快速成型对金属首饰成型的影响及改变

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　　摘 要：3D打印是当今珠宝界、科研界乃至商界的一大热点。事实上，3D打印是增材制造技术中部分快速成型工艺的统称，相对于传统首饰成型而言，快速成型工艺具有制作效率高，执模步骤少的特点，被认为是首饰造型创新、制作效率提升的一个极大突破点。本文分别介绍了技术发展较为成熟的粉末成型、分层薄片成型的技术特点，并结合自身专业和实践经验，小结了分层薄片成型、粉末成型制造出的首饰造型特点优势。
　　关键词：3D打印;快速成型;首饰;造型特点
　　0 前言
　　进入21世纪后，作为承载了时代特征的一种商品，首饰的设计、生产和销售随着科技水平的发展发生了巨大的改变。首饰从设计到实物的过程由过去传统的二维与三维的转化渐渐过渡到直接在三维的环境下构思、设计、成型的模式;数字化技术也使得首饰技艺中的金属首饰成型方式更加多样化、效率极大提升;这种改变究其根本原因是2000年后计算机软件开发精细化、专业化发展趋势和计算机硬件性能的飞速提升。这种趋势和提升促进了数字化技术以星火燎原之势迅速发展起来，在各个领域的中的运用也越来越成熟，普及面也越来越广。
　　在数字技术兴起的大背景下，越来越多的时尚设计师和首饰艺术家投身到探索数字技术的行列，结合CAD、3D打印技术进行首饰创作成为当前首饰制作的热门话题。
　　1 金属首饰成型中的数字化技术类型
　　失蜡铸造和冲压是传统的金属首饰成型方式，随着科技的进步，现代金属首饰成型呈现多元化发展趋势，例如在电镀外延生长法、机械冲压、3D打印技术等现代金属首饰成型方式，这种多元化的总体发展使金属首饰成型过程更快，制作成本更低，制作时间更短、首饰造型和肌理更加多样化。
　　目前国内金属首饰成型中数字化技术主要采用的是增材制造技术（简称AM），是指一种与传统的材料去除加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。
　　增材制造技术包括RP和RM技术。
　　快速制造（简称RM），有狭义和广义之分，狭义上是基于激光粉末烧结快速成型技术的全新制造理念，实际上属于快速成型技术的其中一个分支，它是指从电子数据直接自动地进行快速的、柔性并具有较低成本的制造方式。快速制造与一般的快速成型技术相比，在于可以直接生产最终产品，能够适应从单件产品制造到批量的个性化产品制造;而广义上，快速制造可以包括“快速模具”技术和精密机械数控加工技术在内，因此可以与快速成型技术分庭抗礼，各擅胜场。
　　快速成型（简称RP），诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种新型技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。
　　目前国内习惯把快速成型技术叫作“3D打印”或者“三维打印”，但是实际上，它们只是快速成型的一个分支，只能代表部分快速成型工艺。3D打印技术是指以数字模型文件为基础，并运用金属、有机聚合物等延展性好、可塑性强的材料，通过电脑控制下的逐层打印方式来构造物体的技术，其基本原理是将复杂的三维形状或几何体分解成二维平面层层堆叠，最终实现立体成型。其最大特点是小型化和易操作，根据打印方式的不同，3DP三维打印技术可分为热爆式三维打印、压电式三维打印、DLP投影式三维打印等。
　　金属首饰成型中数字化技术主要是指金属成品一步成型，涵盖快速成型中的光聚合成型、粉末成型、分层薄片成型等，随着快速成型技术的发展，成型后的执模流程和步骤越来越少，部分技术成型后首饰只需经过抛光、镶嵌即可直接进入市场。
　　1.1 粉末成型
　　粉末成型是指在计算机上利用三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，通过激光、电子束等高能射线使得金属粉末熔化，而后熔体在二维平面冷却、成型，最终实现三维立体成型的技术。
　　粉末成型中的激光固结成型技术（缩写为DMLS）、激光融化成型技术（缩写为DMLM）、激光粉末融化成型技术（缩写为PLM）、激光选区熔化技术（缩写为SLM）、激光选区熔融技术（缩写为SLS）都是金属首饰一步成型的重要技术。
　　其中激光选区熔融技术（缩写为SLS）是目前金属首饰快速成型常用方法之一，该法采用C02激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的（100μ-200μ） 粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。
　　激光选区熔融技术既可以归入快速成型的范畴，也可以归入快速制造的范畴，因为使用激光选区熔融技术可以直接快速制造最终产品。使用激光选区熔融技术设备，可以直接制造金属首饰， 也可以直接制造复杂功能零件，硬度达到可达较高洛氏硬度，性能达到锻件级别的金属磨具。正是由于该技术的小批量特殊、复杂功能件的快速制造能力，且可以多个零件一次性成型制造，实现多品种、个性化的小批量快速制造，使该技术在珠宝等不同领域广泛的认可和应用。尽管如此，粉末成型技术还存在一些需要完善的地方。例如，在激光烧结的过程中可能产生空隙，用于制造的粉末容易被困在内部，对于高价值的首饰金属来说这无疑是一种浪费。
