甘 果

（江西科技學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，南昌 330098）

0 引 言

3D打印，也稱增材制造（additive manufacturing），是一種通過(guò)CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)二維打印的空間限制，可以在較短時(shí)間內(nèi)將電腦模型直接轉(zhuǎn)化為實(shí)體物件，這一特點(diǎn)在首飾領(lǐng)域中運(yùn)用可以提高產(chǎn)品的成型速度，降低耗材損失，并為首飾產(chǎn)品的私人訂制服務(wù)提供充足的效率支持。3D打印技術(shù)自1986年查爾斯·W·哈爾（Charles W.Hull）成立世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的3D Systems公司開(kāi)始，便進(jìn)入了蓬勃發(fā)展期，各大3D打印公司相繼完善該技術(shù)并努力嘗試降低打印成本以使其在工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)大推廣。目前，3D打印技術(shù)被廣泛運(yùn)用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及單件小批量制造中[1]，其中包括首飾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

3D打印技術(shù)在首飾設(shè)計(jì)與制作行業(yè)中的應(yīng)用已較為廣泛，從3D打印成型技術(shù)上看，主要有熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、光固化成型（SLA）以及層壓板制造（LOM）等4種類型[2]；已有利用3D打印方式解決傳統(tǒng)琺瑯[3]和當(dāng)代金工首飾[4]工藝技術(shù)難點(diǎn)的研究及應(yīng)用成果。但尚未見(jiàn)從首飾內(nèi)部結(jié)構(gòu)上展開(kāi)分析，探討3D打印對(duì)鏤空形首飾制作的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的相關(guān)研究。鏤空形首飾具有體量輕、壁薄等形態(tài)要求，本文借助3D打印技術(shù)，以期克服傳統(tǒng)手工制作的難點(diǎn)，更加科學(xué)高效地節(jié)約材料成本，提高鏤空形首飾的精細(xì)化程度和加工效率。

1 首飾的分類及特點(diǎn)

首飾按照佩戴形式可以劃分為戒指、項(xiàng)飾、胸針、耳飾等；按照使用材料可劃分為黃金首飾、K金首飾、鉑金首飾等；按照設(shè)計(jì)及創(chuàng)作目的可劃分為商業(yè)首飾、藝術(shù)首飾等；按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)可劃分為鏤空形首飾和實(shí)心形首飾。

1.1 按佩戴形式分類

首飾的實(shí)用功能在于可佩戴。根據(jù)裝飾位置大致可以分為佩戴于手部的戒指、佩戴于頸部的吊墜或項(xiàng)鏈、佩戴于胸口的胸針及佩戴于耳部的耳釘或耳墜等。裝飾位置不同，首飾的結(jié)構(gòu)要求也有所不同。

1.2 按使用材料分類

如今市場(chǎng)上常見(jiàn)的首飾材料主要為黃金、鉑金、K金等貴金屬。其中黃金與鉑金價(jià)值高且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。K金則是將黃金與其他金屬混合得到的合金種類，其優(yōu)點(diǎn)為硬度較高且色彩表現(xiàn)豐富。貴金屬的使用通常會(huì)配合貴重寶石進(jìn)行設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出價(jià)值高昂的珠寶首飾產(chǎn)品。

1.3 按設(shè)計(jì)及創(chuàng)作目的分類

設(shè)計(jì)及創(chuàng)作目的是分類的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，首飾據(jù)此主要分為兩類。商業(yè)首飾即能夠滿足日常佩戴及大規(guī)模市場(chǎng)流通的首飾類別，在設(shè)計(jì)上以大眾審美為導(dǎo)向，追求規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)及利潤(rùn)最大化，具有很強(qiáng)的社會(huì)功利性。藝術(shù)首飾也稱當(dāng)代首飾，以設(shè)計(jì)師純粹的藝術(shù)化表達(dá)為導(dǎo)向，拋開(kāi)商業(yè)目的和利潤(rùn)追求，更多是對(duì)觀念、工藝、材料等方面進(jìn)行創(chuàng)新。

1.4 按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類

首飾是一種三維藝術(shù)，具有長(zhǎng)度、寬度及厚度，其中依照首飾厚度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以將其劃分為實(shí)心形首飾和鏤空形首飾。

