3D列印設備與金工飾品應用發展

刊登日期:2015/10/5
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3D列印又稱為積層製造,所使用的材料從塑膠到金屬擴展了產業的應用範圍,使3D列印不再侷限於模型打樣、翻模鑄造,可直接製作功能性的產品或零組件。金屬3D列印則可應用在汽車、航太、醫療器材、文創珠寶等領域,使3D列印成品的實用性、應用範圍大為增加。本文主要介紹雷射金屬積層製造應用於珠寶產業的發展與金屬3D列印設備發展動向,希望藉此協助業者能對利用此技術成型的金屬飾品有進一步的認識,並利用此技術創造更多高值化產品。
 
金工飾品的3D列印方法
盤點傳統珠寶產業與設計流程, 首先由設計師手繪設計圖稿,再依據定稿之內容進行模具製作,以加工機、研磨加工與手工修飾出開模所需的蠟模,過程中需不斷往返處理及確認品質。接下來再將蠟模翻製出石膏模具,最後再依據所選定的金屬材料熔融倒入石膏模內,完成冷卻降溫收縮過程,再將石膏模移除,取得珠寶飾品的粗胚後,再進行手工後處理,才能得到閃亮精美的珠寶飾品。

參照美國材料試驗協會的
3D列印7種製程方法,歸納出適用於珠寶飾品與金工材料的3D列印方法,可分為間接成型方法:光聚合固化(VP)技術、材料擠製成型(ME)技術;直接成型方法:粉床熔化成型(PBF)技術。 
2. 3D列印直接成型
粉床熔化成型技術:高功率雷射直接熔融金屬粉末,依設計圖檔逐層掃描須成型的區域,3D成品可直接印出,後處理經過拋光研磨及電鍍等,省卻了雕蠟、印蠟再翻鑄的工序,並可做出媲美傳統手工或RP脫蠟鑄造製作的金工飾品,工序可減少27道製程,客製化精品的生產成本與交件時間都將大幅縮減,尤其適合客製化、零庫存的網路行銷。
 
國產化設備與材料
工研院所開發之金屬3D列印設備可印製文創、珠寶等藝品,針對客製化少量多樣的需求,此設備提供10立方公分之建置體積,印製過程透過光纖雷射精細聚焦熔融細緻金屬粉末,再逐層疊加成為立體圖形,成型細緻度最細可達50 μm,緻密度可達99%以上,可應用於結構繁複的金工飾品、金屬模具、醫療器材和零組件(圖二),詳細設備規格如表一所示。


 
圖二、雷射積層製造金工飾品與珠寶成品
 
目前工研院所開發之金屬3D列印設備可使用的金屬材料有輕量高強度的鈦合金、不銹鋼、鋁合金及模具鋼粉末(圖三)。以高緻密的鈦合金為例,其機械拉伸強度可達 950 MPa以上,對於金工飾品與複雜結構件都能滿足製作的需求。在表面光滑度的提升可透過後處理方式進行拋光與鍍金處理,能提升成品質感與創造炫麗光澤。工研院提供客製化材料開發與專用技術之研究與技術移轉,對於貴金屬,如黃金、白金或 18K金之直接成型也可接受業者委託或共同研究,以創產業之再提升與加值。

工研院成果展並展示以金屬積層製造的「蘭花金簪」,此金簪可插在髮際,也能轉變成繫在手腕節節環扣的手環,手環透過鏤空設計創造出別緻質感,且在花蕊設計藏有可散發香味填放精油的空間,與手工打造金飾工藝品相比創造出驚艷的工藝巧思(圖四)……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖四、工研院蘭花金簪
 
作者:林敬智、莊傳勝、黃偉欽、蔡宗汶、吳誌賢、陳安利、林得耀、劉松河/工研院南分院
★本文節錄自「工業材料雜誌」346期,更多資料請見下方附檔。

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