激光增材制造在珠寶行業的的應用

    在珠寶制造領域，傳統工藝如鑄造和蠟雕雖能打造出精美的飾品，但存在諸多局限，如材料浪費嚴重、生產周期長、復雜設計實現難度大等。隨著消費者對珠寶個性化、多樣化需求的增長，以及制造業對環保、高效的追求，激光增材技術應運而生，為珠寶行業帶來了新的機遇。本文將深入探討激光增材技術在珠寶行業的應用，分析其特點、材料選擇以及后處理方法，以期為珠寶行業的創新發展提供參考。

    一、應用背景

    激光增材技術，尤其是激光粉末床熔融（L-PBF）技術，采用逐層打印的方式來構建物體，具有顯著的優勢。以制造“theOjo”金吊墜為例，L-PBF技術使支撐結構用料僅約30%，部分形狀近乎0%，極大地減少了材料浪費。與傳統方法相比，L-PBF制造銀和不銹鋼珠寶的加工時間從10周縮短至3周，大幅縮短了生產周期。同時，該技術賦予設計師更大的設計自由度，能夠實現傳統技術難以完成的創新復雜設計，滿足消費者日益增長的個性化需求。

    二、珠寶增材制造：粉末冶金

    1.技術原理

    粉末冶金是一種利用粉末狀金屬制造部件的近凈成形技術，常用工藝包括壓制成形與燒結（P&S）、金屬注射成型（MIM）和熱等靜壓＆冷等靜壓（HIP和CIP）。

    2.技術特點：

    （1）減少材料浪費和降低加工成本：制造的戒指等產品具備細晶結構，可提高其耐磨性和強度。

    （2）對粉末特性要求高：需要粉末的粒度分布均勻、球形度好。

    （3）適合大規模生產簡單形狀的珠寶部件：可有效降低成本。

    三、珠寶增材制造：激光粉末床熔融（L-PBF）

    1.技術原理

    L-PBF技術利用高功率激光逐層熔化和融合金屬粉末實現部件構建。

    2.應用難點

    （1）高導熱性和高反射率：金、銀、銅等金屬及其合金具有高導熱性和高反射率特性。采用YAG激光時，Au、Ag、Cu的反射率超90%，大量激光能量被反射，難以被材料有效吸收。

    （2）參數優化：加工Au、Ag、Cu基材料時，需綜合考慮提高激光功率、降低掃描速度、減小層厚度等參數組合。

    3.材料特性

    （1）金材料：采用L-PBF技術制造18K/24K金首飾時，合適的激光功率可降低孔隙率，但因金粉能量吸收不充分無法完全致密化。與傳統鑄造相比，強度、硬度降低，粗糙度增加；但L-PBF在小批量、復雜產品制造上生產周期更短。可嘗試金粉表面改性，以提高其對激光的吸收率，改善致密度。

    （2）銀材料：激光功率350-370W、層厚度30μm、掃描速度400-500mm/s時可獲得相對密度97%的純銀結構。選擇合適的基板材料對銀質珠寶質量影響很大，銀更適合在不銹鋼基板上打印。

    （3）鉑材料：鉑具有高導熱性，難以維持熔池的穩定性，易出現缺陷。在功率300W、掃描速度800mm/s、層厚度30μm時，可制造出密度達99.98%的鉑部件。

    （4）純銅材料：使用1070nm波長紅外激光加工時，部件常出現致密度低、孔隙率高、球化、層間分層和裂紋等缺陷。選擇合適的激光波長，如綠激光或藍激光，有助于改善加工效果。

    四、提高貴金屬L-PBF質量：策略

    1.摻雜

    在金屬材料中添加少量其他元素（摻雜），如在金合金中添加鎵、鍺、硅等，能顯著改變其光學和熱學性能，進而提高激光吸收率。適量的碳納米管（CNTs）摻雜能有效改善銅的加工性能。

