3D打印技术与首饰设计教育实践探索

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　　一、3D打印技术与第三次工业革命的兴起
　　美国著名的趋势学家杰里米·里夫金（Jeremy Rifkin）在上世纪90年代末，以精妙的构想提出第三次工业革命的全新经济模式，发表在他的最新著作《第三次工业革命——新的经济模式如何改变世界》一书中。他提出的新经济模式是互联网与可再生能源相结合。作者为我们描绘了一幅宏伟的蓝图：数以亿计的人们将在家里、办公室里、工厂里生产出自己的绿色能源，并在能源互联网上与大家分享，就像现在我们在网上发布分享消息一样。能源民主化将从根本上重塑人际关系，它将影响我们如何做生意、如何管理社会、如何教育子女和如何生活。
　　2012年4月出版的英国《经济学人》杂志推出了第三次工业革命的专辑，作者是经济学家（《经济学人》的编辑）保罗·麦基里（Paul Markillie）。他提出：一种建立在互联网和新材料、新能源相互结合基础上的工业革命——第三次工业革命即将到来。它以制造业数字化为核心，将使全球技术要素和社会要素配置方式发生革命性变化。他认为新材料、3D打印、机器人与自动化技术及其与互联网的众包、社交型制造和持续生产模式是这次工业革命发生的基础。他指出未来工厂更关注于客户个性化定制、并将使成本变得可控、劳动力要素比重进一步降低，一些目前主要分布在发展中国家的制造业、有可能回归到发达国家。
　　因此，3D打印技术作为一个新兴技术逐渐流行，将对传统的打印技术和方式带来革命性的改变，它被称为是第三次工业革命的标志。
　　二、中国投身第三次工业革命的重要意义
　　3D打印技术的发展前景远大，目前在3D打印领域中发展最迅速、产值增长最明显的应数快速模具技术。3D打印技术犹如一股猛烈的风暴席卷着传统的制作和加工业，制造工艺和技术出现了质的飞跃，一体成型，不需要二次加工，在材料浪费上有很大的进步，其打印效率和打印速度也有突飞猛进的发展。当然，3D打印技术也存在一些缺陷：打印机造价昂贵，运行和维修的费用也很高，而且对成型的物体材料要求也很高。软件的操作难度大，3D软件处理的数据量也很大，不能做到大规模批量生产，在一些方面难以替代传统的打印技术，但是3D打印技术的发展前景难以估量，在未来必定成为新时代的标杆之一。
　　杰里米·里夫金在《第三次工业革命》中文版序言中，把推进第三次工业革命的重任，寄希望于中国。他指出：中国如果选择了第三次工业革命的道路，中国就有可能成为亚洲的龙头，引领亚洲进入下一个伟大的经济时代，中国将成为第三次工业革命的主要力量。对于中国而言，最大限度地利用其人才与资源，深刻地认知21世纪上半叶开展的第三次工业革命，以建立可持续发展社会的重要性，应该是目前的当务之急。
　　目前，国内3D打印技术起步晚，与美国、德国等发达国家相比，中国的3D打印产业仍处于起步阶段。国内3D打印应用仍主要停留在科研阶段，并未实现在工业及个人消费领域大规模推广。对于正处于培育推广阶段的中国3D产业而言，政府的重视与政策扶持显得尤为重要。目前国内已有多省市成立了地方3D打印产业联盟，并在相关政策中提及要重点发展3D产业，教育部也正在制订方案，让3D打印机走进学校。国家相关计划的出台与落实，进一步明确了产业的发展方向，并在政策上给予更多的支持，将成为推动3D打印产业发展重要力量，进一步引爆中国的3D打印市场。
　　三、3D打印技术概述
　　3D打印技术是一种三维立体式打印，更加接近于客观事物，是一项新兴的技术，目前在国外已经得到发展与应用，取得了一定的成果，被称为具有工业革命意义的创新制造技术。它的工作流程主要分两步：首先通过先进的计算机软件设计出理想的立体式产品模型：然后通过在3D打印机中添加液化、粉末化、丝化的原材料逐层打印出3D式样的产品。
　　3D打印技术的关键有两点：一是立体式模型的设计：二是原材料的制造与添加（图1）。3D打印技术的主要实现方式是“添加型”制造，这一点与传统的“去掉型”数控制造正好相反，这也显示了其独特的优势。传统的“去掉型”制造方式是以原材料为基础，通过切割、削磨和熔腐等方法，去除掉多余部分，得到各种所需要的零部件，再通过焊接和拼装的方式组合成最终产品，制造产品的程序繁杂，产品研制周期长，生产成本高且效率低。而3D打印技术的“添加型”制造通过在3D打印机中添加原材料就可以直接制造出或打印出任何形状的物体，使产品的制造程序大大简化，产品的研制周期间接显著缩短，促进了生产效率的提高和生產成本的大幅度下降，大大提高了产品的市场竞争力，因此可以显著提高经济效益。