（1）實(shí)心形首飾。實(shí)心即內(nèi)部結(jié)構(gòu)充實(shí)無(wú)缺失，實(shí)心的首飾質(zhì)量較大，體量感重，因用材量大，難以實(shí)現(xiàn)成本的最佳控制；造型感上多表現(xiàn)笨拙，缺乏靈動(dòng)感。實(shí)心首飾優(yōu)點(diǎn)在于不易因外部擠壓受力發(fā)生變形。硬度較低的金屬適合采用實(shí)心結(jié)構(gòu)進(jìn)行首飾設(shè)計(jì)。

（2）鏤空形首飾。鏤空是在物體上雕刻出穿透物體的花紋或文字，使物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空心的狀態(tài)。鏤空裝飾具有強(qiáng)烈的空間美感，同時(shí)可塑造出虛實(shí)層次、節(jié)奏韻動(dòng)、光影呼應(yīng)的構(gòu)成關(guān)系。鏤空形首飾與實(shí)心形首飾相反，它造型感輕巧卻因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)疏松而易受外部擠壓發(fā)生變形。因此在材料選擇方面應(yīng)盡量避免硬度低的金屬，在設(shè)計(jì)方面要注意把控首飾的壁厚以防變形問(wèn)題產(chǎn)生。

2 3D打印技術(shù)下金屬首飾的成型方式

失蠟鑄造法是傳統(tǒng)首飾行業(yè)的成型加工方式，這種制造方式依賴于對(duì)原坯手工起版，通過(guò)雕刻蠟?zāi)Ｒ赃_(dá)到理想中的造型，再結(jié)合其他耐溫材料進(jìn)行翻模，從而獲取金屬版形態(tài)再進(jìn)一步細(xì)化加工。首飾行業(yè)引入3D打印技術(shù)，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的產(chǎn)品起版與成本的控制。不同于傳統(tǒng)的“減材”雕蠟，它運(yùn)用的是逐層增加材料，通過(guò)堆積達(dá)到與數(shù)字模型相一致的三維實(shí)體。依照3D打印技術(shù)下材料與生成切片分層方式的區(qū)別，可將其歸納為選擇性激光燒結(jié)（SLS）、光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、層壓板制造（LOM）4種主流的實(shí)現(xiàn)方式。其中以SLA和FDM技術(shù)在國(guó)內(nèi)首飾業(yè)界應(yīng)用最為成熟。本文主要探討采用熔融沉積成型（FDM）對(duì)金屬首飾進(jìn)行設(shè)計(jì)加工的技術(shù)。根據(jù)不同的打印材料和原理，3D打印在金屬首飾成型中主要包括輔助成型與直接成型兩種方式。

2.1 輔助成型

3D打印技術(shù)在首飾制作中的輔助成型是指先選取廉價(jià)材料進(jìn)行打印，再經(jīng)過(guò)后期翻模、澆鑄得到金屬成品的制作方式。輔助成型通常借助SLA技術(shù)來(lái)完成樹(shù)脂材料的光固化或借助FDM技術(shù)完成蠟材的融積，進(jìn)而將打印好的模型采用傳統(tǒng)失蠟工藝將其鑄造成需要的金屬材料，最終配合去水口、執(zhí)模拋光等步驟完成首飾的制作。輔助成型解決了傳統(tǒng)減材加工的不可控及耗材率高的缺點(diǎn)，是當(dāng)下首飾加工行業(yè)的主流選擇。

2.2 直接成型

國(guó)內(nèi)首飾業(yè)界的直接成型通常依靠SLS技術(shù)，一步打印出金屬材質(zhì)及其形態(tài)，對(duì)其進(jìn)行鑲嵌、拋光等簡(jiǎn)單步驟即完成首飾的制作。直接成型提升了首飾生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化效率，使得創(chuàng)作更加自由化。缺點(diǎn)在于傳統(tǒng)金銀材料雖可直接打印成型，但精度較低且打印成本太高，在精細(xì)化的首飾加工中運(yùn)用并不廣泛。

3 首飾3D建模軟件的類型及特點(diǎn)

隨著科技的發(fā)展，打印技術(shù)從二維平面圖案演變成了如今的三維立體成型。通過(guò)逐層打印的原理將打印材料進(jìn)行高度上的疊加，從而完成人們對(duì)立體打印的憧憬[5]。3D打印在首飾生產(chǎn)中的成型，是依托數(shù)字建模軟件在電腦中建立出三維模型后，輸出STL格式或3DP文件進(jìn)入打印階段，通過(guò)逐層向上的打印順序完成首飾造型。

