快速成型對(duì)金屬首飾成型的影響及改變

羅理婷 郭杰 袁玉冰

摘 要：3D打印是當(dāng)今珠寶界、科研界乃至商界的一大熱點(diǎn)。事實(shí)上，3D打印是增材制造技術(shù)中部分快速成型工藝的統(tǒng)稱，相對(duì)于傳統(tǒng)首飾成型而言，快速成型工藝具有制作效率高，執(zhí)模步驟少的特點(diǎn)，被認(rèn)為是首飾造型創(chuàng)新、制作效率提升的一個(gè)極大突破點(diǎn)。本文分別介紹了技術(shù)發(fā)展較為成熟的粉末成型、分層薄片成型的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合自身專業(yè)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，小結(jié)了分層薄片成型、粉末成型制造出的首飾造型特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：3D打印;快速成型;首飾;造型特點(diǎn)

0 前言

進(jìn)入21世紀(jì)后，作為承載了時(shí)代特征的一種商品，首飾的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售隨著科技水平的發(fā)展發(fā)生了巨大的改變。首飾從設(shè)計(jì)到實(shí)物的過(guò)程由過(guò)去傳統(tǒng)的二維與三維的轉(zhuǎn)化漸漸過(guò)渡到直接在三維的環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、成型的模式;數(shù)字化技術(shù)也使得首飾技藝中的金屬首飾成型方式更加多樣化、效率極大提升;這種改變究其根本原因是2000年后計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)精細(xì)化、專業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)和計(jì)算機(jī)硬件性能的飛速提升。這種趨勢(shì)和提升促進(jìn)了數(shù)字化技術(shù)以星火燎原之勢(shì)迅速發(fā)展起來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域的中的運(yùn)用也越來(lái)越成熟，普及面也越來(lái)越廣。

在數(shù)字技術(shù)興起的大背景下，越來(lái)越多的時(shí)尚設(shè)計(jì)師和首飾藝術(shù)家投身到探索數(shù)字技術(shù)的行列，結(jié)合CAD、3D打印技術(shù)進(jìn)行首飾創(chuàng)作成為當(dāng)前首飾制作的熱門話題。

1 金屬首飾成型中的數(shù)字化技術(shù)類型

失蠟鑄造和沖壓是傳統(tǒng)的金屬首飾成型方式，隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代金屬首飾成型呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)，例如在電鍍外延生長(zhǎng)法、機(jī)械沖壓、3D打印技術(shù)等現(xiàn)代金屬首飾成型方式，這種多元化的總體發(fā)展使金屬首飾成型過(guò)程更快，制作成本更低，制作時(shí)間更短、首飾造型和肌理更加多樣化。

目前國(guó)內(nèi)金屬首飾成型中數(shù)字化技術(shù)主要采用的是增材制造技術(shù)（簡(jiǎn)稱AM），是指一種與傳統(tǒng)的材料去除加工方法截然相反的，通過(guò)增加材料、基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法。

增材制造技術(shù)包括RP和RM技術(shù)。

快速制造（簡(jiǎn)稱RM），有狹義和廣義之分，狹義上是基于激光粉末燒結(jié)快速成型技術(shù)的全新制造理念，實(shí)際上屬于快速成型技術(shù)的其中一個(gè)分支，它是指從電子數(shù)據(jù)直接自動(dòng)地進(jìn)行快速的、柔性并具有較低成本的制造方式?？焖僦圃炫c一般的快速成型技術(shù)相比，在于可以直接生產(chǎn)最終產(chǎn)品，能夠適應(yīng)從單件產(chǎn)品制造到批量的個(gè)性化產(chǎn)品制造;而廣義上，快速制造可以包括“快速模具”技術(shù)和精密機(jī)械數(shù)控加工技術(shù)在內(nèi)，因此可以與快速成型技術(shù)分庭抗禮，各擅勝場(chǎng)。

快速成型（簡(jiǎn)稱RP），誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種新型技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。

目前國(guó)內(nèi)習(xí)慣把快速成型技術(shù)叫作“3D打印”或者“三維打印”，但是實(shí)際上，它們只是快速成型的一個(gè)分支，只能代表部分快速成型工藝。3D打印技術(shù)是指以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，并運(yùn)用金屬、有機(jī)聚合物等延展性好、可塑性強(qiáng)的材料，通過(guò)電腦控制下的逐層打印方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，其基本原理是將復(fù)雜的三維形狀或幾何體分解成二維平面層層堆疊，最終實(shí)現(xiàn)立體成型。其最大特點(diǎn)是小型化和易操作，根據(jù)打印方式的不同，3DP三維打印技術(shù)可分為熱爆式三維打印、壓電式三維打印、DLP投影式三維打印等。

