Application of 3D Printing on Design and Manufacture of Baroque Pearl Jewelry

1.   3D打印技术概述

3D打印技术的概念最早起源于20世纪后期，主要由美国和日本提出^[1]，它不同于传统的、从整体材料中去除不需要部分的“减材制造技术”，而是“增材制造技术”，其原理是按照层层堆积的方式使原材料成型。3D打印技术可以直接制造零件而无需中间成型工具，省去传统制造所需的夹具设计等步骤，在简化生产工序的同时，还可以缩短生产时间，提高生产效率。目前主流的3D打印技术分为：光固化(SLA)、融沉积(FDM)、激光选区熔化(SLM)、激光选区烧结(SLS)。除了以上常见的技术外，还有分层实体制造法和微喷射粘结等技术^[2]。

本文的研究重点是金属3D打印技术，即以金属为原料的3D打印，这项技术在20世纪90年代美国、德国、瑞典先后出现并有所突破和应用。美国先提出了激光熔覆沉积成形(LCF)技术；德国在2002年成功研制出选择性激光熔化(SLM)打印方法；瑞典在2003年推出了电子束选择性熔化成形(EBSM)商用设备；2014年上市的MySint100 3D打印机是意大利SLM 3D打印机制造商SISMA专门为打印黄金和其他贵金属及合金而设计制造的，可支持钴铬、不锈钢、铜、金和几种贵金属合金打印，同时通过附加模块开发增加了对钛等活性金属材料的支持。其工作人员表示，目前珠宝领域已经成为MySint100 3D打印机增长最快的市场之一。现阶段我国从事金属3D打印技术相关研究和探索的是一些研究所和高校^[3]，包括清华大学、西安交通大学、华中科技大学和中国地质大学(武汉)等。金属3D打印已实现将银、铜、K金、铂金等作为打印材料，很多技术和材料问题逐渐得到解决。例如，熊玮等^[4]针对利用选择性激光熔化(SLM)制造银合金的复杂结构组分过程中会出现的Ag的高反射率和导热性影响的问题进行了研究并得出解决方案。他们通过实验确定材料的微观结构和缺陷的异质性和各向异性形成与激光扫描策略引起的冷却速率和热梯度的变化有关，得出激光的高扫描速度和Ag的高导热性导致更高的冷却速率，从而使SLM加工的Ag合金具有最佳的密度和硬度。在金属铜相关的3D打印材料上，顾冬冬等^[5-6]成功开发了多组分铜(镍)基金属粉末Cu(Ni)-CuSn-CuP，结构金属采用高熔点的Cu(Ni)，粘结金属使用低熔点的CuSn，改善烧结性的稀释剂或脱氧剂用P元素，最终成功制备了复杂形状的金属激光烧结件，其致密度达82%。

2.   3D打印技术与首饰设计结合的现状

3D打印具有独特的优势，使其在很多领域有着广泛的应用。3D打印的精细度高，对辅助设计软件几乎没有任何限制，可使首饰设计得到充分的想象和发挥。

Shapeways公司是一个集销售、定制、设计于一体的3D打印企业，在其网站上以3D打印制品为主要服务(包括机械器件、游戏配件、首饰和艺术品等)，并可帮助设计师和3D打印玩家销售自己的3D设计作品。该公司有30多种不同的打印材料供用户选择，比如陶瓷，塑料和钢化玻璃等。图 1a薄翼手镯是一款纯银材质手镯，抛光后表面显示出温和的光泽；图 1b是一款14K金戒指，整体是章鱼的形状，具良好的金属光泽；图 1c则是以镀青铜钢为原料，抛光后首饰展现青铜的颜色；图 2a的“死亡之星”袖扣为灰色尼龙塑料材质，哑光处理后有轻微颗粒感；图 2b是白色尼龙塑料材质的蕾丝状项链；图 2c的燕子材质为砂岩类天然石材^[7-12]。

Figure  1.  Thin Winged cuff(a), Octopus ring(b) and cuff "Patterns"(c)

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Figure  2.  Death Star cufflinks(a), Lace necklace(b) and Swallow(c)

