近年来3D打印技术飞速发展，不仅在工业设计等设计门类中被广泛应用和创新，在首饰设计领域中也得到广泛关注和应用，并不断取得进展和突破。基于3D打印技术的发展、设计创新力的提高以及大众审美水平日益多样化，3D打印技术应用于首饰设计行业具有良好契机和前景，为实现首饰设计的个性化、可替换多样性以及智能化制造提供应用可能性。基于此，本文在总结榫卯结构、3D打印技术基本情况的基础上，分析验证了榫卯结构与3D打印首饰设计中的转化关系以及设计适用性，以榫卯结构为着手点进行首饰设计，通过3D打印技术完成首饰中细小精致的榫卯结构的打印，实现首饰佩戴样式的可替换性，进行榫卯结构在3D打印首饰设计中的应用研究。从而探索榫卯结构在首饰设计中的结构融合度以及3D打印技术与榫卯结构的设计可行性^[1]，使读者通过文章了解榫卯结构在3D打印首饰设计中发展的多种可能性。

1.   榫卯结构的基本情况与文化价值

榫卯是我国古代木制器物的主要结构方式。从新石器时期直至今日，一直被广泛应用于建筑设计和家具设计中，并且榫卯工艺也作为一种独特的精湛工艺传承至今。榫卯是指将凹的部分与凸的部分相接合，起到连接作用的一种组合结构，其中凸的部分为榫，凹的部分为卯^[1]。在建筑物、家具设计领域内，不同的家具使用的榫卯结构也各不相同，如果结构使用恰当，则结构之间就能严密的扣合，也可以拆卸。

目前榫卯结构有近百种，《中国工艺美术词典》将榫卯结构按组装方式分为面与面、点结构和三材结合三种类型^[2]。面与面结合的榫卯结构有龙凤榫、燕尾榫、银锭榫、扎榫等，此类榫卯结构简单，直观易懂，但榫的部分通常会有外漏的情况。点结构的榫卯结构有插肩榫、楔钉榫、格肩榫、挖烟袋锅榫等，此类榫卯结构较为复杂，但是榫的部分不外漏，外观造型更加统一、美观。三材结合的榫卯结构有抱肩榫、粽角榫、托角榫、鲁班锁等，此类榫卯结构复杂，榫的部分不外漏，外观简洁匀称。

榫卯结构传承了中国古建筑的精华, 古建筑的木结构原理通过榫卯结构得以充分体现。榫卯结构中蕴含着“天人合一”的哲学思想^[3]，也蕴含“亲地倾向，恋木情结”，饱含中国自古对于土木文化的敬仰与崇拜。榫卯结构顺应时代的发展，合理利用自然资源，万物共生共存，功能与形式、美学与力学的平衡统一，一榫一卯都隐含着古人的价值观和世界观, 也成为中国传统美学中自然天成的代表技艺^[4]。

2.   榫卯结构的设计应用分析

2.1   榫卯结构在非建筑领域的设计应用分析

在古代，榫卯结构主要应用在中国古建筑、家具中，而现代设计者们对榫卯结构的设计应用不再局限于建筑领域，开始在其他领域中进行应用。张静、帅路^[1]尝试将榫卯结构在便携牙具包装中进行应用探索(图 1)，以榫卯正负、阴阳的契合方式进行包装设计，既缩小了牙具在外出旅行包裹中的占用空间，也满足了消费者的文化、精神追求。王刚^[5]结合榫卯的结构形式进行儿童拼装玩具的设计，可以让孩童在拼装玩具的同时了解中国传统文化，设计出了美观、趣味，同时又饱含教育意义和文化内涵的儿童拼装玩具。

图  1  榫卯结构便携牙具^[1]

Figure  1.  Portable toothbrush with mortise and tenon structure

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在现代设计领域中，榫卯结构不仅在建筑、家具设计领域具有重要价值，在包装设计、产品设计等多个设计领域中都具有较高的设计创新价值。