    2.粉末特性優化

    （1）粒度分布：較窄且均勻的粒度分布有利于粉末的均勻鋪展和激光能量的均勻吸收。

    （2）球形度：球形度高的粉末流動性好，能在鋪粉過程中更均勻地分布，有利于形成致密的結構。

    3.表面處理

    在金屬粉末或成型部件表面涂覆特殊材料，如具有高激光吸收率的金屬氧化物或碳基材料，能增強對激光的捕獲能力。例如，在銅粉表面鍍鎳，可改變其表面光學特性，提高對激光的吸收效率。

    4.工藝參數優化

    （1）激光功率與掃描速度：合理調整激光功率與掃描速度的匹配關系至關重要。

    （2）掃描間距：決定了相鄰掃描區域的重疊程度，合適的掃描間距能保證各層之間的良好結合，避免出現縫隙或未熔合區域。

    （3）層厚：影響著每一層的堆積量，過大的層厚可能導致內部結合不充分，而過薄則會降低生產效率。

    （4）使用波長較短的激光：有助于提高材料對激光的吸收率。

    五、珠寶制造：后處理

    1.傳統后處理方法

    （1）圓盤式拋光：通過旋轉并利用含磨料的漿料去除工件表面材料，使其光滑。常用磨料有氧化鋁、碳化硅和金剛石等，可獲得高質量表面，適用于對表面質量要求極高的珠寶。

    （2）拖曳式拋光：借助旋轉拖板和磨料漿料對工件表面拋光塑形，以金剛石為磨料。能實現精確表面處理，適用于精細復雜形狀的珠寶。

    （3）離心式拋光：工件和磨料在離心力作用下接觸拋光，采用鋼、塑料和陶瓷等磨料介質。表面處理效果好，適用于多種材料。

    （4）振動拋光：通過振動傳遞能量，使工件、磨料和液體化合物相對運動和摩擦來處理表面，采用鋼、塑料和陶瓷等磨料介質。適合批量處理多種材料，操作較為便捷。

    2.非傳統后處理方法

    （1）激光拋光：利用激光束熔化和重新凝固材料表面實現拋光，無需磨料，能精確控制并聚焦特定區域。尤其適用于處理難以觸及的表面，如具有復雜內部結構的珠寶。

    （2）電解拋光：通過電解控制去除金屬表面一層材料，使用硫酸、磷酸等電解質。可獲得高質量鏡面效果，常用于對耐腐蝕性和光澤度要求高的金屬珠寶。

    （3）電化學拋光：結合機械和電化學磨損去除工件表面材料，使用電解液和磨料的組合，如電解溶液和金剛石。能產生高平整度和光滑度的表面，適用于半導體制造等對表面平整度要求極高的領域，在珠寶制造中也可用于高端產品。

    （4）等離子電解拋光：利用電解作用和等離子放電去除金屬表面材料，使用堿性溶液等電解液。可獲得鏡面拋光，適用于多種金屬合金。

    六、未來展望

    激光增材制造技術在珠寶行業的應用前景廣闊。隨著技術的不斷進步和材料的不斷優化，激光增材制造有望在以下幾個方面取得更大的突破：

    1.提高材料性能：通過摻雜和表面處理等方法，進一步提高貴金屬和有色金屬的激光吸收率，改善材料的致密度和力學性能。

    2.優化工藝參數：利用先進的模擬技術和實驗研究，優化激光功率、掃描速度、掃描間距和層厚等工藝參數，提高生產效率和產品質量。

    3.拓展應用領域：除了傳統的金銀銅鉑等金屬，探索更多新型材料在珠寶制造中的應用，如鈦合金、鎳基合金等，滿足不同消費者的需求。

    4.智能化制造：結合人工智能和機器學習技術，實現激光增材制造過程的智能化控制和質量檢測，提高生產過程的穩定性和可靠性。

    激光加工設備為珠寶行業帶來了新的活力和機遇。通過不斷的技術創新和應用拓展，這一技術有望在珠寶制造領域發揮更大的作用，推動珠寶行業的可持續發展。