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首饰快速成型技术

近几年来,首饰加工行业越来越重视高新技术的引进,例如激光焊接、激光打标、数控加工、快速成型等技术,这些高新技术的引进使得首饰加工不再是一个单纯的手工劳动行业。其中快速成型技术是目前发展较为迅速新技术,快速成型技术可以实现首饰起版的机械化,加工出来的首饰不但对称程度高、尺寸精确,而且较手工起版而言,成本更低,更加节省时间。

  首饰快速成型技术是根据首饰的三维数据模型直接加工出首饰原模的加工技术,任何一件首饰都可以看作是许多等厚度的二维平面轮廓沿着某一坐标方向叠加而成,根据计算机上建构的产品三维设计模型,可先将系统内的三维模型切分成一系列平面几何信息,即对其进行分层切片,得到各层截面的轮廓,按照这些轮廓信息,采用不同的方式(喷射、光固化等)将材料逐层堆积成三维实体。在珠宝行业中,利用首饰快速成型技术进行加工生产的主要流程如下:1)由设计师设计好首饰款式;2)由三维造型人员将设计师设计的平面图转化为首饰三维图,建立首饰三维模型;3)根据首饰的三维模型,利用快速成型设备加工出首饰的原版,这个原版可以是蜡模,也可以是树脂模;4)将蜡模或者树脂模浇铸成一个银版或者直接浇铸成一件金货;如果是树脂版,也可以直接拿去压模;5)如果浇铸成银版,可对银版进行执版处理,得到一件银版;如果浇铸成金货,可对金货进行执模、镶嵌等处理,最终得到一件成品首饰。

  快速成型技术可分为递减式和堆积式两种,递减式是指通过对材料进行雕刻,去掉不需要的部分,最终得到首饰原模;堆积式是通过对材料逐层堆积而最终形成一个首饰原模。递减式快速成型设备的典型代表是日本的JWX-10型雕蜡机,如图2所示,JWX-10型雕蜡机主要具备以下优点:1):体积小,不需要额外的安装空间,可以很容易地放置在您的办公室或者工厂的任何一个角落; 2)雕刻速度快,JWX-10 的高精度主轴具备功率高达 100W 的无刷电机,能以 6000 ~ 20000 rpm 的高速度进行铣削加工,缩短生产周期;3)兼容常见的首饰CAD软件, JWX-10可接受Matrix、Jewelsmith、3Design、JewelCAD、JewelSpace 等常用首饰 CAD 软件导出的 IGES、DXF 和 STL 数据文件;4)采用4轴控制,加工出来的蜡模表面光滑。

  由于雕蜡机采用的是机械铣削加工的方式,有些部位并不能一次雕刻成功,需要手工进行修整。在雕刻的过程中,为了保证蜡模具有足够的机械强度,蜡模上需要额外的留有一些蜡作为支撑,雕刻完毕后,需要手工减去对支撑,再对支撑部位进行适当的修整。在雕刻戒指的时候,掏底的部位是雕刻不到的,在蜡模雕刻完毕后,则需要手工进行掏底。

  目前常见的堆积式首饰快速成型设备采用的成型方法主要是熔融沉积法(FDM)和光固化法(SLA)。熔融沉积法(FDM)是将低熔点的材料融化,通过喷头喷出,计算机控制喷头在二维导轨上运动,喷头沿着分层的轮廓运动,材料凝固后而获得一个薄层,通过不同截面轮廓层的堆积,最终形成一个三维实体模型。光固化法(SLA)以液态光敏树脂为原材料,在计算机控制下的紫外激光按首饰各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合( 固化) 反应, 从而形成首饰的一个薄层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后, 工作台下降一个层厚, 使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化, 新固化的一层牢固地粘接在一层上, 如此反复直至完成整个零件的固化成型。

