的基礎(chǔ)。他指出未來工廠更關(guān)注于客戶個性化定制、并將使成本變得可控、勞動力要素比重進一步降低，一些目前主要分布在發(fā)展中國家的制造業(yè)、有可能回歸到發(fā)達(dá)國家。

因此，3D打印技術(shù)作為一個新興技術(shù)逐漸流行，將對傳統(tǒng)的打印技術(shù)和方式帶來革命性的改變，它被稱為是第三次工業(yè)革命的標(biāo)志。

二、中國投身第三次工業(yè)革命的重要意義

3D打印技術(shù)的發(fā)展前景遠(yuǎn)大，目前在3D打印領(lǐng)域中發(fā)展最迅速、產(chǎn)值增長最明顯的應(yīng)數(shù)快速模具技術(shù)。3D打印技術(shù)猶如一股猛烈的風(fēng)暴席卷著傳統(tǒng)的制作和加工業(yè)，制造工藝和技術(shù)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，一體成型，不需要二次加工，在材料浪費上有很大的進步，其打印效率和打印速度也有突飛猛進的發(fā)展。當(dāng)然，3D打印技術(shù)也存在一些缺陷：打印機造價昂貴，運行和維修的費用也很高，而且對成型的物體材料要求也很高。軟件的操作難度大，3D軟件處理的數(shù)據(jù)量也很大，不能做到大規(guī)模批量生產(chǎn)，在一些方面難以替代傳統(tǒng)的打印技術(shù)，但是3D打印技術(shù)的發(fā)展前景難以估量，在未來必定成為新時代的標(biāo)桿之一。

杰里米·里夫金在《第三次工業(yè)革命》中文版序言中，把推進第三次工業(yè)革命的重任，寄希望于中國。他指出：中國如果選擇了第三次工業(yè)革命的道路，中國就有可能成為亞洲的龍頭，引領(lǐng)亞洲進入下一個偉大的經(jīng)濟時代，中國將成為第三次工業(yè)革命的主要力量。對于中國而言，最大限度地利用其人才與資源，深刻地認(rèn)知21世紀(jì)上半葉開展的第三次工業(yè)革命，以建立可持續(xù)發(fā)展社會的重要性，應(yīng)該是目前的當(dāng)務(wù)之急。

目前，國內(nèi)3D打印技術(shù)起步晚，與美國、德國等發(fā)達(dá)國家相比，中國的3D打印產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。國內(nèi)3D打印應(yīng)用仍主要停留在科研階段，并未實現(xiàn)在工業(yè)及個人消費領(lǐng)域大規(guī)模推廣。對于正處于培育推廣階段的中國3D產(chǎn)業(yè)而言，政府的重視與政策扶持顯得尤為重要。目前國內(nèi)已有多省市成立了地方3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并在相關(guān)政策中提及要重點發(fā)展3D產(chǎn)業(yè)，教育部也正在制訂方案，讓3D打印機走進學(xué)校。國家相關(guān)計劃的出臺與落實，進一步明確了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，并在政策上給予更多的支持，將成為推動3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要力量，進一步引爆中國的3D打印市場。

三、3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)是一種三維立體式打印，更加接近于客觀事物，是一項新興的技術(shù)，目前在國外已經(jīng)得到發(fā)展與應(yīng)用，取得了一定的成果，被稱為具有工業(yè)革命意義的創(chuàng)新制造技術(shù)。它的工作流程主要分兩步：首先通過先進的計算機軟件設(shè)計出理想的立體式產(chǎn)品模型：然后通過在3D打印機中添加液化、粉末化、絲化的原材料逐層打印出3D式樣的產(chǎn)品。

