LI Yuan, WEN Hai. Ring Design with Rotating Movable Structure by Selective Laser Melting[J]. Journal of Gems & Gemmology, 2021, 23(4): 47-54. DOI: 10.15964/j.cnki.027jgg.2021.04.007
Citation: LI Yuan, WEN Hai. Ring Design with Rotating Movable Structure by Selective Laser Melting[J]. Journal of Gems & Gemmology, 2021, 23(4): 47-54. DOI: 10.15964/j.cnki.027jgg.2021.04.007

Ring Design with Rotating Movable Structure by Selective Laser Melting

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  • Received Date: March 17, 2021
  • Jewelry with movable structure is time-consuming and difficult to make by traditional jewelry manufacturing process. By 3D printing active structure, jewelry design works can be rapidly integrated by printing equipment, which overcomes the limitations of traditional jewelry manufacture. The authors compared and analyzed three kinds of 3D printing technology applied in jewelry design. Finally the selective laser melting was chosen to study the suitable movable structure for jewelry 3D printing, and a ring with rotating movable structure that is difficult to realize in traditional jewelry manufacturing process was designed and printed. The combination of advanced jewelry manufacture technology and contemporary jewelry art were tried to broaden. By optimizing the internal structure of the model, the problems of support interference and uneven gaps between parts in printing active structure were overcome. Meanwhile, the interaction between people and jewelry is enhanced with the rotating movable structure.
  • 3D打印应用于首饰制造业是为了节省劳动力,减轻生产制作的成本,投入商业生产主要考虑的是如何将3D打印技术运用到现有产品类型的快速制作中,未重视3D打印技术特性及结合首饰设计的研发创新,导致3D打印工艺的优势难以发挥并运用于首饰设计中。与传统制造技术相比,3D打印对制造的约束条件大大降低,其为结构优化技术提供了良好的用武之地[1]。近年来,3D打印轻量化结构及活动结构在珠宝首饰中的探索有所突破,如通过选择性激光熔融技术, 结合珠宝活动结构的设计理念,对珠宝首饰中的百叶窗活动结构, 轴承活动结构和转轴活动结构等进行设计和应用研究[2],将柔性结构应用于创意首饰个性化制作等[3]

    选区激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)技术由美国德克萨斯州立大学奥斯汀分校的C.Deckard[4]提出,目前使用的打印材料为尼龙、塑料、陶瓷、蜡、砂以及金属等。选区激光熔融技术(Selective Laser Melting, 简称SLM)于1995年由德国Fraunholfer学院提出,并在2002年研究成功,该技术是在SLS技术的基础上提出的,两者的主要差别在于SLS技术可以不要求每层金属粉末完全熔化,而SLM技术要求金属粉末完全熔化,再通过冷却凝固成形,因此SLM技术制造的金属零件致密度更高[5]。SLM技术原理为激光束经过扫描振镜聚焦在粉床表面,并按照模型切片路径熔凝粉体,最终通过逐层累积实现样件制备[6]

    随着金属粉末选区激光熔融技术逐渐被珠宝行业应用及推广,准确了解其技术特性,发挥最大优势并应用于首饰设计与制作中逐渐成为行业研究的关键问题。本文中研究分析的旋转活动结构戒指的3D打印试验是在SLM技术上完成。

    本文分析了立体光固化成型、熔融沉积成型、选择性激光熔融三种主流3D打印技术,基于打印的精度、打印结构形态大小、材料物理特性、支撑对悬垂面的干预进行了试验并归纳相关数据(表 1)。

    Table  1.  Characteristics of three mainstream 3D printing technologies applied in jewelry manufacture
    工艺特点 立体光固化成型 熔融沉积成型 选择性激光熔融
    厚薄精度 精度较高,厚度不低于
    0.6 mm
    精度较低,厚度不低于1.0 mm 精度高,厚度不低于0.3 mm
    打印结构形
    态大小
    偏小,一般直径不超100 mm 较大,一般直径100~4 000 mm 小,一般直径在70 mm以下,不超过90 mm
    材料物理特
    打印材料为液态树脂,打印时物体结构要承受平台与离型膜之间的拉力,打印后物体较为脆弱 打印材料为丝状固体,打印时物体要承受自身重力与冷却产生的应力,打印后物体韧度较高 打印材料为金属粉末,打印时物体要承受自身重力与冷却产生的应力,打印后物体韧度和硬度较高
    支撑对悬垂
    面的干预
    物体表面倾斜角度一般在65°~90°和拉力不均衡处要添加支撑,支撑有针状和树状,支撑易拆除,物体的支撑接触面有较明显的起伏形变 物体表面倾斜角度一般在60°~90°, 应力翘曲处要添加支撑,支撑为片状,支撑难以拆除,物体的支撑接触面非常粗糙 物体表面倾斜与水平面夹角一般在45°~90°, 应力翘曲处及易坍塌处要添加支撑,支撑有针状、树状和片状,支撑较难拆除,物体的支撑接触面较粗糙
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    通过对比(表 1)发现,选择性激光熔融技术能够直接打印出金属材料的首饰成品,与光固化成型、熔融沉积成型技术相比,前者简化了商业生产模式的中间环节;打印成品精度高,厚度薄,在轻量化的制作上优势最为突出;打印的首饰结构形态最小,对可活动结构的金属首饰一体化成型的打印制作有着显著的优势。

