3d列印帶來的產業變革 珠寶飾品製程全面升級 · 3 /7...
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2016.01.20
3D列印帶來的產業變革珠寶飾品製程全面升級
3D列印技術(3D printing)為一種快速成型的製造科技,《經濟學人》雜誌視其為
帶動第三次工業革命的重要關鍵,美國總統歐巴馬更期待藉此重拾美國高端製造業風
光。隨著列印技術專利到期及研發技術的加速發展,價格也跟著大幅下降,因應各種
需求而生的列印機台陸續問世,3D列印技術在全球已蔚為風潮。
資料整理:朱品潔
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微型創業的最新利器
日新月異的技術為製造業帶來革命性影響,未來生產方式將由傳統集中式加工轉變為
數位建模製造,再經由數位網路發展出分散式數位製造,此亦為「工業4.0」核心概念之
一。除了將革新各種產品供應鏈,3D列印低成本、高彈性、客製化的特性,更帶動個人化
與微型創業的發展。可預見未來將是個人製造業時代,人人都可以是自行製造、少量生產
的自造者(Maker)。
而對於一向仰賴精緻手工藝的珠寶飾品產業而言,3D列印技術顛覆了既有思維,最
大的優勢在於設計師的創意將不再被侷限,過去手工雕蠟以及CNC切割無法做到的精巧細
部,3D列印皆能實現。
在傳統製程中,設計師需將概念及構想以手稿或電腦繪圖方式表現,再經由技術純熟
的金工師傅以手工雕蠟製版(此部份為製程中最重要也最耗時的步驟),待完成後進行精密鑄
造(Lost Wax Casting/脫蠟鑄造),最後研磨拋光及鑲嵌寶石後完成成品,如需進入量產製
程則需再壓製膠模。此一過程往往單在手工製版過程就需耗時數天至數週,甚至完成後如
要再調整則又需重新製版,一來一往之間,在人力與時間成本花費上非常可觀。
而在數位化技術導入後,將改由電腦輔助設計(Computer Aided Design,CAD)軟體
設計,再以100微米(0.1mm)的解析度分割成逐層截面設計圖,然後透過3D列印機,將成
型材料以雷射或熱熔融沈積(Fused Deposition Modeling,FDM)等技術加工成型,或以
光固化樹脂完成光固化成型(Stereo lithography Appearance;SL 或 SLA),除了可較傳統
製程省下大把時間與成本,也更易於修改,能精確估算用料成本,適合小量多樣化的客製
化商品,亦可解決業界人才短缺窘境。
而比較FDM與SLA成型方式,其中FDM製程簡單成本低,但較難精確掌控成型效果與
出料形態;SLA表面光滑品質較好、精度佳,適用於複雜結構與精密造型,但輔助結構需
較多。以下並將針對市面上適用於珠寶配件打樣之3D列印機台與素材概略介紹。
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負擔得起的3D貴金屬列印
Mini Metal Maker是世界上第一台小型貴金屬黏土3D列印機,2015年於美國
Indiegogo進行募資,入門款價格約1500美元,其列印技術類似FDM成型,最大差異性在
於使用創新特製金屬黏土(Metal clay,如PMC高分子複合材料) ,可利用青銅、紅銅、黃
銅、金、銀、不鏽鋼、鐵、錫混合物作為列印材料。
經由特殊擠壓技術列印成型後外觀近似陶土可進行修補、雕刻等加工動作,待風乾後
於高溫600-900˚C中進行窯燒,分離的金屬粒子會熔合成固體金屬。對於從事金屬飾品開
發的設計師及品牌商而言是一個全新的選擇,未來廠商更期許能朝列印精度縮小至近200
微米為目標。(進一步資訊可觀看介紹影片: https://youtu.be/IRYNP1-Y4No)
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1. 世界上第一台小型貴金屬黏土3D列印機。
2. 創新特製金屬黏土以金屬混合物作為列印材料。
3. Mini Metal Maker成型作品。
--- 圖取自Mini Metal Maker官網 www.minimetalmaker.com ---
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動件一體成型雷射精準調控
由工研院發表的台灣第一台自製雷射金屬3D列印機,共有AM100和AM250兩種規
格。珠寶金工產業適用於AM100機型,其可製作10及25立方公分體積工件,設備以雷射
產生足夠熔融金屬粉末的能量,透過重複執行的粉體鋪層和雷射燒熔過程讓創意成型,成
品精細度可達50微毫米(um),相當於頭髮的半徑,緻密度超過99%,光是一枚直徑2.5公
