金屬3D打印技術在手表上的應用研究

靳磊+劉勝勇+汪欣+張峰+鮑賢勇

摘 要：金屬3D打印技術近年來在各工業領域發展迅速。通過研究，實現了316L不銹鋼3D打印技術在手表上的應用，涉及模型設計、3D打印工藝的選擇、機械加工等，因此，對未來金屬3D打印在手表上的應用方向進行了展望。

關鍵詞：金屬；316L不銹鋼；3D打印；手表

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.156

3D打印技術是一種通過CAD設計數據，并采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術。相比于傳統的材料去除（切削加工）技術，它是一種“自下而上”的材料累加制造方法。與其他制造技術相比，3D打印具有顯而易見的技術優勢，包括允許個性化設計、開發周期短、材料損耗小、機加工成本低，可制造內部網格或空心結構等。目前，3D打印所涉及的材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和金屬材料等。相比高分子材料和陶瓷材料，金屬材料在工業上應用更為廣泛，且當前較多的金屬3D打印樣件的性能已接近鍛件水平。因此，金屬材料的3D打印被認為是最具有工業應用前景的3D打印技術。

作為一種集合外觀設計、生產制造于一體的產品，手表外觀件一般采用金屬制造。此外，它還有著特殊的要求，包括新穎獨特的外觀設計、可靠的結構、較高的表面狀態要求、優異的耐腐蝕性和嚴格的鎳釋放標準等。而金屬3D打印的眾多優勢能在多個方面滿足手表外觀件的特殊要求，這為金屬3D打印在手表行業的應用提供了廣泛的想象空間。然而，目前還未見到金屬3D打印應用于手表的報道。本文進行了316L不銹鋼3D打印手表表殼的研究，并展望了金屬3D打印在手表上的應用前景。

1 模型設計

選取手表表殼中具有代表性的方殼和圓殼進行建模，模型圖分別如圖1中的a和b所示。其中，方殼設計為實心結構。為了考察金屬3D打印制作的空心表殼的可行性，將圓殼內部設計為4種結構，即實心圓殼、空心圓殼、內部帶Х型網格支撐圓殼（圖2中的a）和內部帶Ж型網格支撐圓殼（圖2中的b）。

考慮到金屬3D打印過程中的變形及后續加工余量，所有表殼在非裝配部位留有0.2 mm的余量，裝配部位留有0.4 mm的余量。在空心表殼中，除部分后續需鉆孔的部位外，為了保持表殼足夠的強度，單邊壁厚設計為0.5 mm。空心圓殼、內部帶Х型網格支撐圓殼和內部帶Ж型網格支撐圓殼在內圈不易見部分設計有直徑1 mm的小孔，以便打印完成后空腔內粉末的排出。

2 3D打印工藝

目前，可用于金屬的3D打印工藝包括三維印刷（3DP）、選擇性激光燒結（SLS）、電子束熔融（EBM）和選擇性激光熔接（SLM）等。其中，3DP和SLS技術在樣件的制備過程中，熔化的都是添加的非金屬的粘結劑。這些粘結劑雖能將粉粘結起來，形成具有一定形狀的模型，然而其本身強度較低，不可以作為手表零件直接使用。此外，打印出來的零件存在很多孔洞，與最終所需的致密零件相比差距比較大。為了獲得高強度和高致密度的零件，往往還需要對其進行后續處理（熱等靜壓、燒結等）。因此，在手表上應用3DP和SLS會存在幾個方面的問題：①手表部件多為尺寸精度要求較高的零件，但3DP和SLS制作的制件后續處理時收縮比較大，因此，制件的變形、精度、表面質量難以精確控制；②后續處理增加了成本，延長了制造周期，這與引入3D打印的重要初衷之一——節約成本、縮短制造周期相違背，但EBM的激光束功率較高、熔融前后溫差大、殘余應力高，會使制件在服役過程中存在難以預知的風險。

相比上述3D打印工藝，SLM技術利用高能激光束熔化切片區域內的金屬粉末，成型精度高、表面質量好，性能可達到鍛件水平，是目前受研究者關注最多的3D打印技術之一。本文中的金屬表殼3D打印采用SLM法，所用粉末原料為氣霧化的316L不銹鋼粉末，粉末形狀為近球形。激光粒度測試表明，粉末的d（0.1）、d（0.5）、d（0.9）分別為170，260，410.金屬3D打印的工藝參數為激光功率95 W、掃描速度70 mm/s、掃描間距0.06 mm。

3 機械加工

3D打印完成后，需對表殼進行加工，以滿足結構、尺寸要求。方殼和圓殼所采用的加工路線分別如圖3和圖4所示。上述加工完成后，再對表殼研磨、拋光、拉砂、噴砂，以滿足手表的外觀要求。

4 結論

最終制備的表殼如圖5所示。經過檢測，各表殼均可滿足結構和尺寸設計要求。在外觀上，除了拋光的表殼存在細小麻點外，拉砂和噴砂態的表殼都滿足外觀要求，可作為手表外觀件直接使用，實現了金屬3D打印技術在手表上的應用。

5 展望

金屬3D打印技術在手表上的應用為手表的制造提供了新途徑。展望未來，金屬3D打印在手表行業可能在以下幾個方面具有較大的發展潛力：①個性化手表的制作。3D打印無需模具，使得個性化的手表制作不再需要昂貴的模具和較長的制造周期。②奇異面的加工。3D打印可使傳統機加工方式無法實現的奇異面制作變為可能，可以在設計時突破傳統機加工方式的局限。③節約樣板生產費用。可以快速、低成本地開發樣板。④貴金屬手表的制作。由于3D打印可以制作空心物品，因此，對于材料成本極高的貴金屬手表的制作，3D打印在節約原材料上具有傳統減材制造不可比擬的優勢。

雖然金屬3D打印技術在手表上的應用前景廣泛，但目前金屬3D打印還在諸多方面存在問題，比如尺寸精度、表面質量、復雜面的后續加工等。這些不僅是3D打印的現實問題，還涉及到外觀設計、結構設計、后續加工等一系列系統工程，只有在各環節協同發展、共同進步的情況下，金屬3D打印才可能在手表行業實現更為廣泛的應用。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