Personalized Design of Movable Structure Jewelry Based on 3D Printing Technique

随着3D打印技术的不断进步与完善，其在首饰行业的应用也变得愈加广泛，市场上各种3D打印首饰的出现使消费者有了更多的选择，这也反过来促进了3D打印首饰设计的多样化^[1-4]。富有个性的创意首饰在首饰市场中所占的比例正在逐渐增大，人们也越来越倾向于为具有独特个性、与众不同的首饰买单，因此3D打印技术与创意首饰的个性化设计相结合是首饰行业发展的必然趋势。本文中将3D打印技术应用于个性化的创意首饰设计与制作^[5-7]，包括从3D打印的建模、打印到最终制成首饰成品的完整过程，通过柔性结构这一独具特点的表现形式突显3D打印的技术优势，并根据银和彩色树脂两种不同材料的运用表现出首饰的不同风格，呈现出的丰富多彩的视觉效果。

基于3D打印技术的创意首饰个性化设计是首饰行业中的一个值得不断探讨的课题，目前3D打印首饰无论打印的成功率还是结构的牢固性都有了很大改进，在创意首饰的设计思路上也更加开阔，极具个性化的表现形式也逐渐增多，3D打印技术给了设计师更多发挥想象力的空间^[8-10]，也为实现设计师天马行空的想像提供了较为可靠的实现手段^[11]。笔者主要根据广州迪迈公司的鱼鳞状3D打印作品及其相关资料获得的灵感进行《踏浪》系列首饰的设计、建模及制造。

1.   3D首饰设计、建模与制造

1.1   首饰设计

这一系列作品名为《踏浪》，以浪花和鱼鳞为设计元素(图 1)，意在描绘一幅鱼跃入水，掀起浪花的画面，也借此为新年送上年年有余的祝福。设计灵感来源于成片柔软而灵动的鱼鳞，鱼在水中游动时自由活泼，鳞片在阳光的照射下变得五彩斑斓，因此，如何将其偶然间翻起浪花这一转瞬即逝的场景通过首饰的形式呈现出来，成了设计过程中思考的主要问题。为了呈现出丰富多彩视觉效果，分别运用贵金属与彩色树脂两种材料进行首饰制作。

Figure  1.  Spindrift patterns(a) and concept map of scale structure(b)

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此系列的4件作品都保持了上下两部分链接的形式，上部为不同风格的浪花造型，下部均为鱼鳞形的活动结构，其中2件为Polyjet彩色树脂打印，2件为金属打印。设计过程中考虑最多的是上下两部分的造型美感与搭配，上部造型以浪花翻起时的生动而形象的瞬间为主，下部则是较为简单的鱼鳞形状的排列，因此上下两部分之间的和谐布局就显得尤为重要。

图 2的手绘效果图中的鱼鳞部分可用图 3所示的两种结构实现，在比较了实物之后选择用结构1进行制作，结构2由于实物间隙过大而放弃。鳞片结构的密度也是视觉感观中比较重要的一点。

Figure  2.  Photo of scale structure(a), design sketch of Treading the Waves (b) and hand-drawn renderings of Treading the Waves (c)

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Figure  3.  Structure 1(a) and structure 2(b)

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1.2   3D打印建模

用JewelCAD软件绘制首饰的上半部分，上下两部分建模的难度不同，上部主要强调浪花造型的生动感，下部则注重鱼鳞的形状以及排列。图 4中两件首饰为情侣吊坠，分别点缀珍珠和钻石。

Figure  4.  Electric effect drawing of JewelCAD

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在JewelCAD软件里建好的上部结构保存成STL格式，再导入犀牛软件，在此之前无需作并集，因为用犀牛软件打开后还是未并集的模型，需要用网格选项卡里的网格布尔运算再进行并集，且过程中经常出现问题，不是所有的网格都能并集成功，图 5中的结构就出现了这种情况，其中一个小部件没有与整体并集成功，但对于打印效果影响不大，并集时不能选中所有部件直接并集，需要各部件之间逐一并集直至连成整体。

Figure  5.  The upper half of metal printed pendants

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情侣吊坠上半部分(图 5a)的结构由于造型较为生动，底面有高低起伏的弧度，因此加支撑的过程尤为艰难，整体拉高支撑会影响打印效果，只能分区域调整，每次选几个大概在同一高度的支撑进行拉高。情侣吊坠上半部分的造型底部(图 5b)较为平面，加支撑很容易，其结构与打印平面的夹角大于45°，可形成自体支撑，适当地精简支撑数量可以使其在打印完成后更容易从打印盘上取下，也会减少一些后期执模抛光的工作量。鳞片部分活动结构的建模经过了三个阶段，如图 6。鱼鳞状活动结构的基础构造平面图(图 6a)，建模难点在于调整活动部位的位置与间距。将单元格排列成图 6b中的形状，并在最外围的鳞片边缘加挡板使其看起来较为完整，同时保证内部结构不外露。最终作品的排列形状如图 6c，后期可根据样片的打印情况调整大小。

Figure  6.  Initial cell (a), arranged sample pieces (b) and the final arrangement (c)