分的戒指平均要約1,000層的金屬積層,金屬積層愈多細緻度愈高。
金屬3D列印應用於珠寶設計的優勢,首先是動件一體成型(一次列印出球中球立體設
計),其次為表面微細結構的呈現,如粗化質感(過去必須另行噴砂處理),再者更易於金屬
與其他異材質的結合。且金或銀的加工成分比例從0%到100%都能精準調整,在列印過程
中未使用的金屬粉末也幾乎都可回收,降低材料耗損率及直接成本。
因貴金屬材料成本昂貴,目前提供的材料以不鏽鋼粉體、鈦合金粉體、鋁合金粉體、
麻時效鋼粉體、模具鋼粉體、多元合金粉體和碳化鎢/結合金屬粉體為主,以降低業者的
進入門檻。(進一步資訊可觀看介紹影片: https://youtu.be/hHe1yfd0beY)
1. 金屬3D列印機可一次到位呈現表面微細結構,且讓異質材料更容易結合,突破傳統技法的限制。創新特製金屬黏土以金屬混合物作為列印材料。
2. 工研院自製雷射金屬3D列印機動件一體成型作品。
--- 圖取自工研院《工業技術與資訊》月刊284期---
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加速製程直接輸出蠟製模型
由美國3Dsystems公司生產的ProJet 3510 CPX噴蠟3D列印機,使用快速原型技術以
堆疊方式製成實體模型。
該機型能同時列印兩種材質,一種為模型主體的鑄造用蠟,融點較高約80˚C,懸空部
分則以支撐材填補,熔點較低,約45˚C。整顆噴頭是由為數眾多的噴孔排列而成,噴頭滑
過時將液態的蠟均勻噴灑並瞬間冷卻定型,主體蠟材與支撐材能同時列印完成。最後完成
的全蠟模型,透過45 ˚C的溶劑,便能夠輕鬆地將低溫的支撐材清除,留下來的主體蠟材則
擁有光滑精細的表面。
全蠟模型可直接進行脫蠟精密製作程序,每英寸零件尺寸的精度可達0.025-0.05毫
米,不需再次開模翻製,成型迅速且精度高,是一種有效率的生產方式。
1. ProJet 3510 CPX噴蠟3D列印機。
2. 列印出來的成品,藍色的部分為主要蠟材,白色的部分則為支撐材料,融點較低,可透過溫度控制將支撐材融掉。
--- 圖取自3Dsystems官網 ---
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專屬金工設計的3D列印
光固化成型分SLA及DLP技術,兩種技術的材料皆為液態樹酯,藉由光照進行材料固
化,精準度非常高,成品表面的光滑度及細緻度相當符合金工類藝品需求。SLA及DLP技術
差異在於:SLA為雷射光束單點照光,DLP則利用投影原理整面式照光,相較之下DLP成型
速度較快。
台灣創新研發團隊柏樂科研公司,打造出專屬金工設計的3D列印設備與材料,以光固
化DLP技術協助產品製造,其數位模型的建立可分為逆向掃描以及電腦繪圖建模兩種方
式,設計師可使用本身熟悉的建模軟體設計飾品,精密度每層可達0.02mm,不但成品成
型速度快、表面細緻度高,獨家研發之光敏材料具高生物相容性,使得列印完成的配飾能
依其用途直接配戴,免去脫蠟鑄造的時間與失敗風險,有效提升產品開發的速度與品質。
▲台灣柏樂科研公司成型珠寶飾品。 ( 圖片 : 柏樂科研公司)
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【商業應用模式】珠寶品牌Brilliance
3D列印技術導入珠寶飾品產業不只在技術端,也可以變成一種嶄新的商業模式。線上
珠寶品牌Brilliance認為3D列印技術將改變人們的消費型態,目前該品牌也提供對其產品有
興趣的客戶在確認訂作昂貴的實品珠寶前,先訂製塑料試製作品,讓擁有3D印表機的客戶
能自行下載檔案並自己製作模型,確認試戴戒圍大小、參考鑽石切割形狀及克拉尺寸。至
於沒有印表機的客戶也不用擔心,Brilliance可以將模型列印出來寄送給您。(進一步資訊可
觀看FOX新聞: http://video.foxbusiness.com/v/3619361141001/3-d-print-your-own-
engagement-ring/?#sp=show-clips)
▲客戶可自行選取要的尺寸及寶石切割形狀、大小。(圖片取自官網Brilliance.com)
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參考資料
� 劉美惠,〈3D列印讓你我都是創新實踐者〉,《TRADE MAGAZINE》No.270 (12月
號,2013):36-39。
� DIGITIMES企劃〈五大技術各有所長 3D列印後勢看漲〉,摘錄於 07 July 2014。
� DIGITIMES企劃〈引領製造浪潮 3D列印推動產業數位化〉,摘錄於 01 June 2015。