Selective Laser Melting (SLM) Technology for Jewelry Design and Its Application

1.   SLM技术的原理及工艺

1.1   SLM技术原理

选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting，简称SLM)是3D打印增材制造技术中一个重要的组成部分。SLM技术是先利用金属粉末在激光束的热作用下逐层熔化，再经冷却固结成型打印件。它不需要金属间的粘结剂，能一次性打印制造出接近完全致密度、力学性能良好的金属物件^[1-3]。

在精度和设计自由度方面，SLM技术实现了金属首饰产品从设计到成型的一体化，优化了首饰制作的工序过程。在造型设计上，SLM技术的局限性较少，可打印制造各种形状的物体，包括空壳结构和内部特殊结构；一次性打印成型高性能的金属物件，打印过程短，可现场制造^[4]，节约了传统首饰制造过程中因分件组装而带来的损耗和工艺成本。

1.2   工艺流程

SLM技术以计算机辅助建模设计的三维模型为样本，采用了专属切片软件进行模型切片分解，利用激光束逐层光照熔化得到打印件，将打印件去除支撑后再执模抛光处理，最后得到首饰成品，具体打印流程如下。

(1) 首饰产品的方案设计。根据设计稿构建模型，分析、检查模型并优化方案，完成后导出STL格式文件，之后运用支撑软件自动生成或手工添加支撑结构。

(2) 运用切片软件对STL格式的三维实体模型和支撑结构进行切片处理(图 1和图 2)，获得每一层横截面的打印模型(图 1c)，将切片后模型导入金属打印机进行产品打印，切片厚度和激光功率参数可以设置和调节。对三维立体结构进行分层制造，分解为二维单层结构，逐层累积形成模型。这种打印技术可以创建各种复杂结构，制造过程也更加灵活^[5]，从底部到顶部堆叠方式更有利于实现非均匀材料和梯度功能器件。打印过程中涉及的模型文件可以通过网络进行传递，实现分布式3D打印云制造的生产模式^[6]。

Figure  1.  SLM technology model slicing process diagram: a.Schematic diagram of slicing principle; b.Slice section diagram; c.Model diagram after slicing

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Figure  2.  Stereomodel and post-slice print model before slicing (a) and after slicing (b)

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(3) 打印机在高能量密度的激光束作用下逐层使金属粉末完全熔化，从而打印出最终实体^[7]，每熔化一层金属粉末，工作平台下降一层，粉缸抬升一层，刮刀会使新的粉末铺满工作平台进行下一层打印，层层累积成型出三维设计模型实体。工作平台如图 3所示，最左边是粉缸，中间是工作平面的成型缸，最右边是粉末的回收缸，打印过程需要通过刮刀移动铺粉来实现逐层打印。

Figure  3.  SLM technology working platform diagram

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(4) 打印好产品模型，去除模型上的粉末和金属支撑结构，后进行金属表面的执模抛光处理，得到光滑的物件，最后进行宝石镶嵌及清洗处理, 获得最终首饰成品。

1.3   SLM技术优势

传统首饰的制作工序繁多而相对复杂，每部分工序与工匠师傅也有较大关系，而SLM技术可以直接反映设计师的设计方案，在设计成型方面具有很多优势，两种制造方式对比如表 1所示。

Table  1.  Comparison between SLM technology and traditional jewelry processing methods

类别	SLM技术	传统首饰加工方式
材料	金属粉末(钛、铜、银、K金)	蜡、倒膜粉、胶膜粉、金属熔融液体
工序	设计建模-金属模型打印-成品	设计建模-喷蜡-倒模-压胶模-开胶模-注蜡-种蜡树-浇注成品
设备	选择性激光熔化打印机	蜡模打印机、压模机、浇注机
成型质量	高(可打印空壳结构、内部特殊结构)	相对低(难以浇注制造空心结构和内部结构)
耗时	短(一次打印多件)	长(需要打印和倒模两个工序)
备注	一次性成型，首饰版误差较低	多重加工检查，倒模缩水，手工有较大误差