2.2   榫卯结构在首饰领域的设计应用分析

在首饰设计方面，部分设计者尝试将榫卯结构在首饰设计领域进行应用研究。曹毕飞在《解构与重构——以首饰物件创作诠释传统手工技艺》^[6]中选取中国古建筑中的十字榫卯，以金属材料重构十字榫卯进行了系列当代艺术首饰的设计(图 2)；苏津莹在《榫卯结构的首饰设计形态研究》^[7]中通过利用榫卯结构可拆卸的特点，为榫卯首饰设计实践提供了一个可行性方向(图 3)。

图  2  曹毕飞《静候》^[6]

Figure  2.  Waiting Quietly by Cao Bifei

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图  3  苏津莹的燕尾榫项饰、耳饰

Figure  3.  Dovetail joint necklace and earrings by Su Jinying

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在首饰专利方面，也有部分设计者和专家运用榫卯结构，进行或外观形式、或实用结构的创新与突破。杨欢^[8]结合榫卯外形进行首饰设计，获得外观设计专利；黄惠平^[9]结合榫卯结构，设计出吊坠、耳坠两用款首饰结构，获得实用新型专利；林添伟^[10]开创“瑰丽镶嵌技术”，提取榫卯工艺的原理与珠宝首饰镶嵌工艺进行结合，率先将非遗榫卯工艺创新运用于首饰镶嵌领域，获得发明专利。

通过相关资料，榫卯结构在首饰设计领域中也具有创新意义，例如将榫卯结构与首饰结构进行形式转换，可以解决一般首饰不可拆卸、乏味单一的问题，从而实现首饰式样的可替换性和灵活多样性。常见的首饰构造有焊接、镶嵌等，大部分首饰使用的构造都是不可拆卸的^[11]，导致首饰款式唯一，无法替换，也为后期首饰维护增添困难。基于榫卯结构的可拆卸性，将榫卯结构的结构形式转化应用于首饰中，通过结构进行首饰可替换设计，在一定程度上可以实现首饰的拆卸和重组，获得多样化佩戴方式，满足佩戴者在不同情况下的首饰佩戴需求，并传达不同的理念。

3.   3D打印技术的基本情况与价值体现

3D打印技术是增材制造技术的一种主要成型方式，其特点是不需要原坯和模具，根据计算机模型通过逐层叠加材料的方式来成型物体，这是3D打印技术与传统的减材制造有所区别的最主要因素。目前，3D打印主要有三种不同的生成方式^[12]，分别是通过软化材料生成分层再叠加成型的熔融沉积成型技术(FDM)、粉末材料选择性激光烧结技术(SLS)和通过激光将光敏材料固化成型的光固化成型技术(SLA)。

近年来，3D打印技术飞速发展，在首饰领域应用也十分广泛，为首饰行业数字化、智能化的创造和生产提供了很好的技术支持。目前应用于首饰行业的3D打印技术主要有两种：一种是粉末材料选择性激光烧结技术(SLS)，通过激光束将微小金属粉末熔化、凝固成3D设计模型实体，即直接通过3D打印技术打印出贵金属首饰实体；另一种是光固化成型技术(SLA)，使用蜡基材料3D打印蜡模，之后采用失蜡铸造工艺完成金属首饰的翻制。与传统的首饰制造工艺相比，3D打印通过数字化技术能够缩短首饰制造工艺的起版、压模、打蜡等复杂的程序流程，提高首饰生产和设计效率，能够再现和还原设计款式，生产更精细、更准确的复杂设计结构。

4.   榫卯结构与3D打印技术在首饰设计中的适用性

4.1   榫卯结构在首饰设计中的适用性

随着时代发展，首饰设计也逐步多元化和个性化，许多新型材料和新型结构也运用于现代首饰设计，消费者的需求也不再局限于传统首饰产品，更加倾向于有创意、有趣味、有文化内涵的首饰设计产品。榫卯结构最大的特征就是可以将单一部件利用不同的榫卯结构进行组建，应用在首饰中即为佩戴方式的转化，为可替换首饰提供结构技术的可能性^[13]。基于榫卯结构的可拆卸性、可替换性，并结合目前消费者对于首饰多样性、文化性的消费需求，探索将榫卯结构融入体量较小的饰品中进行创新设计，完成独具中国传统韵味的首饰作品。