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英国首饰设计师Lynne Maclachlan利用3D打印制作精妙结构的“Phase”系列首饰(图 3)，其类似建筑物的几何形态可以随着佩戴者的移动而产生光的干涉现象。该系列首饰由尼龙材料3D打印出来，再经过手工染色，最终制成成品首饰^[13]。

Figure  3.  "Phase" series 3D-printed jewelry designed by Lynne Maclachlan

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美国旧金山的3D打印首饰工作室Fathom & Form Jewelry的作品以复杂精妙的几何元素组合为主，类似于建筑结构，将建筑中的空间感融入到首饰设计中^[13](图 4)。

Figure  4.  Works designed by Fathom & Form Jewelry

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目前，国内对于3D打印与首饰设计相结合的研究较丰富，如《基于3D打印技术的异形珠移动端定制平台设计探究》^[14]。在首饰设计领域中，3D打印技术在工艺技术、设计理念、审美取向等方面的影响力已经逐步显现，衍生出了一些新的设计理念，如重复元素的使用及动态变化的融合等，并进一步影响了未来首饰设计的发展方向^[15]。近年来，中国地质大学(武汉)珠宝首饰先进制造研究中心在3D打印与首饰设计方面取得了一定的成就。熊玮等^[16]基于3D打印技术及其成形工艺提出了首饰活动结构的设计思路与原则，从首饰制造工艺的角度对球套活动结构、内悬挂活动结构、多螺旋活动结构和轴活动结构展开3D打印首饰设计与应用研究(图 5)。

Figure  5.  Spiral movable structure: a.Before removing the support column; b.After removing the supported column; c.3D renderings; d.Object before removing the supported column; e.Object after removing the supported column; f.Final product

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赵秋苇等^[17]对传统空窗珐琅工艺技术进行分析(图 6)，运用3D建模的设计方法、设计理念以及表现技法，在传统空窗珐琅结构中加入空洞支撑结构，更大程度地提高空窗珐琅烧制的成功率。

Figure  6.  Enamelled curved window ring(a) and patented enamelled curved window ring(b)

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杨景周等^[18]利用陶瓷3D打印技术制作陶瓷首饰(图 7)，陶瓷3D打印技术是以激光固化成型为基础的快速制造技术，专用打印材料是由光敏树脂和陶瓷粉末混合而成，UV激光作用在打印材料上会引发内部的交联作用固化成型，然后逐层将陶瓷零部件打印成型。其采用的3D打印技术精度高、速度快、成本低，适合制备复杂镂空结构，数小时可成型几十个样品，20 ml的材料就可打印，既可以满足个性化定制需求，又可以满足批量生产需求。

Figure  7.  3D printed ceramic jewelry:lotus root shape pendan

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3.   金属3D打印与异形珍珠首饰设计

3.1   异形珍珠首饰设计现状

相对于形状规则、光泽喜人的圆珠，异形珍珠在很长一段时间里都被当作廉价品处理，受到的关注较少，会利用异形珍珠设计一些独特的作品的主要是国外设计师。随着异形珍珠首饰受到越来越多消费者的关注与喜爱，更多的设计师投入到异形珍珠的设计中(图 8)。

Figure  8.  Design of brooches and pendants with baroque pearls (a-c), animal and plant jewelry made of baroque pearls(d-f) and goldfish(g), octopus(h) and swan(i) jewelry made of baroque pearls

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国际知名珠宝品牌，如Tiffany&Co.、Mikimoto、Bvlgari等(图 9)，采用异形珍珠进行首饰设计。Tiffany&Co.设计师根据幻变之韵的主题，设计了由异形珍珠、蓝宝石、钻石构成的章鱼胸针；Mikimoto将异形珍珠与钻石、白金搭配设计成一件花篮吊坠；Bvlgari将其专属的美学结构与异形珍珠的特色相结合。

Figure  9.  Tiffany&Co. octopus brooch(a), Mikimoto flower basket pendant(b)and Bvlgari baroque pearls brooch(c)