3D打印技術(shù)的關(guān)鍵有兩點：一是立體式模型的設(shè)計：二是原材料的制造與添加（圖1）。3D打印技術(shù)的主要實現(xiàn)方式是“添加型”制造，這一點與傳統(tǒng)的“去掉型”數(shù)控制造正好相反，這也顯示了其獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的“去掉型”制造方式是以原材料為基礎(chǔ)，通過切割、削磨和熔腐等方法，去除掉多余部分，得到各種所需要的零部件，再通過焊接和拼裝的方式組合成最終產(chǎn)品，制造產(chǎn)品的程序繁雜，產(chǎn)品研制周期長，生產(chǎn)成本高且效率低。而3D打印技術(shù)的“添加型”制造通過在3D打印機中添加原材料就可以直接制造出或打印出任何形狀的物體，使產(chǎn)品的制造程序大大簡化，產(chǎn)品的研制周期間接顯著縮短，促進了生產(chǎn)效率的提高和生產(chǎn)成本的大幅度下降，大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力，因此可以顯著提高經(jīng)濟效益。

由于3D打印技術(shù)能使生產(chǎn)物品的各部分一體化成型，無須組裝，這就使得供應(yīng)鏈縮短了，節(jié)省了勞動力資源和運輸費用，供應(yīng)鏈越短，環(huán)境污染也就越少，有利于實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

四、3D打印在中國珠寶首飾行業(yè)中的現(xiàn)狀

我國珠寶首飾行業(yè)經(jīng)歷了30多年的飛速發(fā)展，目前在生產(chǎn)和消費上已形成相當(dāng)規(guī)模，但是在諸多方面存在不足：（1）加工工費低廉：（2）商業(yè)模式陳舊：（3）品牌區(qū)隔模糊：（4）材料工藝局限：（5）產(chǎn)品附加值低;（6）設(shè)計創(chuàng)新缺乏。

珠寶首飾行業(yè)個人創(chuàng)業(yè)，最大的障礙是生產(chǎn)加工問題，但3D首飾數(shù)字技術(shù)解決了這個問題。首先，設(shè)計師不需要專業(yè)首飾技師的輔助，自己可以通過3D數(shù)字建模技術(shù)解決制作樣版問題：其次，不需要自建工廠，可以通過3D首飾金屬打印機直接打印制造，或者傳輸?shù)街悄芄S，由智能工廠根據(jù)數(shù)據(jù)制造首飾。從此珠寶首飾公司的生產(chǎn)規(guī)模將不再是企業(yè)的決定因素，取而代之的將是創(chuàng)意設(shè)計，這就為獨立首飾設(shè)計師的創(chuàng)業(yè)提供了發(fā)展的空間。目前3D首飾數(shù)字打印技術(shù)在珠寶首飾行業(yè)中的運用的優(yōu)勢：

1、數(shù)字設(shè)計3D起版

珠寶首飾行業(yè)傳統(tǒng)的手工起版，需要經(jīng)過鋸、銼、打磨拋光等復(fù)雜工序，用手工加工模型蠟或者銀銅等非貴重金屬，從而得到一件原始實物模型。目前，普通款式的戒指、吊墜，工匠師傅制作一件蠟版需要一天時間，復(fù)雜的款式則耗時更長，有的一周都未必能做出一個，還有一些很有創(chuàng)意的款式，按照傳統(tǒng)手工制作方式是無法完成的（圖2）。

3D打印技術(shù)則有效地解決了傳統(tǒng)首飾起版加工工藝復(fù)雜、制造周期長等問題，只需要珠寶設(shè)計師或首飾數(shù)字技術(shù)建模師，用電腦繪制3D首飾設(shè)計圖稿，再將3D首飾圖稿數(shù)據(jù)模型文件輸入3D噴蠟打印機或者其它材料打印機，即可進行自動化生產(chǎn)，從而得到原始的起版模型，省去人工起版的環(huán)節(jié)。鑲嵌首飾的鑲口大小可在電腦3D文件中自由更改，從而免掉了以往不同大小鑲口需要重新起版的麻煩。原則上，采用3D首飾數(shù)字技術(shù)，同款鑲嵌戒指可以鑲嵌任何大小的鉆石或彩寶，只需在電腦設(shè)計圖中調(diào)整鑲口的數(shù)據(jù)即可。這樣計算，一款首飾電腦設(shè)計圖至少相當(dāng)于10多個樣版。