首饰不仅能够给佩戴者提供装饰的作用，还可以和佩戴者产生互动体验，将榫卯融入首饰结构设计中，可以满足佩戴者的体验感受以及不同场合下对于首饰式样的不同需求，提高了产品的性价比。

4.2   3D打印技术在首饰设计中的适用性

20世纪90年代，3D打印开始在首饰生产中运用，目前已经成为首饰制造的重要技术之一，促进了首饰设计的发展^[12]。3D打印技术应用于首饰设计中主要表现在首饰成型方面，在首饰成型中又分为商业表现和艺术表现两种。

在商业表现方面，3D打印技术需要设计者明晰3D打印技术的成型原理、操作打印过程、打印材料特性以及打印成型的要求限制，还需要熟练运用三维软件表达设计想法。具有以上知识技能的储备，才能使3D打印技术手段与设计想法有较好的结合与实现。基于文章3D打印基本情况的分析，首饰设计相较于激光烧结技术(SLS)使用更广泛的是3D打印蜡模，采用失蜡铸造法铸造成金属材质再进行首饰的抛磨，这也需要对传统首饰工艺有较好的把控。目前3D打印技术的运用仍然离不开传统金属工艺的支持，只有将两者宏观的结合才能使首饰有好的效果呈现。

在艺术表现方面，3D打印技术的应用引领首饰设计创作进入更广阔的天地。基于3D打印的成型特性，设计者可以打破传统手工艺对首饰形态表现的限定，突破从想法到成型的局限，在一定程度上可以认为3D打印技术降低了首饰金属工艺的门坎，缩短了设计理念实现的周期，为首饰的设计实现提供更加高便捷、高效率的途径。设计者可以使用三维设计软件进行设计观念的创新，发散设计的思维，不再将设计意图限制于成型工艺技术。近年来，3D打印艺术首饰层出不穷，丰富的材料选择、精致小巧的设计结构以及富有韵律的曲线使得小体量的首饰也能够有丰富的内容和多变立体的层次。

4.3   榫卯结构与3D打印技术在首饰设计中的制作转化

在首饰设计制作中，由于受限于首饰佩戴的幅度限制，首饰中的结构一般较小，若是运用传统手工榫卯工艺或传统金属工艺进行首饰上的榫卯结构制作，则很难在小幅度结构中实现高精度的制作。目前3D打印技术在首饰设计中应用广泛，不论是激光烧结技术(SLS)、光固化成型技术(SLA)打印蜡模都可以完成高精度、高完成度的首饰设计制作^[12]，因此这个问题通过3D打印技术可以很好的解决。3D打印技术可以与榫卯结构工艺进行制作转化，结合计算机三维建模技术，建立榫卯模型样式、大小，设定榫卯结构结合缝隙的大小，最终通过3D打印机械设备自动加工，完成榫卯结构及设计构件的制作，实现高精度、高效率的制作。

基于对榫卯结构与首饰结构形式转化的分析以及榫卯结构工艺与3D打印技术制作转化的分析，得出榫卯结构可以转化为首饰结构，3D打印能够完成首饰中精致细小榫卯结构的打印，实现以榫卯结构为设计点，通过3D打印技术实现的可替换设计首饰。

5.   榫卯结构在3D打印首饰设计中的设计实践

基于前文的分析，根据榫卯结构、3D打印技术在首饰设计中应用，进一步提出设计理念，确定设计思路和完成设计实践。

5.1   设计理念

榫卯结构是古代木构架建筑、家具的独特营造，以木材为构架，将各部分构件连接结合，以此出现榫卯结构及榫卯工艺，王振复在《东方独特的大地文化与大地哲学》^[14]中将其概括为“人与自然的亲和关系，天人合一的时空意识”。