3.1 首飾建模軟件

目前常用于首飾設(shè)計(jì)建模的軟件主要以JEWELCAD和RHINOCEROS為主。這兩款軟件無(wú)論是操作方式還是建模效果都有所區(qū)別，在當(dāng)下的運(yùn)用場(chǎng)景也不盡相同。

（1）JEWELCAD。JEWELCAD是專門(mén)為首飾建模開(kāi)發(fā)的軟件，擁有豐富的資料庫(kù)，其中包含上百個(gè)首飾配件，使用者可直接調(diào)取進(jìn)行繪制，并且允許使用者自行添加素材擴(kuò)展其內(nèi)容。如圖1所示，使用者可直接在資料庫(kù)中選取合適的圓形鉆石鑲口作為素材并對(duì)其做個(gè)性化調(diào)整。除此之外，雜項(xiàng)中的“測(cè)量”工具還可對(duì)效果圖進(jìn)行重量計(jì)算，這個(gè)功能能夠幫助使用者精確估量首飾重量，從而控制產(chǎn)品成本。JEWELCAD在珠寶首飾企業(yè)及加工工廠使用廣泛，原因在于其便捷的資料庫(kù)功能可為使用者提供大量的零部件直接選用，節(jié)省不必要的重復(fù)建模時(shí)間，這對(duì)追求高效益來(lái)說(shuō)尤為重要。

圖1 JEWELCAD資料庫(kù)部分展示

（2）RHINOCEROS。RHINOCEROS是一款功能強(qiáng)大的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，除了可用作首飾建模，在機(jī)械設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等方面也有著廣泛的使用[6]。軟件主要優(yōu)勢(shì)在于精確度高、可后期修改編輯、渲染效果逼真。在操作過(guò)程中，“物件鎖點(diǎn)”及數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)置功能可以幫助使用者更加精準(zhǔn)地把控產(chǎn)品尺寸或調(diào)整變形程度。建成曲面后，還可通過(guò)調(diào)整控制點(diǎn)位置對(duì)曲面形態(tài)再編輯，這大大方便了使用者的后期修改。在產(chǎn)品渲染方面，RHINOCEROS效果逼真，光影關(guān)系較生動(dòng)，極大地滿足了使用者的前期預(yù)覽，更能輔助使用者進(jìn)行修改決策。 RHINOCEROS在國(guó)內(nèi)首飾行業(yè)的運(yùn)用主要集中在獨(dú)立首飾工作室及一些藝術(shù)首飾的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，相較于JEWELCAD，它因缺乏資料庫(kù)素材而無(wú)法快速繪制常規(guī)款的首飾產(chǎn)品，因此在規(guī)?；氖罪椛a(chǎn)中普及率遠(yuǎn)不及前者。

3.2 3D打印下數(shù)字化首飾設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

（1）可視的前期效果。3D打印技術(shù)的發(fā)展得益于數(shù)字建模軟件的普及，通過(guò)在電腦上繪制出設(shè)計(jì)師所要求的造型結(jié)果，便可全方位對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行直觀的視覺(jué)觀察。這一特點(diǎn)可以為設(shè)計(jì)師提供“所見(jiàn)即所得”的最終作品的虛擬展示，幫助設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中更快捷地完善效果。

（2）重復(fù)元素的快速?gòu)?fù)制。國(guó)際建筑設(shè)計(jì)師Jenny Wu跨界設(shè)計(jì)的名為L(zhǎng)ACE的項(xiàng)飾，是一件由很多結(jié)構(gòu)相同的單元件互鎖連在一起組成的繁復(fù)的作品，使用尼龍材料進(jìn)行打印制作，如圖2所示。Jenny Wu證明了3D打印能夠在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)制造出細(xì)節(jié)繁復(fù)的精美設(shè)計(jì)。而使用手工起版耗費(fèi)的時(shí)間及精力是數(shù)字建模的數(shù)倍，并且無(wú)法做到單元的完全一致。而通過(guò)數(shù)字建模的方式可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)制，因此可快速創(chuàng)建重復(fù)構(gòu)成的單元造型。