　　由于3D打印技术能使生产物品的各部分一体化成型，无须组装，这就使得供应链缩短了，节省了劳动力资源和运输费用，供应链越短，环境污染也就越少，有利于实现绿色生产。
　　四、3D打印在中国珠宝首饰行业中的现状
　　我国珠宝首饰行业经历了30多年的飞速发展，目前在生产和消费上已形成相当规模，但是在诸多方面存在不足：（1）加工工费低廉：（2）商业模式陈旧：（3）品牌区隔模糊：（4）材料工艺局限：（5）产品附加值低;（6）设计创新缺乏。
　　珠宝首饰行业个人创业，最大的障碍是生产加工问题，但3D首饰数字技术解决了这个问题。首先，设计师不需要专业首饰技师的辅助，自己可以通过3D数字建模技术解决制作样版问题：其次，不需要自建工厂，可以通过3D首饰金属打印机直接打印制造，或者传输到智能工厂，由智能工厂根据数据制造首饰。从此珠宝首饰公司的生产规模将不再是企业的决定因素，取而代之的将是创意设计，这就为独立首饰设计师的创业提供了发展的空间。目前3D首饰数字打印技术在珠宝首饰行业中的运用的优势：
　　1、数字设计3D起版
　　珠宝首饰行业传统的手工起版，需要经过锯、锉、打磨抛光等复杂工序，用手工加工模型蜡或者银铜等非贵重金属，从而得到一件原始实物模型。目前，普通款式的戒指、吊坠，工匠师傅制作一件蜡版需要一天时间，复杂的款式则耗时更长，有的一周都未必能做出一个，还有一些很有创意的款式，按照传统手工制作方式是无法完成的（图2）。 　　3D打印技术则有效地解决了传统首饰起版加工工艺复杂、制造周期长等问题，只需要珠宝设计师或首饰数字技术建模师，用电脑绘制3D首饰设计图稿，再将3D首饰图稿数据模型文件输入3D喷蜡打印机或者其它材料打印机，即可进行自动化生产，从而得到原始的起版模型，省去人工起版的环节。镶嵌首饰的镶口大小可在电脑3D文件中自由更改，从而免掉了以往不同大小镶口需要重新起版的麻烦。原则上，采用3D首饰数字技术，同款镶嵌戒指可以镶嵌任何大小的钻石或彩宝，只需在电脑设计图中调整镶口的数据即可。这样计算，一款首饰电脑设计图至少相当于10多个样版。
　　2、自控生产缩短周期
　　设计师在下班前，会将设计好的数据模型文件图纸导入到3D喷蜡打印机，第二天上班后，一个个首饰蜡模就全部呈现在工作平台上了。打印机晚上自己运行，不用人值守。一晚上就能打印上百个小尺寸蜡模。3D喷蜡打印过程中，无需人工操作，便可完成复杂的成型过程，不仅提高了首饰模型制造效率，同时缩短了工艺制作周期（图3）。
　　3D打印技术给首饰设计行业带来了翻天覆地的变化。3D打印技术的优点在于加快产品研发进度，可根据需求定制，符合珠宝行业的特点（图4）。
　　五，3D珠宝首饰设计软件及输出设备简介
　　1.软件
　　（1）JewelCAD：JewelCAD是由香港电脑珠宝科技有限公司1990年开发，是用于珠宝首饰设计/制造的专业化CAD/CAM软件（图5）。其有高度专业化，高工作效率，简单易学的特点，是业界认可首选的CAD/CAM软件系统。
　　（2）Rhino犀牛
　　Rhino是美国Robert McNeel & Assoc，开发的PC上强大的专业3D造型软件（图6），它可以广泛地应用于三维动画制作、工业制造、科学研究以及机械设计等领域。它能轻易整合3DSMAX与Softimage的模型功能部分，对要求精细、弹性与復杂的3D NURBS模型，有点石成金的效能。
　　JewelCAD加快了首饰款式更新的速度。目前，首饰设计软件中，JewelCAD和Rhino的使用人数最多。Rhino的建模功能强大，而且渲染效果更佳：而JeweLCAD工作效率高、渲染速度快、针对性强、操作容易，并且能直接参与制模，适合商业用途。
　　（3）3Design
　　法国Visionnumeric公司成立于1988年，一直致力于开发建模软件，从工业设计到珠宝设计，凝聚了该企业数年来的科研成果，是其应用于珠宝的3Design首饰建模软件。如今该软件俨然成为后起之秀，并且在业内好评如潮（图7）。