    相对于传统“减材成型技术”而言,金属打印技术在精密复杂结构零部件成型领域具有得天独厚的优势,比如多孔镂空结构[7]。选择性激光熔融技术可以制作完全空心的首饰,但在外形设计时仍然需要关注其内部结构,如图 1所示。经过笔者测试,如果空心物品顶部的内部倾斜面较大,需要按特性添加少量支撑。同时为了保证首饰打印完成后,空心内部的打印支撑材料能被取出,设计师需要在首饰上较隐蔽的位置开一到两个直径为1 mm左右的出料口。

    Figure  1.  Inner support of the hollow structure by 3D printing

    在进行3D打印首饰时,会受到很多外界因素干扰,如重力或拉力会导致物体上过大的倾斜面和悬空结构坍塌,因冷却导致物体内部产生不均匀的应力,物体翘曲变形等,这些问题都很容易导致打印失败。利用支撑可以很好的避免这些问题。但是支撑的副作用是会让物体的支撑接触面非常粗糙甚至变形,让本该自由活动的结构黏住,或因难以拆除在孔洞内生成。在设计首饰时应该充分考虑首饰上会生成支撑的部位,如图 2,在保证成功打印的前提下,可以通过调整首饰上的结构,减少悬垂面积以减少支撑的生成。

    Figure  2.  Change the surface geometry to reduce support

    戒指最初的结构设计灵感来源于过山车轨道,让戒指表面各转子沿外延轨道转动的同时能贴合轨道角度的转变进行有序摆动。如图 3所示,设计作品由外环转子组(01)及内环轨道(02)组成,外环转子组(01)由数个转子(03)及中轴(04)组成。中轴负责引导转子旋转,而内环轨道则负责引导戒指摆动。

    Figure  3.  Structural schematic diagram of ring with rotating movable structure

    旋转活动结构戒指的打印基于选择性激光熔融特性进行了技术性调整,使戒指的旋转结构更加流畅。为了戒指的转子与内环轨道间不生成支撑,戒指须平放打印,而支撑须接触到转子才能保证转子能被打印,紫色部分为支撑接触面,如图 4

    Figure  4.  Arrangement angle (a) and supporting contact part of the ring (b)

    为了满足要求,笔者拟定了若干种戒指剖面结构方案进行试验,如表 2,红色部分是转子,蓝色部分是中轴,绿色部分是内环轨道,图中所有剖面结构图均为戒指平放于平台时的状态,而控制转子摆动则是通过内环两侧的高低形态的变化配合完成,相当于两条轨道左右倾斜而引导发生倾斜,而内环两侧的高低起伏也避免了转子组往两侧移位脱落。表 2拟定的5种戒指剖面结构在理论上都能满足侧面添加支撑的条件,且满足通过内环两侧高低变化控制摆动的条件,但是选择性激光熔融有一个重要的特征,即在没有支撑的条件下,面的倾斜一旦与水平面夹角小于45°就非常容易坍塌黏连,导致转子无法转动。表 2中的剖面是基于戒指上所有转子都没有摆动的前提下拟定,即表 2中第一种状态。在一个戒指上有些转子必须最大幅度地往两侧摆动才能保证整个转子组不脱离内环,一旦转子往两侧摆动,出现表 2中第二种和第三种状态时,转子内侧或者内环表面都很难保证表面倾斜与水平面夹角大于45°,如表 2中紫红色处所示,而这三种状态的转子都是同时存在于同一个戒指上的,因此这些剖面结构都不可行。

    Table  2.  5 ring profiles developed for testing
    方案1 方案2 方案3 方案4 方案5
    第一种状态
    第二种状态
    第三种状态
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    经过分析,笔者研发了一种既能满足所有活动条件,又能顺利进行3D打印的结构方案,如图 5。这种结构的转子往两侧摆动角度差可达到30°,完全满足整个转子组不脱离内环的条件,而且转子在30°的摆动范围内任何斜面都满足打印条件。

    Figure  5.  Final ring profile schima

    内环轨道和转子的结构解决后,其中轴无法避免支撑的问题,直接3D打印会导致中轴坍塌而与转子粘死。研究发现,可考虑保留内部支撑,但支撑要保证足够细并容易断裂。当整体金属打印后,转动戒指外沿的转子,在扭力的作用下,使得支撑脱离中轴断裂,最终达到设计的活动结构。如图 6所示,将每节转子内部掏空,留出足够的长度空间,加入三根又细又长的支撑(图 6中蓝色线状),故中轴在打印时能落在支撑上,不会坍塌到转子上,而且能通过手动强行旋转转子扭断并去除支撑。如图 7所示,经过测试发现,将打印材料添加为韧性极强的钛金属,在打印完成之后仍可扭断支撑,戒指转动顺畅,且转子不会脱离内环轨道。