金屬首飾成型中數(shù)字化技術(shù)主要是指金屬成品一步成型，涵蓋快速成型中的光聚合成型、粉末成型、分層薄片成型等，隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，成型后的執(zhí)模流程和步驟越來(lái)越少，部分技術(shù)成型后首飾只需經(jīng)過(guò)拋光、鑲嵌即可直接進(jìn)入市場(chǎng)。

1.1 粉末成型

粉末成型是指在計(jì)算機(jī)上利用三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后通過(guò)切片軟件對(duì)該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，設(shè)備將按照這些填充掃描線，通過(guò)激光、電子束等高能射線使得金屬粉末熔化，而后熔體在二維平面冷卻、成型，最終實(shí)現(xiàn)三維立體成型的技術(shù)。

粉末成型中的激光固結(jié)成型技術(shù)（縮寫為DMLS）、激光融化成型技術(shù)（縮寫為DMLM）、激光粉末融化成型技術(shù)（縮寫為PLM）、激光選區(qū)熔化技術(shù)（縮寫為SLM）、激光選區(qū)熔融技術(shù)（縮寫為SLS）都是金屬首飾一步成型的重要技術(shù)。

其中激光選區(qū)熔融技術(shù)（縮寫為SLS）是目前金屬首飾快速成型常用方法之一，該法采用C02激光器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉末材料。在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄的（100μ-200μ） 粉末，激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理便獲得零件。

激光選區(qū)熔融技術(shù)既可以歸入快速成型的范疇，也可以歸入快速制造的范疇，因?yàn)槭褂眉す膺x區(qū)熔融技術(shù)可以直接快速制造最終產(chǎn)品。使用激光選區(qū)熔融技術(shù)設(shè)備，可以直接制造金屬首飾， 也可以直接制造復(fù)雜功能零件，硬度達(dá)到可達(dá)較高洛氏硬度，性能達(dá)到鍛件級(jí)別的金屬磨具。正是由于該技術(shù)的小批量特殊、復(fù)雜功能件的快速制造能力，且可以多個(gè)零件一次性成型制造，實(shí)現(xiàn)多品種、個(gè)性化的小批量快速制造，使該技術(shù)在珠寶等不同領(lǐng)域廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。盡管如此，粉末成型技術(shù)還存在一些需要完善的地方。例如，在激光燒結(jié)的過(guò)程中可能產(chǎn)生空隙，用于制造的粉末容易被困在內(nèi)部，對(duì)于高價(jià)值的首飾金屬來(lái)說(shuō)這無(wú)疑是一種浪費(fèi)。

粉末成型的首飾精度較高，風(fēng)格跨度范圍大，后期處理容易，可制造現(xiàn)代簡(jiǎn)約風(fēng)格、傳統(tǒng)風(fēng)格等首飾。該技術(shù)用于鉚接或耦合結(jié)構(gòu)首飾可達(dá)到較高的精確度和銜接性。由于采用的是固體原料，這項(xiàng)技術(shù)在制造懸空或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的首飾時(shí)不需要額外的支撐物，這對(duì)于層次豐富，尤其是內(nèi)部有復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)的首飾的成型有明顯優(yōu)勢(shì)，可以制作傳統(tǒng)工藝很難或無(wú)法達(dá)到的空心、多層鏤空、柔韌性好的首飾，例如絲網(wǎng)狀、蕾絲狀等類型首飾。

1.2 分層薄片成型

分層薄片成型是指激光、電子束等高能射線使得層狀金屬材料熔化，而后熔體在二維平面冷卻、成型，最終實(shí)現(xiàn)三維立體成型的技術(shù)。分層薄片成型中的激光融化成型技術(shù)（LaserCUSING?）是首飾一步成型的重要技術(shù)。

LaserCUSING這一術(shù)語(yǔ)來(lái)自Concept Laser和表示完全熔化的FUSING這一單詞。該技術(shù)中用于貴金屬金屬首飾成型時(shí)，貴金屬粉末需要特別的制備，以滿足在激光束照射下完全融化，內(nèi)應(yīng)力、變形小的要求。其具體的加工過(guò)程為：氮?dú)鈧}(cāng)中金屬粉末逐層敷設(shè)→激光逐層熔化金屬粉末→金屬粉末逐層凝固（每層厚度最小可達(dá)25μm），最終凝聚成幾何形狀復(fù)雜、滿足首飾機(jī)械性能的成品首飾。