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用铜粉打印两个鱼鳞样片和一个镶钻结构样片，打印回缩量参数为0.08，为了节省时间，此次打印选的是直径63.5 mm的工作盘(在一定程度上，工作盘的大小与打印速度成反比)。图 7为铜粉打印的样片照片，采用铜粉打印样片的目的是在能够较直观看到该结构实体效果的基础上节约成本。铜粉价格相对较低，在以往的贵金属3D打印首饰制作中，通常先用铜粉打印样品，并对样片的打印效果进行评估，分析或修改是否符合预期，尤其是观察柔性结构的灵活性和牢固程度，确认同一造型、结构的物件用其他贵金属粉末打印时也能达到预期效果后，才会使用贵金属粉末进行成品制作。光固化树脂有时也会被用于样片制作，但尺寸会被放大十倍，这是由于现有的树脂打印精度的限制，只能粗略地观察打印效果，对柔性结构的观察只停留在是否可活动这一层面，缩小到原有尺寸后用贵金属粉末打印是否影响其灵活性则无法准确判断。因此本次样片选用铜粉制作较为合适。

Figure  7.  The 0.40 mm movable tube sample piece(a), 0.35 mm movable tube sample piece (b) and 0.50 mm moveable tube sample piece with inlays(c)

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观察比较图 7中的3件样片，0.35 mm的样片活动性较好，成品建模都是根据这个比例完成制作的。Polyjet打印的2件是直接在犀牛里建模，将其排列成一定形状并渲染成不同颜色。

Polyjet彩色打印的样片为一大一小两个鳞片和一个彩色渐变的薄片(图 8)，大的鳞片活动结构管粗为1.00 mm，鳞片大小(长宽相等)为6.65 mm；小的管粗0.80 mm，鳞片大小5.40 mm。检查后发现，小的样片不能活动，而大的样片可以活动，但是较脆，用力过大会掰断。通过分析样片，稍微调整鳞片部分的结构细节，颜色方面为了展现两种不同的渐变效果也进行了新的排列。

Figure  8.  Rendering effect of samples(a) and samples polished and coated with bright coating(b)

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Polyjet打印的2件作品的上部结构都比较简单平整，只有一些不同颜色的半球形的凸起，底部平面用几条波浪线分块做了颜色渐变的渲染，此过程工作量稍大，要将每一个分割开的体块补成独立的封闭块状，再进行颜色渲染(图 9)。两件作品形状相似，只是颜色与大小不同。底部都设置了与鳞片相接的小环，与金属吊坠的连接方式一样。为了方便后期处理，在鳞片结构第一排留下了可以使金属圆环穿过的小孔(图 10)。

Figure  9.  Part of Polyjet modeling process and colour rendering effects

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Figure  10.  Small holes reserved in the scale section

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金属鳞片需要进行调整，找出之前完成的最终排列版，分别放大如图 11中所示：大鳞片宽4.61 mm，活动结构管粗0.69 mm；小鳞片宽3.84 mm活动结构管粗0.58 mm。鳞片部分加支撑后，找出之前加好支撑的上部分组合到一起。

Figure  11.  The scale structure enlarged and arranged to the proper size (a) and complete 3D rendering in render mode (b)

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建好的模型都网格化之后，采用湖北省珠宝工程技术中心金属3D打印工作室的SISMA金属打印机进行打印，打印前使用打印室电脑中的Auto Fab软件进行切片，此步骤的目的在于为模型分层，对应层层堆积烧结的打印原理。在制作成品时考虑到后期处理的难度和成型后的韧性，选用了银粉打印，理论上可以将回缩量参数调至0.06甚至是0.04，但是为了保证一次打印成功，继续使用0.08的打印参数，打印过程如图 12。

Figure  12.  The principle diagram of silver powder 3D printing

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Figure  13.  The upper and lower parts connected by metal rings

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1.3   3D打印制造过程

打印过程中若发生刮刀将打印物件刮到了回收缸和储料缸里的意外情况，应当立刻停止打印任务，取出工作盘并找出打印失败的原因：工作盘面不平整导致部分支撑没有牢牢地抓在盘面上，在刮刀来回运动的情况下很容易将已经打印出来的部分刮走。目前此问题的解决方法是：首先将工作盘上打印的物件和支撑全部剪除，并将工作盘面用砂纸磨平；其次在调试刮刀第一次刮向工作盘铺粉时，将工作盘平面在原有基础上升高0.05~0.10 mm，目的是使工作盘上第一次铺粉量尽可能的少，使得前几次烧结时可以牢固地烧结在工作盘上，打印出来的物件才不会被刮刀刮走。另外，打印物件较重而支撑数量过少时，也会出现物件被刮歪的情况，打印鳞片结构时出现过这种问题，执模时发现鳞片结构底层有些歪，但不影响正面以及活动结构，可在后期处理时打磨掉。