2、自控生產(chǎn)縮短周期

設(shè)計師在下班前，會將設(shè)計好的數(shù)據(jù)模型文件圖紙導(dǎo)入到3D噴蠟打印機，第二天上班后，一個個首飾蠟?zāi)＞腿砍尸F(xiàn)在工作平臺上了。打印機晚上自己運行，不用人值守。一晚上就能打印上百個小尺寸蠟?zāi)！?D噴蠟打印過程中，無需人工操作，便可完成復(fù)雜的成型過程，不僅提高了首飾模型制造效率，同時縮短了工藝制作周期（圖3）。

3D打印技術(shù)給首飾設(shè)計行業(yè)帶來了翻天覆地的變化。3D打印技術(shù)的優(yōu)點在于加快產(chǎn)品研發(fā)進度，可根據(jù)需求定制，符合珠寶行業(yè)的特點（圖4）。

五，3D珠寶首飾設(shè)計軟件及輸出設(shè)備簡介

1.軟件

（1）JewelCAD：JewelCAD是由香港電腦珠寶科技有限公司1990年開發(fā)，是用于珠寶首飾設(shè)計/制造的專業(yè)化CAD/CAM軟件（圖5）。其有高度專業(yè)化，高工作效率，簡單易學(xué)的特點，是業(yè)界認(rèn)可首選的CAD/CAM軟件系統(tǒng)。

（2）Rhino犀牛

Rhino是美國Robert McNeel & Assoc，開發(fā)的PC上強大的專業(yè)3D造型軟件（圖6），它可以廣泛地應(yīng)用于三維動畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機械設(shè)計等領(lǐng)域。它能輕易整合3DSMAX與Softimage的模型功能部分，對要求精細(xì)、彈性與復(fù)雜的3D NURBS模型，有點石成金的效能。

JewelCAD加快了首飾款式更新的速度。目前，首飾設(shè)計軟件中，JewelCAD和Rhino的使用人數(shù)最多。Rhino的建模功能強大，而且渲染效果更佳：而JeweLCAD工作效率高、渲染速度快、針對性強、操作容易，并且能直接參與制模，適合商業(yè)用途。

（3）3Design

法國Visionnumeric公司成立于1988年，一直致力于開發(fā)建模軟件，從工業(yè)設(shè)計到珠寶設(shè)計，凝聚了該企業(yè)數(shù)年來的科研成果，是其應(yīng)用于珠寶的3Design首飾建模軟件。如今該軟件儼然成為后起之秀，并且在業(yè)內(nèi)好評如潮（圖7）。

3Design提供了一種獨特的參數(shù)結(jié)構(gòu)樹，它記錄了設(shè)計中的每一個歷史參數(shù)，不需要返回草圖重新開始設(shè)計，而只需要直接修改草圖形狀或修改3D造型參數(shù)，系統(tǒng)會自動全面進行更新。它可以幫把2D的草圖轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸嵉?D圖形。只要通過一般的掃描儀把畫好的草圖掃描成普通的圖片格式，傳入3Design中，將自動轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw三視圖。在3Design里面可以輕松地排列寶石，它提供了自動和手動兩種排列方式，可以對任意一顆寶石的屬性進行修改。3Design也提供了豐富的資源庫，包括各類戒指、寶石、戒托、珍珠、水晶、及形態(tài)各異的2D截面形狀等等，并且整合了施華洛世奇所有的時尚水晶部件，也可以把自己設(shè)計的作品存入資源庫中。該軟件的誕生，對于首飾設(shè)計的教學(xué)及設(shè)計師培養(yǎng)具有極大的幫助（圖8-9）。

2.輸出設(shè)備

（1）3D首飾噴蠟打印機

3D首飾噴蠟機在90年代初已經(jīng)有了，但是因為當(dāng)時3D打印機及耗材昂貴，以及打印材料性能差，在珠寶首飾這一領(lǐng)域一直沒有大的發(fā)展。而隨著此項技術(shù)的不斷發(fā)展，3D噴蠟打印機及耗材已廣泛使用。使用3D首飾打印機制作樣品，使產(chǎn)品研發(fā)環(huán)節(jié)比傳統(tǒng)手工雕蠟或手工起銀版更快捷節(jié)省成本。