分層薄片成型技術(shù)生產(chǎn)過(guò)程中金屬的內(nèi)應(yīng)力和變形較小，與原金屬材料的性質(zhì)更接近，這對(duì)于制造體積或面積較大、曲面、管狀等造型的首飾生產(chǎn)有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如弧度較大的曲面首飾和管狀首飾，利用分層薄片成型技術(shù)能得到形態(tài)和金屬性能較好的首飾成品。因?yàn)槭遣捎弥饘臃绞街圃?，除一般首飾樣式外，還可以生產(chǎn)混合材質(zhì)、傳統(tǒng)工藝中較難實(shí)現(xiàn)的具有現(xiàn)代感、概念性和視覺(jué)效果豐富的時(shí)尚首飾。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)過(guò)程中需要額外的支撐材料，后期往往要進(jìn)行大量加工處理，這就造成材料及制作工時(shí)的浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。

2 數(shù)字化技術(shù)對(duì)金屬首飾成型的影響

快速成型技術(shù)在金屬首飾一步成型中的應(yīng)用，能夠減少制作首飾時(shí)的工具損耗、減少首飾制作時(shí)間、生產(chǎn)重量更輕的首飾，非常適合于制作鏤空、中空或柔韌性好的首飾。盡管這種應(yīng)用使得首飾設(shè)計(jì)作品的造型和紋飾出現(xiàn)了突破性的轉(zhuǎn)變，但是它并不能替代傳統(tǒng)的金屬首飾成型，因?yàn)榇蛴⊥瓿傻奈锲吠ǔ＿€需要打磨、清洗、拋光、焊接等后期處理流程。

此外，快速成型技術(shù)在自身關(guān)鍵性能方面，如速度，分辨率，自主操作，易用性，可靠性和可重復(fù)性還需進(jìn)一步改善。以3D打印為例，速度方面，目前可以通過(guò)增加3D打印機(jī)的打印頭數(shù)量，或改進(jìn)傳統(tǒng)的笛卡爾打印機(jī)和三角洲機(jī)器人打印機(jī)的打印機(jī)頭移動(dòng)方式，使得打印速度更快。易用性和可靠性方面，自動(dòng)化的3D打印導(dǎo)致成品中出現(xiàn)許多常見錯(cuò)誤和影響可靠性的問(wèn)題，如支撐結(jié)構(gòu)的缺失等，預(yù)期未來(lái)如果有一個(gè)反饋系統(tǒng)，能提供的打印處理、檢測(cè)缺陷或偏離設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且允許適當(dāng)?shù)母深A(yù)。這在一定程度會(huì)提高打印過(guò)程的可靠性和可重復(fù)性。分辨率方面，如果3D打印分辨率能小于50微米時(shí)，成品二維層層堆疊的結(jié)構(gòu)基本不可辨。此外，3D打印過(guò)程是不可預(yù)測(cè)的，這不僅表現(xiàn)在為了獲得正確的結(jié)果需要對(duì)成品進(jìn)行大量的修補(bǔ)，也表現(xiàn)為同一模型在不同的打印機(jī)上輸出結(jié)果往往不一致。

基于上述原因，快速成型技術(shù)只是傳統(tǒng)金屬首飾成型的一種有效的補(bǔ)充或者說(shuō)多元化表達(dá)的一個(gè)方向而已，在更多情況下傳統(tǒng)的失蠟鑄造或者沖壓仍然不失為一種更有效率的制作方式。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化技術(shù)使得金屬首飾成型效率得到極大的提高，對(duì)于制作者的手工熟練程度要求也降低，與之伴隨的是對(duì)電腦設(shè)計(jì)能力、空間想象能力的逐步提高。這些變化對(duì)金屬首飾成型相關(guān)領(lǐng)域，如首飾的設(shè)計(jì)思潮、金屬冶金、寶石檢測(cè)技術(shù)、首飾消費(fèi)模式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，甚至首飾技能的教育方式也隨之發(fā)生了變化。以金屬冶金為例，基于3D打印金屬粉末必須滿足粒徑細(xì)小、粒度分布窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高這幾項(xiàng)性能，納米技術(shù)成為3D打印金屬粉末突破的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。以銅為例，普通體積的銅的熔點(diǎn)為1084.5℃（1984.1°F），但納米銅顆粒熔點(diǎn)只有389.5℃（733.1°F），一旦納米級(jí)的金屬原料能夠被大規(guī)模制備，3D打印將會(huì)被進(jìn)一步普及，珠寶行業(yè)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的行業(yè)進(jìn)入壁壘將不斷減低。我們甚至可預(yù)期在將來(lái)的某一天，普通的素金設(shè)計(jì)和加工將會(huì)消失，寶石粗胚磨制工將會(huì)消失，與之對(duì)應(yīng)的是對(duì)于首飾后期精細(xì)加工的巨大需求，首飾設(shè)計(jì)師在這種趨勢(shì)下也應(yīng)當(dāng)逐漸強(qiáng)化自身素養(yǎng)，強(qiáng)化版權(quán)意識(shí)，適應(yīng)新的時(shí)代趨勢(shì)對(duì)自身的要求和發(fā)展。

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