从技术角度来看，榫卯是集实用性和科学性的工艺技巧。建筑、家具是通过数个榫卯节点连接完整，并且通过榫卯结构来传递、化解所承受的力，以此保持大构件整体的安全稳定，其中蕴含太极“以柔克刚”的文化内涵^[15]。

从人文角度看，榫卯随着时代发展，包含不同的文化意蕴。榫卯从远古时期的农耕文明伊始，从单一榫卯结构发展到木质结构建筑群，便充满了对于人与自然关系的探索；而后经过秦汉隋唐时期胡床坐具的传入，生活习惯的转变，传达了逍遥舒适的生活状态及文化理念；而后再到宋代，饱含人文气息，榫卯形态开始简化；再到明清，明式家具蕴含道家思想，清代家具体现肃穆和阶级；直至现代，出现新中式风格，实现或简约精巧、或可模块拆装的现代设计^[15]。

此次榫卯结构在3D打印首饰设计中的设计实践便以充满人文“气韵”的水墨书法为设计主题，通过C4D、Zbrush软件进行数字雕塑建模表现立体墨迹、书法笔画以及书法字，同时在首饰中结合中国传统工艺榫卯结构，以榫卯结构连接笔画、字体和墨迹，以此来实现首饰佩戴方式的多变性，旨在设计独具中国文化特色且具有可变性的现代感首饰。

5.2   设计思路

5.2.1   材料选择

在设计材料选择方面，榫卯结构以木材为材料，通过复杂的结构翻转咬合，将榫与卯敲击卡合时，依靠木头本身具有张力的属性，使得榫与卯两方通过回弹的力紧密结合，以此解决结构松动的问题，实现结构的固定。首饰材料方面则没有特殊限制，材料选择多样，能体现首饰美感、具有安全性以及具有耐久稳定性的材料即可，3D的材料一般为树脂、尼龙、金属等。

设计方案需要通过3D打印技术打印出以榫卯结构为连接结构的可替换首饰，这对于本方案的首饰材料有一定限制，材料需要有一定的强度、精致度以及耐用性。基于以上的分析，设计材料笔者选取光敏树脂和贵金属925银，但由于银和树脂不具有张力，且在后期翻制时会产生材料收缩率差值以及打磨抛光出现的精度损耗问题，所以在结构卡合的尺寸上进行设计实验。

5.2.2   设计体量控制

在设计体量控制方面，首饰要适宜佩戴，用于装饰人体，所以体量一般较小，所以将榫卯结构应用于首饰中时，不仅要注意首饰整体的体量大小，榫卯结构的大小及其在首饰整体体量中的占比，还要考虑3D打印精度的限制，避免过于精细的榫卯连接结构，以免打印失败。

基于打印体量和打印精度的情况，导致榫卯结构体量减少，及结构受力面积减小，可能产生结构连接不够稳固的问题。基于此问题，在此次设计实践中，为书法字体、笔画较大的部位计了多个榫卯结构连接点，从而使受力点由点及面，增加构稳固度。同时考虑首饰美观度，将榫与卯结构融合在相对应的首饰配件中，因其精细并且融合程度好，从而保证结构不外露，保持首饰整体的美观性。

5.2.3   榫卯结构选择

榫卯结构种类繁多，不是所有的结构都适用首饰设计，需要对现有的榫卯结构种类进行筛选^[11]，从中筛选出体量大小适宜、结构安全稳定、结构组装简单的榫卯结构。

首先，首饰体量的大小限制，导致榫卯结构的缩小，所以结构较为复杂、缩小后结构不清晰的便不适用于作为连接结构。榫卯结构的体量大小也要与首饰体量大小相适宜，过大则影响首饰整体美观性，过小则无法充当连接结构，无法实现首饰的可替换性，相适宜的结构大小可以成为首饰设计中的隐藏性设计，使得首饰整体既具备美观性又具备替换功能性。

其次，由于首饰具有实用性，榫卯结构作为连接结构需要稳定且安全。当使用者佩戴首饰时，可替换的连接结构不应松动、尖锐或暴露，以此保证首饰的稳固性以及佩戴者的安全。榫卯结构需要反复拆卸替换，在保证安装完整且稳定牢固的同时，也需要保证其替换时的稳定牢固。榫卯结构在中国传统建筑中以其精巧结构减弱大自然的破坏力，能够在地震中保持建筑物的完成性，具有非常好的稳定性。