    Figure  6.  Support of central shaft embedded in rotor
    Figure  7.  The ring printed in the selective laser melting experiment

    由于SLM技术3D打印时具有高温温度传导的特性,烧结部分容易黏住周围,所以旋转活动结构戒指上的每个转子之间要保持0.2 mm以上的间隙。转子因被中轴串联可以在中轴上自由滑动,然而当24颗转子贴合在一起时,会产生转子间隙分布不均这一现象,如图 8,当24个转子紧密贴合就会产生间距空隙的叠加从而形成一条很大的间隙。虽然戒指可达到旋转活动结构的设计目的灵活的旋转,但整体美观程度却较低。

    Figure  8.  Uneven gap between rotors on the ring

    如果降低各转子0.2 mm的间隙,则存在活动结构粘连的风险。经过反复试验,笔者设计了一种限位卡节,使得转子能够在中轴上自由转动及摆动,同时也不会产生巨大间隙。如图 9,绿色部分为中轴上加入的限位卡节,这种结构均匀的限制住每一个转子的相对位置,令间隙始终保持24份的均分状态,转子间隙不均的问题顺利得到解决。

    Figure  9.  Adding a clamping joint into the central shaft to solve the uneven gaps between rotors

    基于这种带摆动的旋转活动结构的原理,笔者将转子结合人体骨骼结构这一艺术创作元素进行二次创作,并结合数字化雕塑完成了旋转活动结构戒指的拓展设计,如图 10。为戒指添加片状支撑后,利用意大利SISMA MySint J 3D金属打印机进行选择性激光熔融金属戒指打印,如图 11。戒指阳极氧化着色前后的对比图如图 12

    Figure  10.  Ring model with rotating movable structure after digital sculpture
    Figure  11.  Ring with sheet structure support printed by selective laser melting
    Figure  12.  Comparison of ring anodized before (a) and after (b, c) titanium colouring

    本次设计利用数字化雕塑技术,将转子雕刻成脊椎骨节,将限位卡节延长并穿过转子暴露在外面,当佩戴者用手拨动外沿的脊椎骨节转子,转子与卡节一同转动会产生一种富有节奏的动态感,在这种人与首饰互动的过程中,转子和卡节随着戒指转动一开一合,产生十分美妙的韵律,人与首饰的互动感十足。该戒指设计已获批申请两项发明专利及一项实用新型专利。

    基于充分利用3D金属打印的特性,创作出新颖的可活动结构首饰。在设计初期预测到了在实际的打印过程中会碰到支撑的问题,因此对转子与内环轨道的截面结构进行优化设计,克服了打印时各临界角度的支撑产生问题。然而在实际打印过程中发现转子分布不均的结构缺陷,通过限位卡节解决了这一隐藏问题。在制作旋转活动结构戒指过程中对产生的系列问题进行了反复的实验调整,建立健全旋转活动转子的合理结构,并且这一成熟的活动结构可作为技术核心,通过转子的设计衍生出多元素的系列作品。

    应用金属激光熔融技术设计制作旋转活动结构戒指,结合中轴活动转子摆动角度避免了多余支撑的生成,3D打印后运用扭力使活动结构的必要金属支撑完全脱落,解决了支撑拆除带来的不便。通过人与戒指的互动,可活动的首饰不再被局限地定义为身体上的固定装饰物,而为佩戴者或观赏者增添了丰富的体验感。

  • [1]
    徐文鹏. 3D打印中的结构优化问题研究[D]. 北京: 中国科学技术大学, 2016.
    [2]
    熊玮, 郝亮, 李妍. 选择性激光熔融技术(slm)在首饰活动结构设计中的应用[J]. 宝石和宝石学杂志, 2018, 20(S1): 200-201. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BSHB2018S1043.htm
    [3]
    滕颖, 李妍, 郝亮, 等. 基于3D打印技术的活动结构首饰个性化设计[J]. 宝石和宝石学杂志(中英文), 2020, 22(4): 53-64. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BSHB202004006.htm
    [4]
    李鹏, 熊惟皓. 选择性激光烧结的原理及应用[J]. 材料导报, 2002, 16(6): 55. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CLDB200206015.htm
    [5]
    黄雅楠, 杨璐, 李笑林. 3D打印金属结构研究进展与展望[A]. 中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第17届(ISSF-2021)学术交流会暨教学研讨会会议论文集[C]. 西安: 工业建筑杂志社, 2021.
    [6]
    蒋浩, 潘涛, 吴文征. 选区激光熔化技术特性及其研究现状[J]. 科学技术创新, 2021(9): 9-12. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HLKX202109004.htm
    [7]
    曹明顺. 基于SLM的金属3D打印轻量化技术及其应用探讨[J]. 广东蚕业, 2018, 52(7): 26-27. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDCY201807016.htm

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