  熔融沉积法(FDM)的代表是美国Solidscape公司的T66系列喷蜡机,如图3所示,T66的工作原理类似一个三维打印机,T66采用蜡作为材料,在计算机的控制下,根据分层的截面轮廓信息,将融化的蜡逐层打印堆积在一起,最终形成一个蜡模。如图2为深圳职业技术学院珠宝首饰工艺及鉴定专业于2004年引进的T66快速成型机,图4为该机器实际工作时的情景。T66从诞生倒现在大约有5、6年的时间,是首饰行业中最早引入的快速成型机,由于快速成型机加工出来的蜡版尺寸精确,对称度高,相对手工起版而言成本低廉,速度快,T66的引入对传统的首饰加工行业来说是一个重大的转折点,在某些方面取代了传统的手工雕蜡版和起银版,特别是在涉及到一些欧美外单的情况下,对首饰工艺要求比较高,一般要求首饰具有犀利的几何对称,在涉及到其钉镶工艺中,对钉的质量要求比较高,快速成型在这些方面就显示出了它独特的优势。与T66同时代的还有日本的名工快速成型机,名工快速成型机的工作原理与T66类似,只不过它采用的是环氧树脂作为材料,用激光令环氧树脂固化,树脂的倒模问题在当时是一个技术难题,蜡版的倒模则相对简单,所以T66被珠宝行业广泛接受。T66的优势除了倒模简单之外,另外就是不需要加支撑,T66自带的Modelworks软件会自动计算支撑的位置,在成型的过程中会自动创建支撑,支撑将模型包裹在里面,成型完毕用融蜡水支撑融解掉即可得到首饰蜡模将。

  T66快速成型机也并非是万能的,T66的工作速度相对比较慢,T66喷嘴是在二维的机械导轨上运动,在工作的过程中,要自动执行喷嘴检查、利用机械铣刀切平模型表面,这些操作在实际工作中会耗费大量的时间,因而工作速度比较慢,对一般款式的戒指而言,T66在24小时之内大约能生产8个左右。现在T66新的改进机型T66 BT2的工作速度能提高80%左右。T66最大的不变之处在于其喷嘴,喷嘴是脆弱易损,难伺候的部件,开机之后要先等蜡箱中的蜡融化,然后对喷嘴执行打气、称蜡重,对十字位等操作,往往要准备40分钟左右才能真正开始工作。

  光固化法(SLA)的典型代表是德国的Envisiontec Perfactory? 系列快速成型机,如图5所示。其成型原理如图6所示,它采用的是DLP数字影像投影技术,投影系统采用的是最先进的DMD晶片,DMD晶片含有130万个规则排列相互交错的的微型显微镜,每個显微镜的大小紧相当于头发丝的五分之一,每个显微镜会根据影像并由个別微电机控制移动角度,发射光线,把影像投射出來,系统根据三维模型的截面轮廓信息,将其转化为一副bitmap图片,通过DMD晶片投射到树脂上,从而使其固化成型。

  由于Envisiontec Perfactory采用的是DLP数字影像投影技术成型,所以首饰截面的大小并不影响成型的速度,成型的速度只与首饰的高度(即分层的数量)有关系。Envisiontec Perfactory的成型速度约为每小時25毫米,最小分层厚度为25 microns,在成型的过程中可以选择使用不同的树脂材料,红色的树脂(图7)硬度较高,适合于压模,黄色的树脂(图8)熔点相对低,适合于直接倒模。相对喷蜡机而言,树脂成型的速度要快很多,但在成型之前,先要为三维模型加上支持,模型加工完毕后再手工剪去支撑,对支撑部位进行修整。这一方面相对喷蜡机而言不是特别方便。

  目前深圳市大多数大中型珠宝企业都购买了快速成型设备进行电脑起版,尤其是以生产欧美款为主的企业,由于欧美款强调对称型,且多以钻石款为主,尺寸要求精确,在这些方面快速成型成型机更能发挥出其独特的优势。当前市面上常见的快速成型机种类繁多,并非只有上面所介绍的两种,但是并不是所有的快速成型机都适用于首饰行业,有些快速成型机是专门用于钟表、眼镜行业的,其精度达不到首饰行业应用的要求,由于首饰本身属于精细商品,存在很细小的钉、爪,花饰等细节特征,因此,不管是喷蜡型快速成型机,还是树脂型快速成型机,相对首饰行业的应用而言,首先要求快速成型机成型出的模型光洁度好,表面光滑,精细度高,细节特征不丢失,采用的材料要可熔性、硬度等特性要方便直接倒模或者压模,倒模后的铸件上不留下沙孔。其次,还要求快速成型机操作简单,方便维护,成型速度快,只有符合这两点基本的要求,快速成型技术才能真正为珠宝行业所用。


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