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异形珍珠的产量很大，其本身价值较低，但是异形珍珠每颗都具有不同的特点，通过优秀的设计，可以提高其附加值，变成“艺形珍珠”，充分体现其美学价值。异形珍珠首饰不同与其他珠宝首饰，不可以使用电脑起版，机械化作业。它们更多的是人工制作，这不仅对制作师的技艺有着较高的要求，也需要消耗更多的人力物力^[19]。

若仅仅依靠传统的开模和机械化制作及人工制作，异形珍珠首饰在将设计作品转化成首饰成品的过程中将会一直需要较高的成本，这不仅是资源的浪费，也是阻碍异形珍珠首饰发展的重要因素。因此，异形珍珠首饰行业需要有新的技术改变首饰制作的现状。

3.2   金属3D打印与异形珍珠首饰设计结合

由于异形珍珠首饰设计技艺要求高、人力物力消耗大，而3D打印技术在首饰及其他装饰品领域方面的最大作用就是减少单个产品制作成本及周期^[20]，可以很好地解决异形珍珠首饰制作的难点，实现异形珍珠的独特设计，从而达到提升价值的目的。

依据异形珍珠的独特形状，首饰设计师获得创作灵感，并绘制设计图；利用3D扫描仪对异形珍珠进行全方位扫描获得其立体图像及尺寸数据^[21]，通过Rhino等专业建模软件建立首饰模型；最后在3D打印机中实现近自动化生产，金属材质有一定的延展性和变形性，可以在打印产品的基础上进行一系列的手工，使首饰作品更符合预期效果。

总的来说，3D打印技术的应用与异形珍珠首饰生产的发展趋势不谋而合，使用3D打印技术可以解决现阶段异形珍珠首饰制作过程中的成本高、时间长、效率低等诸多问题，与传统工艺相比具有明显的优势。

4.   3D打印在异形珍珠首饰设计与制作中的应用

基于现有条件，笔者选择了异形珍珠材料，并结合金属3D打印技术设计制作了异形珍珠首饰，对金属3D打印技术在异形珍珠首饰设计和制作中的应用进行初步探究，具体流程如图 10。

Figure  10.  Experimental procedure of 3D printing in design and manufacture of baroque pearls jewelry

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4.1   实验样品、仪器及打印材料

4.1.1   实验样品

笔者首先对诸暨市场上的异形珍珠进行了采集，结合市场情况、实验效率、实验成本等因素，选取典型的3颗异形珍珠作为实验样品。笔者对3颗异形珍珠样品进行首饰设计、3D扫描建模、首饰建模、打印首饰, 旨在探讨3D打印在异形珍珠首饰设计和制作中的优缺点。

异形珍珠样品编号为1-3，样品1长25.1 mm、宽20.9 mm、高39.1 mm，样品2长32.9 mm、宽26.6 mm、高23.5 mm，样品3长30.0 mm、宽28.2 mm、高8.4 mm。图 11为异形珍珠样品实拍图。

Figure  11.  Baroque pearl samples

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4.1.2   实验仪器及打印材料

实验所用的扫描仪为RigelScan^TM手持式蓝色激光3D扫描仪，单幅测量范围225×250 mm²，摄像头分辨率为0.03 mm，测量速率为320 000次/秒。该扫描仪的特点：(1)高精度，精度最高可达0.02 mm，可实现对细小特征的精细扫描；(2)对高亮度表面适应性强，采用先进的蓝光技术，实现对高亮表面的数据获取；(3)具有动态扫描技术，当工件移动时不会对扫描精度造成影响。

实验所用3D金属打印机为意大利Sisma公司的Mysint 100RM-PM，应用于珠宝首饰、复杂模具、个性化医学零件等领域，其主要技术特点有: (1)SLM成型的金属零件致密度高；(2)抗拉强度等机械性能指标优于铸件；(3)打印产品尺寸精度高；(4)材料使用量相对于传统减材制造更少。3D金属打印机使用的打印材料为球形贵金属粉末，如18 K金、925银和青铜等。从硬度、延展性等物理性质上，青铜可以达到使用金、银打印的同等效果，但青铜成本较低，故本次实验选择青铜作为打印材料。