圖2 Jenny Wu跨界首飾設(shè)計(jì)作品LACE項(xiàng)飾

（3）精密的高契合結(jié)構(gòu)性部件。首飾體量較小，涉及鑲嵌部件的結(jié)構(gòu)往往需要借助精密的數(shù)學(xué)計(jì)算控制其厚度及高度。若通過(guò)手工起版完成，對(duì)手工操作能力要求極高，稍有不慎就容易破壞鑲口或其他結(jié)構(gòu)的功能性。然而，借助3D打印技術(shù)可以將這些部件精確數(shù)字化，提高后期鑲嵌和制作的成功率。

4 3D打印技術(shù)對(duì)鏤空形首飾設(shè)計(jì)的影響

增材疊加的制作原理有效降低了首飾蠟和金屬材料的損耗。將3D打印技術(shù)運(yùn)用于鏤空形首飾，對(duì)其工藝以及市場(chǎng)方面都有著積極的影響。

4.1 對(duì)鏤空形首飾制作工藝的影響

傳統(tǒng)首飾制作方式主要依靠去除不需要的部分來(lái)完成最終的實(shí)體造型，該方式稱為減材加工法，主要有手工雕蠟和金工起版。鏤空形首飾若以傳統(tǒng)減材加工的方式制作，去除造型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)將占用主要且大量的工作時(shí)間，并且很難控制壁厚的統(tǒng)一和規(guī)整。然而3D打印技術(shù)的增材加工方式不但可以提高制作效率而且能夠規(guī)范首飾造型和外觀，增加首飾的輕盈感及靈動(dòng)感，提升其藝術(shù)視覺(jué)效果。

4.2 對(duì)鏤空形首飾市場(chǎng)的影響

控制金重是商業(yè)首飾設(shè)計(jì)及成型加工中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，鏤空造型的目的之一是減少貴金屬的用量從而降低成本。然而傳統(tǒng)的減材加工方式反而增加了制作上的時(shí)間和損耗上的成本，無(wú)法快速且高效地滿足市場(chǎng)需求。3D打印技術(shù)所運(yùn)用的增材加工方式縮短了傳統(tǒng)手工起版的大量時(shí)間，并且能將金屬損耗降到最低，大大提升了利潤(rùn)空間，推動(dòng)了鏤空形首飾市場(chǎng)的成熟。

5 鏤空形耳飾3D打印建模及制作實(shí)例

5.1 設(shè)計(jì)理念及構(gòu)思

隨著國(guó)民收入的提高，首飾市場(chǎng)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，但是在具體設(shè)計(jì)方面也暴露出了許多問(wèn)題，如寶石的繁復(fù)堆砌、國(guó)際品牌的抄襲改款等，產(chǎn)品設(shè)計(jì)同質(zhì)化是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。將傳統(tǒng)文化和美學(xué)意境融于現(xiàn)代首飾的設(shè)計(jì)理念和思潮，是對(duì)“歷史”的傳承和創(chuàng)新，也是對(duì)“未來(lái)”的靠近。為實(shí)現(xiàn)鏤空形耳飾3D打印建模及制作，本文以傳統(tǒng)器具為造型元素，提取“花瓶”的形態(tài)為代表，融入鏤空的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款耳墜。本設(shè)計(jì)將原本的置物范疇濃縮至可佩戴的首飾藝術(shù)，同時(shí)將器物特有的文化歷史、人文情懷和工藝美感延伸至身體。

5.2 3D建模繪制過(guò)程

考慮到作品的曲面流暢性以及需配合后期打印的數(shù)值精確程度，本作品使用RHINOCEROS進(jìn)行數(shù)字建模。為充分展現(xiàn)首飾的輕盈美和靈動(dòng)美，在設(shè)計(jì)中，采用重復(fù)連續(xù)的鏤空?qǐng)A環(huán)作為單元圖形對(duì)花瓶造型進(jìn)行構(gòu)建。

（1）在主視圖中繪制圓環(huán)，為保證有效精度及打印的成功率，設(shè)定其管狀部分直徑為0.8mm，如圖3所示。

圖3 繪制單元圖形

（2）接著繪制花瓶的輪廓線，并使其旋轉(zhuǎn)成實(shí)體造型，如圖4所示。這里根據(jù)首飾佩戴的適宜尺寸，將花瓶的高度限制在20mm以內(nèi)。

圖4 繪制花瓶輪廓線并旋轉(zhuǎn)成型

（3）陣列繪制好的鏤空?qǐng)A環(huán)，使用“沿著曲面流動(dòng)”命令將圓環(huán)包裹在瓶體上，再刪除實(shí)心瓶體，便得到一個(gè)鏤空的花瓶造型，如圖5所示。