最后，榫卯替换结构需要易读易理解，并且组装方式要简单明了。选择榫卯结构时选择形状清晰且对应关系简单明确的榫和卯，能够让佩戴者易于观察、辨认。

最终经过分析，笔者选取榫卯结构中较为简单，缩小后也能实现榫卯结构制作的插入榫，其结构稳定、拆卸替换方法简单易理解(图 4)。

图  4  榫卯结构连接建模图

Figure  4.  Modeling diagram of mortise and tenon structural join

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5.2.4   3D数字建模

在3D数字建模方面，通过3D打印计算机三维建模实现设计构想也是不可或缺的一环。此次选取的首饰设计主题是中国传统水墨以及书法艺术，软件选取C4D、Zbrush进行数字雕塑建模，进行可替换胸针、可替换戒指的建模(图 5)。在首饰主体部分，将胸针和戒指的水墨部分进行立体纹理的建模处理。在榫卯连接结构部分，建模多种插入榫结构进行实验，提前考虑3D打印材料的收缩特性和3D打印蜡模铸造成金属后打磨所产生的差值，提前进行缝隙的预留，以保证打印完成的首饰作品能够很好的通过榫卯点结合。将设置好预值的榫卯建模模块放置在首饰上，在字体和笔画上建立卯，在水墨上建立榫，通过不同卯在相同榫上的置换完成可替换首饰的设计。

图  5  胸针(a)和戒指(b)建模图

Figure  5.  Modeling diagram of brooch (a) and ring (b)

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5.2.5   3D打印及后续处理

在完成设计构想和3D建模的基础上，选取合适的3D打印机器、打印材料以及精细的后续处理。此次选取的3D打印方式为光固化成型技术(SLA)和3D打印蜡模，材质分别为光敏树脂和925银。在3D打印完成首饰打印制作后，树脂材料还需要进行打磨、上色，即可完成可替换字体胸针、可替换笔画戒指的制作(图 6)。蜡模通过失蜡法铸造成贵金属银，再进行打磨、抛光、镀色等步骤，即可完成可替换字体戒指的制作(图 7)。在打磨抛光时切勿过度打磨，导致首饰的榫卯连接结构不能很好的卡合。

图  6  可替换字体胸针(光敏树脂)和笔画戒指

Figure  6.  Replaceable character brooch (photosensitive resin) and stroke rings

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图  7  可替换字体戒指成品(925银)

Figure  7.  Replaceable character ring (925 silver)

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6.   结语

本次设计应用将榫卯结构与首饰设计相结合，通过榫卯结构实现首饰的可替换性，在首饰结构和首饰式样多样性上有所创新和突破。实践验证，通过3D打印技术可以实现手工金属工艺无法实现的小体量和精致度，从而实现榫卯结构应用于首饰的连接结构。通过榫卯结构和3D打印技术实现了可变换的“气韵”水墨书法的首饰设计，完成了以水墨榫件为底，替换书法、笔画卯件的可替换首饰，在结构精致度、替换灵活性以及水墨书法形态上都有较好的完成度。

通过此次研究，笔者认为基于目前3D打印技术在首饰设计中的应用，存在打印材料限制、后期处理材料产生差值以及榫卯结构卡合稳固度这三方面问题，针对以上问题还需要继续探讨。以此次研究为例，因树脂和金属缺少木材的张力，后期结构卡合和材料磨损的问题仅依靠结构本身以及增加结构受力面积不是最优的解决方案，因此针对某一榫卯结构的材料性质进行优化设计。未来可以尝试在榫卯结构之上增加所用材料适宜的卡合结构，以此来使材料具有“张力”。文章对于榫卯结构、首饰设计以及3D打印领域提出了新的设计思路，这三者之间还具有无限的可能性，可设计出更多契合、精巧的首饰设计作品。