快速成型對金屬首飾成型的影響及改變

羅理婷 郭杰 袁玉冰

摘 要：3D打印是當今珠寶界、科研界乃至商界的一大熱點。事實上，3D打印是增材制造技術中部分快速成型工藝的統稱，相對于傳統首飾成型而言，快速成型工藝具有制作效率高，執模步驟少的特點，被認為是首飾造型創新、制作效率提升的一個極大突破點。本文分別介紹了技術發展較為成熟的粉末成型、分層薄片成型的技術特點，并結合自身專業和實踐經驗，小結了分層薄片成型、粉末成型制造出的首飾造型特點優勢。

關鍵詞：3D打印;快速成型;首飾;造型特點

0 前言

進入21世紀后，作為承載了時代特征的一種商品，首飾的設計、生產和銷售隨著科技水平的發展發生了巨大的改變。首飾從設計到實物的過程由過去傳統的二維與三維的轉化漸漸過渡到直接在三維的環境下構思、設計、成型的模式;數字化技術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年后計算機軟件開發精細化、專業化發展趨勢和計算機硬件性能的飛速提升。這種趨勢和提升促進了數字化技術以星火燎原之勢迅速發展起來，在各個領域的中的運用也越來越成熟，普及面也越來越廣。

在數字技術興起的大背景下，越來越多的時尚設計師和首飾藝術家投身到探索數字技術的行列，結合CAD、3D打印技術進行首飾創作成為當前首飾制作的熱門話題。

1 金屬首飾成型中的數字化技術類型

失蠟鑄造和沖壓是傳統的金屬首飾成型方式，隨著科技的進步，現代金屬首飾成型呈現多元化發展趨勢，例如在電鍍外延生長法、機械沖壓、3D打印技術等現代金屬首飾成型方式，這種多元化的總體發展使金屬首飾成型過程更快，制作成本更低，制作時間更短、首飾造型和肌理更加多樣化。

目前國內金屬首飾成型中數字化技術主要采用的是增材制造技術（簡稱AM），是指一種與傳統的材料去除加工方法截然相反的，通過增加材料、基于三維CAD模型數據，通常采用逐層制造方式，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。

增材制造技術包括RP和RM技術。

快速制造（簡稱RM），有狹義和廣義之分，狹義上是基于激光粉末燒結快速成型技術的全新制造理念，實際上屬于快速成型技術的其中一個分支，它是指從電子數據直接自動地進行快速的、柔性并具有較低成本的制造方式。快速制造與一般的快速成型技術相比，在于可以直接生產最終產品，能夠適應從單件產品制造到批量的個性化產品制造;而廣義上，快速制造可以包括“快速模具”技術和精密機械數控加工技術在內，因此可以與快速成型技術分庭抗禮，各擅勝場。

快速成型（簡稱RP），誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種新型技術，被認為是近20年來制造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。

目前國內習慣把快速成型技術叫作“3D打印”或者“三維打印”，但是實際上，它們只是快速成型的一個分支，只能代表部分快速成型工藝。3D打印技術是指以數字模型文件為基礎，并運用金屬、有機聚合物等延展性好、可塑性強的材料，通過電腦控制下的逐層打印方式來構造物體的技術，其基本原理是將復雜的三維形狀或幾何體分解成二維平面層層堆疊，最終實現立體成型。其最大特點是小型化和易操作，根據打印方式的不同，3DP三維打印技術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。

金屬首飾成型中數字化技術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，隨著快速成型技術的發展，成型后的執模流程和步驟越來越少，部分技術成型后首飾只需經過拋光、鑲嵌即可直接進入市場。

1.1 粉末成型

粉末成型是指在計算機上利用三維造型軟件設計出零件的三維實體模型，然后通過切片軟件對該三維模型進行切片分層，得到各截面的輪廓數據，由輪廓數據生成填充掃描路徑，設備將按照這些填充掃描線，通過激光、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，最終實現三維立體成型的技術。

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

其中激光選區熔融技術（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。在工作臺上均勻鋪上一層很薄的（100μ-200μ） 粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結，一層完成后再進行下一層燒結。全部燒結完后去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理便獲得零件。

激光選區熔融技術既可以歸入快速成型的范疇，也可以歸入快速制造的范疇，因為使用激光選區熔融技術可以直接快速制造最終產品。使用激光選區熔融技術設備，可以直接制造金屬首飾， 也可以直接制造復雜功能零件，硬度達到可達較高洛氏硬度，性能達到鍛件級別的金屬磨具。正是由于該技術的小批量特殊、復雜功能件的快速制造能力，且可以多個零件一次性成型制造，實現多品種、個性化的小批量快速制造，使該技術在珠寶等不同領域廣泛的認可和應用。盡管如此，粉末成型技術還存在一些需要完善的地方。例如，在激光燒結的過程中可能產生空隙，用于制造的粉末容易被困在內部，對于高價值的首飾金屬來說這無疑是一種浪費。