打印过程中涉及的其他问题主要有两个：(1)中途断电问题，如果有换工作盘、加粉等步骤，再重新打印需要重新建立打印任务，才能开始打印。打印完成后取下工作盘，将剩余银粉都扫进回收缸里，然后清理机器、回收粉末过筛后保存留作下次使用。将打印物件从工作盘上剪下来，剪掉全部支撑后送去工厂进行后期处理; (2)关于加支撑的更多思考，如在加支撑时可以将模型竖起来打印，由于有些结构竖起来时其自体支撑较多，相比平放加支撑可以大大减少工作量，但是要考虑到成本。SLM打印时模型越高，消耗的金属粉末就越多，其打印过程是装金属粉末的储料缸慢慢上升，刮刀逐层将粉末刮到逐渐下降的工作台面进行激光烧结，而多余的粉末则被刮进回收缸里，如此反复完成打印的。打印完成后物件是被埋在比它略高的金属粉末里的，竖起模型打印，成本就大大增加了，即使回收也会有不小的损耗，损耗主要来自金属粉末的氧化。通常打印完成后所剩的粉末和回收缸里的粉末都会进行回收并过筛，筛过的粉末可以留做以后的打印，但筛网上还是会留有少许不能过筛的烧结颗粒。

2.   3D打印首饰的后期处理工艺流程

2.1   树脂材料的后期处理

Polyjet打印的2件作品由于时间的关系，内部一些支撑没有去干净，有些活动结构还不能动，需要用酒精浸泡几个小时，再用软毛小刷子刷出里面残留的支撑，这样活动结构才可以较为灵活。两部分连接处有小环，但是很容易掰断，最后为了保险起见，将打印的小环全都去掉，用钻针打孔，银丝绕成环扣进行连接。成品的表面不是很光滑，后来发现之前打印的样片表面有涂层所以看起来较为光亮，因此，为了使作品看起来光亮一些，在作品表面涂了一层UV滴胶，最后在背面粘上平头耳钉针制成耳饰。

2.2   金属材料后期处理工艺

金属打印的2件作品的下部执模、抛光和镶嵌需要细心，上下连接部分的环扣也是后期焊接上的，原有的镶爪易断，后期焊接上的镶爪也要小心镶嵌，抛光时尽量不碰到镶爪，镶嵌处的金属表面较为粗糙，只能用玛瑙刀刮亮。

金属打印的脆性和密度仍是一个大问题，并且在打印的金属上焊接的镶爪、环扣等的牢固度也相对较低，图 14所示的连接环扣部分是后处理过程中焊接上的，用金属环扣链接而非直接将鳞片部分与上半部分进行焊接，是考虑到作品呈现的灵活性，若直接将上下两部分进行焊接，则显得较为死板。最后用做旧液将部分鳞片和上部的水滴部分做旧，粘上珍珠、加上链子。最终作品展示如图 15。

Figure  14.  Metal clasp link

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Figure  15.  Metal print work (a) and Polyjet colourful resin print work (b)

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3.   3D打印首饰系列展示

笔者在进行了《踏浪》系列的首饰制作之后，对于创意首饰有了更多的设计灵感，将这些实践经验运用到更多个性化的创意首饰设计中去，回归到最原始的小方格活动结构，抓住时尚简约的风格特点，以锆石做点缀，制作了三个系列耳饰作品。

“云之梦”系列首饰(图 16a)以云为主要元素，设计了两种不同风格的耳饰，以简洁的线条勾勒出云朵的飘逸与可爱，其主要材质为银(3D打印银粉与925银)镀18K黄金、铜镀18K黄金和锆石。云朵部分为喷蜡浇铸制作，图 16中下方的小方格部分为金属3D打印制作。

Figure  16.  Dream of Clouds series jewelry(a), H.E.R series jewelry(b) and Geometric series jewelry(c)

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以爱心为主要设计元素的简约款首饰“H.E.R”系列(图 16b)，主要材质为银(3D打印银粉与925银)、铜镀18K黄金和锆石，意在展现恋爱中的女性的温柔与可爱，营造出一种浪漫的气氛。

几何系列首饰(图 16c)主要材质为银(3D打印银粉与925银)、铜镀18K黄金、铜镀18K白金和锆石，运用三角形和长方形设计成简约大气的款式。

3D打印珠宝首饰与珠宝首饰个性定制需求有很好的契合度，通过珠宝首饰设计、建模、扫描和3D打印制作的一整套产品开发思路，可以学习首饰设计知识、原理和方法，通过开放式平台分享学习的过程和经验，体验到创新和实践带来的快乐和成就感。

4.   结语

此次的设计实践对于JewelCAD和犀牛软件建模的使用熟练度有着较高的要求，并且需要对打印前的切片与排版过程以及操作SISMA打印机有一定的了解。同时也从后期处理的过程中总结出了一些可以从设计与建模中解决的问题，在实践的过程中摸索出了一些既保证作品的最终效果又能简化后期处理步骤的方法。有些可以节约时间成本，有些可以节约打印使用的金属粉末，都是在为之后的实践积累经验，向着更加高效而节约的金属打印首饰制作过程的方向探索。珠宝专业基于其行业特性，更需要具备扎实的理论功底与创新精神的人才。只有设计人才具备创新能力，才能够设计出具有社会价值与艺术价值的作品，才能够提升作品的竞争力。