　　粉末成型的首饰精度较高，风格跨度范围大，后期处理容易，可制造现代简约风格、传统风格等首饰。该技术用于铆接或耦合结构首饰可达到较高的精确度和衔接性。由于采用的是固体原料，这项技术在制造悬空或内部结构复杂的首饰時不需要额外的支撑物，这对于层次丰富，尤其是内部有复杂异型结构的首饰的成型有明显优势，可以制作传统工艺很难或无法达到的空心、多层镂空、柔韧性好的首饰，例如丝网状、蕾丝状等类型首饰。 　　1.2 分层薄片成型
　　分层薄片成型是指激光、电子束等高能射线使得层状金属材料熔化，而后熔体在二维平面冷却、成型，最终实现三维立体成型的技术。分层薄片成型中的激光融化成型技术（LaserCUSING?）是首饰一步成型的重要技术。
　　LaserCUSING这一术语来自Concept Laser和表示完全熔化的FUSING这一单词。该技术中用于贵金属金属首饰成型时，贵金属粉末需要特别的制备，以满足在激光束照射下完全融化，内应力、变形小的要求。其具体的加工过程为：氮气仓中金属粉末逐层敷设→激光逐层熔化金属粉末→金属粉末逐层凝固（每层厚度最小可达25μm），最终凝聚成几何形状复杂、满足首饰机械性能的成品首饰。
　　分层薄片成型技术生产过程中金属的内应力和变形较小，与原金属材料的性质更接近，这对于制造体积或面积较大、曲面、管状等造型的首饰生产有明显的优势。例如弧度较大的曲面首饰和管状首饰，利用分层薄片成型技术能得到形态和金属性能较好的首饰成品。因为是采用逐层方式制造，除一般首饰样式外，还可以生产混合材质、传统工艺中较难实现的具有现代感、概念性和视觉效果丰富的时尚首饰。其缺点是生产过程中需要额外的支撑材料，后期往往要进行大量加工处理，这就造成材料及制作工时的浪费，增加生产成本。
　　2 数字化技术对金属首饰成型的影响
　　快速成型技术在金属首饰一步成型中的应用，能够减少制作首饰时的工具损耗、减少首饰制作时间、生产重量更轻的首饰，非常适合于制作镂空、中空或柔韧性好的首饰。尽管这种应用使得首饰设计作品的造型和纹饰出现了突破性的转变，但是它并不能替代传统的金属首饰成型，因为打印完成的物品通常还需要打磨、清洗、抛光、焊接等后期处理流程。
　　此外，快速成型技术在自身关键性能方面，如速度，分辨率，自主操作，易用性，可靠性和可重复性还需进一步改善。以3D打印为例，速度方面，目前可以通过增加3D打印机的打印头数量，或改进传统的笛卡尔打印机和三角洲机器人打印机的打印机头移动方式，使得打印速度更快。易用性和可靠性方面，自动化的3D打印导致成品中出现许多常见错误和影响可靠性的问题，如支撑结构的缺失等，预期未来如果有一个反馈系统，能提供的打印处理、检测缺陷或偏离设计的实时监控，并且允许适当的干预。这在一定程度会提高打印过程的可靠性和可重复性。分辨率方面，如果3D打印分辨率能小于50微米时，成品二维层层堆叠的结构基本不可辨。此外，3D打印过程是不可预测的，这不仅表现在为了获得正确的结果需要对成品进行大量的修补，也表现为同一模型在不同的打印机上输出结果往往不一致。
　　基于上述原因，快速成型技术只是传统金属首饰成型的一种有效的补充或者说多元化表达的一个方向而已，在更多情况下传统的失蜡铸造或者冲压仍然不失为一种更有效率的制作方式。
　　3 结语
　　数字化技术使得金属首饰成型效率得到极大的提高，对于制作者的手工熟练程度要求也降低，与之伴随的是对电脑设计能力、空间想象能力的逐步提高。这些变化对金属首饰成型相关领域，如首饰的设计思潮、金属冶金、宝石检测技术、首饰消费模式产生了深远影响，甚至首饰技能的教育方式也随之发生了变化。以金属冶金为例，基于3D打印金属粉末必须满足粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松装密度高这几项性能，纳米技术成为3D打印金属粉末突破的一个关键点。以铜为例，普通体积的铜的熔点为1084.5℃（1984.1°F），但纳米铜颗粒熔点只有389.5℃（733.1°F），一旦纳米级的金属原料能够被大规模制备，3D打印将会被进一步普及，珠宝行业的设计和创新的行业进入壁垒将不断减低。我们甚至可预期在将来的某一天，普通的素金设计和加工将会消失，宝石粗胚磨制工将会消失，与之对应的是对于首饰后期精细加工的巨大需求，首饰设计师在这种趋势下也应当逐渐强化自身素养，强化版权意識，适应新的时代趋势对自身的要求和发展。
　　参考文献：
　　[1] Frank CooperDMLM Supports： Are They the JewelryIndustry’s 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.
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