粉末成型的首飾精度較高，風格跨度范圍大，后期處理容易，可制造現代簡約風格、傳統風格等首飾。該技術用于鉚接或耦合結構首飾可達到較高的精確度和銜接性。由于采用的是固體原料，這項技術在制造懸空或內部結構復雜的首飾時不需要額外的支撐物，這對于層次豐富，尤其是內部有復雜異型結構的首飾的成型有明顯優勢，可以制作傳統工藝很難或無法達到的空心、多層鏤空、柔韌性好的首飾，例如絲網狀、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，最終實現三維立體成型的技術。分層薄片成型中的激光融化成型技術（LaserCUSING?）是首飾一步成型的重要技術。

LaserCUSING這一術語來自Concept Laser和表示完全熔化的FUSING這一單詞。該技術中用于貴金屬金屬首飾成型時，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，內應力、變形小的要求。其具體的加工過程為：氮氣倉中金屬粉末逐層敷設→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25μm），最終凝聚成幾何形狀復雜、滿足首飾機械性能的成品首飾。

分層薄片成型技術生產過程中金屬的內應力和變形較小，與原金屬材料的性質更接近，這對于制造體積或面積較大、曲面、管狀等造型的首飾生產有明顯的優勢。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能得到形態和金屬性能較好的首飾成品。因為是采用逐層方式制造，除一般首飾樣式外，還可以生產混合材質、傳統工藝中較難實現的具有現代感、概念性和視覺效果豐富的時尚首飾。其缺點是生產過程中需要額外的支撐材料，后期往往要進行大量加工處理，這就造成材料及制作工時的浪費，增加生產成本。

2 數字化技術對金屬首飾成型的影響

快速成型技術在金屬首飾一步成型中的應用，能夠減少制作首飾時的工具損耗、減少首飾制作時間、生產重量更輕的首飾，非常適合于制作鏤空、中空或柔韌性好的首飾。盡管這種應用使得首飾設計作品的造型和紋飾出現了突破性的轉變，但是它并不能替代傳統的金屬首飾成型，因為打印完成的物品通常還需要打磨、清洗、拋光、焊接等后期處理流程。

此外，快速成型技術在自身關鍵性能方面，如速度，分辨率，自主操作，易用性，可靠性和可重復性還需進一步改善。以3D打印為例，速度方面，目前可以通過增加3D打印機的打印頭數量，或改進傳統的笛卡爾打印機和三角洲機器人打印機的打印機頭移動方式，使得打印速度更快。易用性和可靠性方面，自動化的3D打印導致成品中出現許多常見錯誤和影響可靠性的問題，如支撐結構的缺失等，預期未來如果有一個反饋系統，能提供的打印處理、檢測缺陷或偏離設計的實時監控，并且允許適當的干預。這在一定程度會提高打印過程的可靠性和可重復性。分辨率方面，如果3D打印分辨率能小于50微米時，成品二維層層堆疊的結構基本不可辨。此外，3D打印過程是不可預測的，這不僅表現在為了獲得正確的結果需要對成品進行大量的修補，也表現為同一模型在不同的打印機上輸出結果往往不一致。

基于上述原因，快速成型技術只是傳統金屬首飾成型的一種有效的補充或者說多元化表達的一個方向而已，在更多情況下傳統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 結語

數字化技術使得金屬首飾成型效率得到極大的提高，對于制作者的手工熟練程度要求也降低，與之伴隨的是對電腦設計能力、空間想象能力的逐步提高。這些變化對金屬首飾成型相關領域，如首飾的設計思潮、金屬冶金、寶石檢測技術、首飾消費模式產生了深遠影響，甚至首飾技能的教育方式也隨之發生了變化。以金屬冶金為例，基于3D打印金屬粉末必須滿足粒徑細小、粒度分布窄、球形度高、流動性好和松裝密度高這幾項性能，納米技術成為3D打印金屬粉末突破的一個關鍵點。以銅為例，普通體積的銅的熔點為1084.5℃（1984.1°F），但納米銅顆粒熔點只有389.5℃（733.1°F），一旦納米級的金屬原料能夠被大規模制備，3D打印將會被進一步普及，珠寶行業的設計和創新的行業進入壁壘將不斷減低。我們甚至可預期在將來的某一天，普通的素金設計和加工將會消失，寶石粗胚磨制工將會消失，與之對應的是對于首飾后期精細加工的巨大需求，首飾設計師在這種趨勢下也應當逐漸強化自身素養，強化版權意識，適應新的時代趨勢對自身的要求和發展。

參考文獻：

[1] Frank CooperDMLM Supports： Are They the JewelryIndustrys New Sprue， Riser and Gate Feed？[C]. The santa fe symposium on jewelry manufacturing technology May，2014：1-22.

[2] Elizabeth Brehmer John J.Alves，Jr . Is the Jewelry Industry Addressing Training and Educational Needs？[C]. The santa fe symposium on jewelry manufacturing technology May，2014：1-16.