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由表 1可以看出，传统首饰的加工材料和工序很多，喷蜡倒模中有很多细小的结构会缺失，且存在模型损坏的可能性，对模型尺寸有一定的要求，同时传统首饰的加工过程需要多次检查工序，存在很多的手工误差。

但SLM技术使用的金属球形粉末存在粉末间隙^[8-11], 粉末快速凝固形成了淬火效应，所以打印金属物件的硬度比浇注物件的硬度高，对后期执模抛光工艺有更高的技术要求。

2.   SLM技术中支撑结构的设计原则及方法

SLM技术打印物件涉及金属支撑的添加和去除^[12-13]，首饰设计中合理利用金属支撑，减少支撑的添加量，优化设计使打印物件能够自支撑进行打印。支撑结构的合理性、支撑的添加密度和后期金属支撑的去除难度等问题都是首饰设计过程中所需要优化和考虑的问题^[14-16]。

2.1   金属支撑的作用及设计原则

在打印过程中，SLM技术涉及了金属支撑结构，一般模型在角度低于45°的突出部位均需要添加额外的支撑，高于45°的突出部分可形成自支撑，无需添加支撑结构。例如，图 4a-图 4c中的3个角度都可以形成自支撑，无需添加支撑，而图 4d中的角度为30°，直接打印上部模型会导致坍塌，故需要添加支撑结构(图 5红线部分)，这样才能保证打印物件的完整性，不会在打印过程中局部塌陷。

Figure  4.  Schematic diagram of angle limitation of SLM technology

a.90^o; b.60^o; c.45^o; d.30^o

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Figure  5.  Schematic diagram of supporting structure for 30 degree angle of model

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因此，对于SLM技术，完整的打印模型和合理的支撑结构共同影响了物件打印的成型率，支撑结构的设计的原则有：(1)减少支撑的使用量和支撑重量^[17-19]；(2)打印后支撑结构易于去除。优化模型设计减少支撑，或者利用模型本身形成自支撑。

2.2   自支撑结构设计方法

运用SLM技术打印首饰时，如何减少支撑、减少打印成本、增加打印成型率、提高打印金属粉末的利用率和打印效率等问题都需要从设计层面进行优化^[20]。自支撑结构是一种把模型本身结构作为支撑一部分的设计方法。因此，利用自支撑结构进行首饰设计可有效减少支撑的使用，在一定程度上避免后期去除的繁琐过程。自支撑结构的设计方法有两种，如下所示。

(1) 大于45°原则

对于打印方向不固定的模型，可将模型旋转不同角度，寻找支撑结构相对少且打印时长相对短的方向进行支撑的添加；对于打印方向已确定的模型，需要优化支撑结构不合理的部分，多形成自支撑结构或者减少支撑结构，这是选择性激光熔化技术打印过程中不可缺少的一个环节。

从图 6看出，活动结构的连接环最初设计方案如图 6a，但在模型构建完成后，需要对环所在部分添加支撑结构，这不仅增加了去除的困难，还增加了模型连接结构断裂和活动不流畅的可能性，所以优化设计方案，得到了模型图 6b，调整了模型连接环的角度，使其形成自支撑。

Figure  6.  Connection structure requiring support and optimization scheme: Ring structure requiring support (a) and optimized ring structure (b)

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(2) 拱形结构和减少跨度设计

跨度指一个模型两个拱形柱结构之间的距离。一般水平跨度大的模型都需要添加支撑来防止变形和坍塌，但是某些距离较近的跨度模型还是可以直接打印。图 7a的左边是需要添加支撑的直角拱门状设计方案，红色部分是添加支撑的位置，右边是增加了跨度间梯度的优化设计，增加梯度可以有效地避免添加支撑结构。

Figure  7.  Span design that needs supporting structures and optimization scheme: Arch-like structure (a) and reduction of suspended span (b)

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图 7b也是拱状设计，其左边是直接打印会掉落的悬空结构，红色箭头方向表示悬空部分的掉落方向，右边是减少了横向跨度后的优化方案，通过减少悬空跨度的距离可以有效避免悬空结构坍塌，同时也减少了横向跨度之间的金属支撑。