　　3Design提供了一种独特的参数结构树，它记录了设计中的每一个历史参数，不需要返回草图重新开始设计，而只需要直接修改草图形状或修改3D造型参数，系统会自动全面进行更新。它可以帮把2D的草图转变为真实的3D图形。只要通过一般的扫描仪把画好的草图扫描成普通的图片格式，传入3Design中，将自动转变为立体三视图。在3Design里面可以轻松地排列宝石，它提供了自动和手动两种排列方式，可以对任意一颗宝石的属性进行修改。3Design也提供了丰富的资源库，包括各类戒指、宝石、戒托、珍珠、水晶、及形态各异的2D截面形状等等，并且整合了施华洛世奇所有的时尚水晶部件，也可以把自己设计的作品存入资源库中。该软件的诞生，对于首饰设计的教学及设计师培养具有极大的帮助（图8-9）。
　　2.输出设备
　　（1）3D首饰喷蜡打印机
　　3D首饰喷蜡机在90年代初已经有了，但是因为当时3D打印机及耗材昂贵，以及打印材料性能差，在珠宝首饰这一领域一直没有大的发展。而随着此项技术的不断发展，3D喷蜡打印机及耗材已广泛使用。使用3D首饰打印机制作样品，使产品研发环节比传统手工雕蜡或手工起银版更快捷节省成本。
　　成型过程是指用计算机控制的喷嘴，喷成一个很薄的平面图形，每完成一幅这种平面图形后，以下降同样薄的厚度再喷（图10）。这样，一层层的平面图形就叠成极为复杂的部件，其实也就是相当于把首饰物件的切面一层层喷出来。
　　JewelCAD分为切薄片和数控加工两部分，支持的快速成型系统有Soliscape，3D Systems，EnvisionTEC，OBJET，MEIKO，Roland等公司的机器（图11）。
　　（2）3D首饰金属打印机
　　虽然3D金属打印机技术已成熟，但是由于3D金属打印机价格昂贵，特别是首饰用3D金属打印机要求精度高，所以制造价格将更加昂贵，加之黄金等贵金属粉末加工费高，打印过程损耗大等诸多因素，导致目前没有运用到珠宝首饰行业生产当中（图12）。
　　五、3D打印技术近年来在国内首饰教育领域的实践
　　珠宝首饰设计高等教育在我国起步较晚，但为了适应中国珠宝市场迅速发展，首饰行业急需高素质的设计师以承担创建国内品牌，国内的珠宝首饰设计专业近十年内在全国各地如雨后春笋般开设起来。
　　1993年北京服装学院率先在中国设立了以首饰设计制作为主干课程的四年制本科装饰艺术设计专业，将首饰的设计与制作融为一体。随后，2005年又有复旦大学上海视觉艺术学院开设了首饰设计本科专业，该专业首次引入国外工作室制教学模式，并聘用海外首饰设计专家作客座教授。该校从2005年建专业起，便耗资100多万元购买了三维电脑建模软件及后期输出设备。学生在大学第三年也必须完成电脑三维软件课程的学习，并在四年级开始使用3D建模技术来完成毕业创作。据统计，到2018年至，在毕业设计中使用3D建模技术实现设计想法的比例已经上升到86%，并且随着软件的不断完善与后期输出成本的下降，这一百分比会继续逐年上升。据悉，新扩建的上海市建桥珠宝学院，每届学生达到近百人，已将目前最为前沿的3Design首饰三维设计软件引入大学四年的设计课程教学。该校学生近年来在各大首饰设计比赛中，凭借3D建模技术囊括各项大奖，学生还未毕业，已被业内设计公司纷纷预定。随着3D首饰设计及打印技术的不断发展，现在不论新老首饰院校，只要开设首饰设计专业，均先后配齐了3D建模软件与输出设备，相关的教学课程也在迅速研发中（图13）。
　　我们可以清楚地看到这项技术在不久的将来，会在沉寂已久的传统首饰工业中掀起巨大的革新波澜。
　　3D打印是新一轮的科技革命和产业革命，珠宝首饰企业都在研究如何强占制高点，人才是关键。3D应用技术是支撑首饰智能制造的基础，而整个珠宝首饰行业的变革，必然大幅度提高3D应用人才的需求量。特别是在操作层面，缺乏文化素质高、技术过硬的3D工程师和3D技术工人，而那些真正能把技术与创意相结合的应用型人才，更是少之又少。从长远意义上来看，基于产业未来发展趋势，3D打印技术的首饰设计教育实践与探索已经成为重中之重。
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