成型過程是指用計算機控制的噴嘴，噴成一個很薄的平面圖形，每完成一幅這種平面圖形后，以下降同樣薄的厚度再噴（圖10）。這樣，一層層的平面圖形就疊成極為復(fù)雜的部件，其實也就是相當(dāng)于把首飾物件的切面一層層噴出來。

JewelCAD分為切薄片和數(shù)控加工兩部分，支持的快速成型系統(tǒng)有Soliscape，3D Systems，EnvisionTEC，OBJET，MEIKO，Roland等公司的機器（圖11）。

（2）3D首飾金屬打印機

雖然3D金屬打印機技術(shù)已成熟，但是由于3D金屬打印機價格昂貴，特別是首飾用3D金屬打印機要求精度高，所以制造價格將更加昂貴，加之黃金等貴金屬粉末加工費高，打印過程損耗大等諸多因素，導(dǎo)致目前沒有運用到珠寶首飾行業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中（圖12）。

五、3D打印技術(shù)近年來在國內(nèi)首飾教育領(lǐng)域的實踐

珠寶首飾設(shè)計高等教育在我國起步較晚，但為了適應(yīng)中國珠寶市場迅速發(fā)展，首飾行業(yè)急需高素質(zhì)的設(shè)計師以承擔(dān)創(chuàng)建國內(nèi)品牌，國內(nèi)的珠寶首飾設(shè)計專業(yè)近十年內(nèi)在全國各地如雨后春筍般開設(shè)起來。

1993年北京服裝學(xué)院率先在中國設(shè)立了以首飾設(shè)計制作為主干課程的四年制本科裝飾藝術(shù)設(shè)計專業(yè)，將首飾的設(shè)計與制作融為一體。隨后，2005年又有復(fù)旦大學(xué)上海視覺藝術(shù)學(xué)院開設(shè)了首飾設(shè)計本科專業(yè)，該專業(yè)首次引入國外工作室制教學(xué)模式，并聘用海外首飾設(shè)計專家作客座教授。該校從2005年建專業(yè)起，便耗資100多萬元購買了三維電腦建模軟件及后期輸出設(shè)備。學(xué)生在大學(xué)第三年也必須完成電腦三維軟件課程的學(xué)習(xí)，并在四年級開始使用3D建模技術(shù)來完成畢業(yè)創(chuàng)作。據(jù)統(tǒng)計，到2018年至，在畢業(yè)設(shè)計中使用3D建模技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計想法的比例已經(jīng)上升到86%，并且隨著軟件的不斷完善與后期輸出成本的下降，這一百分比會繼續(xù)逐年上升。據(jù)悉，新擴建的上海市建橋珠寶學(xué)院，每屆學(xué)生達(dá)到近百人，已將目前最為前沿的3Design首飾三維設(shè)計軟件引入大學(xué)四年的設(shè)計課程教學(xué)。該校學(xué)生近年來在各大首飾設(shè)計比賽中，憑借3D建模技術(shù)囊括各項大獎，學(xué)生還未畢業(yè)，已被業(yè)內(nèi)設(shè)計公司紛紛預(yù)定。隨著3D首飾設(shè)計及打印技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在不論新老首飾院校，只要開設(shè)首飾設(shè)計專業(yè)，均先后配齊了3D建模軟件與輸出設(shè)備，相關(guān)的教學(xué)課程也在迅速研發(fā)中（圖13）。

我們可以清楚地看到這項技術(shù)在不久的將來，會在沉寂已久的傳統(tǒng)首飾工業(yè)中掀起巨大的革新波瀾。

3D打印是新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，珠寶首飾企業(yè)都在研究如何強占制高點，人才是關(guān)鍵。3D應(yīng)用技術(shù)是支撐首飾智能制造的基礎(chǔ)，而整個珠寶首飾行業(yè)的變革，必然大幅度提高3D應(yīng)用人才的需求量。特別是在操作層面，缺乏文化素質(zhì)高、技術(shù)過硬的3D工程師和3D技術(shù)工人，而那些真正能把技術(shù)與創(chuàng)意相結(jié)合的應(yīng)用型人才，更是少之又少。從長遠(yuǎn)意義上來看，基于產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢，3D打印技術(shù)的首飾設(shè)計教育實踐與探索已經(jīng)成為重中之重。