圖5 陣列單元圓環(huán)使其“沿曲面流動(dòng)”

（4）最后調(diào)整細(xì)節(jié)，并在瓶身添加另一個(gè)圓環(huán)以方便后期連接佩戴結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 調(diào)整細(xì)節(jié)并添加耳墜佩戴連接結(jié)構(gòu)

（5）檢查每個(gè)單元的圓環(huán)之間是否相交，這可確保打印時(shí)不會(huì)出現(xiàn)斷裂的情況，影響作品的穩(wěn)定性。建模完畢后，將其保存為STL格式以供后期打印讀取。

5.3 3D打印實(shí)踐

依據(jù)程序指令打印模型，調(diào)取出已繪制好的STL格式文件，如圖7所示。在3D打印系統(tǒng)上，運(yùn)用首飾蠟材，采用FDM（熔融沉積成型）技術(shù)來(lái)完成耳飾蠟?zāi)５膰娭啤娭葡到y(tǒng)中采用了雙噴頭的設(shè)計(jì)，其中一個(gè)噴頭用于沉積首飾的原型材料，為深藍(lán)色蠟材，另一個(gè)噴頭用于沉積支撐材料，為白色蠟材，如圖8所示。工作時(shí)將熱熔性材料加熱融化，再通過(guò)機(jī)器噴嘴擠出細(xì)小的絲材，每完成一個(gè)高度的打印，機(jī)器都會(huì)按照事前的預(yù)設(shè)值降低工作臺(tái)面。逐層類推直至模型被打印完成。打印完成后，需對(duì)模型去除白色支撐材料，如圖9所示；將其浸泡在乙醇溶液中清洗使之溶解，最終首飾主體造型被有效保留，如圖10所示。

圖7 調(diào)取STL格式文件

圖8 雙噴頭工作打印出的藍(lán)蠟與白蠟

圖9 去除白色支撐蠟

圖10 3D打印的首飾主體造型

5.4 鑄造及后期處理

將蠟材安裝上水口上樹(shù)，將石膏漿注入放置了蠟樹(shù)的容器內(nèi)并待其凝固后進(jìn)行焙燒失蠟與黃銅金屬澆鑄。取出金屬件后完成去水口、執(zhí)模與拋光等步驟，如圖11所示，最后安裝上耳飾佩戴鏈條，如圖12所示。

圖11 對(duì)金屬件進(jìn)行執(zhí)模

圖12 安裝耳飾佩戴鏈條

在此件首飾制作中，3D打印技術(shù)起到了重要的輔助作用，不僅大大降低了制造成本，還借助蠟?zāi)５拇蛴√崆罢故玖耸罪棾善返脑煨托Ч?，為后期的首飾?shí)體澆鑄奠定了良好基礎(chǔ)。

6 結(jié) 語(yǔ)

3D打印技術(shù)使得鏤空形首飾成型的效率得到了極大的提高，為創(chuàng)意提供了便捷的實(shí)現(xiàn)方式。設(shè)計(jì)制作也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前鏤空形首飾的設(shè)計(jì)與制作實(shí)踐還存在以下問(wèn)題與不足。一是軟件使用上，發(fā)現(xiàn)通過(guò)“沿曲面流動(dòng)”一體成型的圓環(huán)會(huì)隨著花瓶的造型發(fā)生形變，進(jìn)而破壞單元形的秩序感。因此在建模過(guò)程中，盡量使用更多更小的圓環(huán)來(lái)“包覆”花瓶造型，旨在最大可能縮小單元形變的程度。二是在打印方式的選擇上，由于精度的問(wèn)題，最終選擇了FDM熔融沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)首飾輔助成型，雖然已大幅度提升傳統(tǒng)手工起版的效率，但依然未能實(shí)現(xiàn)直接的金屬材料打印。

鑒于以上出現(xiàn)的問(wèn)題，在后續(xù)的持續(xù)研究中，須從軟件的運(yùn)用上進(jìn)行多樣化嘗試，綜合其他三維軟件進(jìn)行建模，更好地為造型服務(wù)；積極探索更新更精的打印技術(shù)，完成從數(shù)字模型到金屬直接轉(zhuǎn)化的現(xiàn)實(shí)可能。