4.2   异形珍珠首饰设计图

异形珍珠有各种形状，笔者据此联想设计了异形珍珠首饰(图 12)。异形珍珠样品1形似兔子，故笔者的设计灵感来源于神话传说中住在月宫中负责捣药的玉兔，同时在异形珍珠下方设计一片祥云，表现玉兔脚着祥云(图 12a)；异形珍珠样品2圆润而饱满，底部偏扁，很像人的头颅，因此笔者将其设计成一边是金属骷髅头的胸针(图 12b)；异形珍珠样品3的外形像汉字“丰”和鱼骨(图 12c)，故该作品的设计理念来源于“年年有余”，代表生活丰足，每年都有多余的粮食和财富, 笔者将这颗异形珍珠设计成了一条鱼造型项链，同时为了降低项链的重量，鱼头以及鱼尾做镂空设计。

Figure  12.  Sample design drawings

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4.3   3D打印异形珍珠作品

4.3.1   三维扫描

3D扫描建模即将扫描仪得到的珍珠数据传输到软件中快速建模，3颗异形珍珠样品的扫描结果如图 13所示，平均一个样品扫描并建模耗时20分钟左右。笔者使用直尺进行粗略测量样品的各项数据(图 14)，并与及扫描模型结果对比来验证相似性。相似性验证结果显示，异形珍珠样品中光泽强并且起伏较多的位置相似度较低，不到70%；光泽正常但起伏较多的位置相似度可达到90%；其他较平缓处的相似度可达95%；样品整体相似度可达90%。据此，该三维扫描模型可用来进行下一步的异形珍珠首饰建模。

Figure  13.  Scanning models of samples

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Figure  14.  Jewelry modeling

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4.3.2   异形珍珠首饰建模

3颗异形珍珠样品的首饰建模图如图 14所示，其中金色部分为以扫描异形珍珠模型为基础，利用3D建模软件所绘制的首饰部分。首饰建模总耗时约14小时，样品1约5小时，样品2约6小时，样品3约3小时。熟练的建模师可大幅度缩减建模时间。

在建模过程中，建模师根据首饰设计图进行首饰建模绘制，但最终首饰建模图(图 14)与设计图(图 12)略有差距，其原因：(1)设计师在绘图过程中带有主观意识，让设计图更符合个人想法而在一定程度上弱化了珍珠形状；(2)建模师和手绘设计师不是同一人，使得最终3D建模图不能完全符合首饰设计师的想法。

4.3.3   异形珍珠首饰的3D打印

打印首饰图如图 15所示，首饰未抛光，打印时间6小时，除最开始设置相关参数及其他准备工作，整个过程无需人工参与，为3D打印机夜间全自动工作；打印首饰部分所用材料为铜合金-青铜。打印首饰材料青铜的硬度、延展性、颜色等物理性质未发生明显改变。结果显示:(1)打印首饰与相应异形珍珠样品的契合度符合预期，整体达到90%以上；(2)与手绘设计图(图 12)对比，3D打印异形珍珠样品1与珍珠样品3的相似度可达90%，异形珍珠样品2的为80%；(3)与3D建模图(图 14)对比，异形珍珠样品3D打印的成品与首饰模型相似度达95%以上。

Figure  15.  3D printed jewelry(a-c)and 3D printed jewelry with baroque pearls(d-f)

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5.   结语

实验结果可知：3D打印异形珍珠首饰缩减了时间成本，减少了人力消耗，其契合度可达到首饰级别；3D模型使用3D打印机可实现肉眼观察无差别打印；手绘设计图造型与最终打印出成品有一定差别；扫描模型在细微处无法实现完全复刻样品。

结合本次实验结果，笔者有以下建议。

(1) 3D打印应用于异形珍珠首饰的设计及制作，是行业的创新，因此想要达到最佳制作效果，手绘图与建模应当由首饰设计师一人完成。

(2) 本实验使用的扫描仪为目前市场上最先进的扫描仪之一，但应用过程中仍发现扫描模型会受到珍珠表面强光泽的影响。

(3) 金属3D打印技术可应用于异形珍珠首饰设计、制作，但其优势并未被完全发掘，目前通过该技术已经可以打印活动、镂空、重复、内套等复杂结构，可将这些结构与异形珍珠首饰设计、制作相结合进行进一步的实验。