3.   设计应用案例

应用SLM技术对首饰进行创新性、活动性和连接结构流畅性设计。综合考虑打印支撑结构的影响和后期处理的难度，笔者使用上述支撑设计原则打印传统首饰加工方式难以制作的隐藏结构及立体多层三维结构，使打印物件减少了支撑结构和损耗，还使首饰产品具有不容易被抄袭的内部结构^[21]。笔者将可活动结构大致分为以下3个方面。

3.1   轴承可滑动结构

利用轴承滑动结构设计戒指，戒指分为内环、外环两层结构，其纵截面结构示意图如图 8a所示，内外两层进行嵌套设计(图 8b-图 8c)。笔者对内外两层的空隙部分进行设计，保证空隙部位不增加额外的支撑，绿色外圈部位的弧度普遍大于45°，提供自支撑结构，同时减小内外两部分间的跨度间隙，内戒环和外戒环的间隙为0.02~0.50 mm，外戒环的上边缘和下边缘的相对位置向内设有滑轨，对滑轨所述内戒环的上边缘和下边缘通过卡在滑轨内从而将内戒环和外戒环嵌套在一起，内戒环能沿滑轨与外戒环发生相对转动。

Figure  8.  Schematic diagram of bearing slidable structure longitudinal section view (a), model perspective view (b) and perspective sectional view (c)

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内外两层戒环分别设计了不同的纹样，外戒环设计镂空结构，内戒环设计图案和镶嵌宝石，佩戴时可透过镂空部分看到内戒环中不同的纹饰。图 9是一件轴承滑动结构的戒指成品，外戒环与内戒环嵌套在一起，相对的转动可以使纹样交替从外戒环的镂空结构中显露，进而得到具有不同纹样的趣味性戒指。

Figure  9.  Finished product of bearing slidable structure ring (a), before turning (b) and after turning (c)

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3.2   轴活动结构

宝石的镶口设计采用轴活动的平面结构，对金属连接环进行了平面开孔设计，使连接结构内部不需要添加金属支撑，该设计可以柔软地贴合佩戴部位，不同于传统的环状连接结构。

图 10a中轴活动单元间并未采用简单的环状结构连接，而是运用了实体打孔的连接方式，这种方式可以减少连接位置产生多余的支撑，增加了整体轴活动的柔软贴合度，较好解决了活动部位因传统制造工艺难以生产细小连接环所产生的结构松散的问题。

Figure  10.  Axis movable structure jewelry design flow chart: a.Axis active structure modeling unit diagram; b.Axis active structure combination effect diagram; c.SLM metal printing; d.Finished pieces; e.Finished product

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3.3   百叶窗活动结构

该首饰作品的设计灵感来源于生活中的百叶窗结构(图 11)，具有几何线条独有的美感，窗叶之间存在间隙，且透过间隙可欣赏窗外风景，有风时或者触动时也会产生时隐时现的效果。

Figure  11.  Stereogram model of louver movable structure (a) and rendering of print (b)

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根据百叶窗纵向的结构来设计该首饰，选定打印方向后，利用45°原则优化纵向连接环。图 11a为选定的打印方向，对连接环部分进行角度调整使其不需要添加支撑，减小后期加工难度，避免了首饰连接环部分因去除支撑而断裂。笔者在横向空隙中还增加了不同图案的设计，能够在一定程度上削弱连接结构外露对设计美观程度的影响，增添各种不同元素，满足不同人群对于首饰的个性化定制需要。

4.   结语

现今，利用SLM技术与复杂的首饰工艺相结合来创新是首饰制造不断发展的需求。SLM技术在首饰设计及产品制造等方面能轻易完成传统加工方式难以加工制造的结构和连接方式，在空心结构和空心网格内部结构的应用也具有很大的优势。

SLM技术提供了一种让设计师独立制造独特结构设计作品的途径。随着人们的审美水平不断提升，新材料、新技术、新工艺的发展将会在很大程度上优化传统制造的方式，SLM技术与传统首饰工艺进行结合创新，不仅可以满足首饰市场对工艺本身的需求，还可以为传统工艺加工注入更加新鲜的活力，在未来的首饰设计中也将更多的被设计师运用，满足首饰产品消费多样化的需求。