激光增材制造在珠宝行业的的应用

    在珠宝制造领域，传统工艺如铸造和蜡雕虽能打造出精美的饰品，但存在诸多局限，如材料浪费严重、生产周期长、复杂设计实现难度大等。随着消费者对珠宝个性化、多样化需求的增长，以及制造业对环保、高效的追求，激光增材技术应运而生，为珠宝行业带来了新的机遇。本文将深入探讨激光增材技术在珠宝行业的应用，分析其特点、材料选择以及后处理方法，以期为珠宝行业的创新发展提供参考。

    一、应用背景

    激光增材技术，尤其是激光粉末床熔融（L-PBF）技术，采用逐层打印的方式来构建物体，具有显著的优势。以制造“theOjo”金吊坠为例，L-PBF技术使支撑结构用料仅约30%，部分形状近乎0%，极大地减少了材料浪费。与传统方法相比，L-PBF制造银和不锈钢珠宝的加工时间从10周缩短至3周，大幅缩短了生产周期。同时，该技术赋予设计师更大的设计自由度，能够实现传统技术难以完成的创新复杂设计，满足消费者日益增长的个性化需求。

    二、珠宝增材制造：粉末冶金

    1.技术原理

    粉末冶金是一种利用粉末状金属制造部件的近净成形技术，常用工艺包括压制成形与烧结（P&S）、金属注射成型（MIM）和热等静压＆冷等静压（HIP和CIP）。

    2.技术特点：

    （1）减少材料浪费和降低加工成本：制造的戒指等产品具备细晶结构，可提高其耐磨性和强度。

    （2）对粉末特性要求高：需要粉末的粒度分布均匀、球形度好。

    （3）适合大规模生产简单形状的珠宝部件：可有效降低成本。

    三、珠宝增材制造：激光粉末床熔融（L-PBF）

    1.技术原理

    L-PBF技术利用高功率激光逐层熔化和融合金属粉末实现部件构建。

    2.应用难点

    （1）高导热性和高反射率：金、银、铜等金属及其合金具有高导热性和高反射率特性。采用YAG激光时，Au、Ag、Cu的反射率超90%，大量激光能量被反射，难以被材料有效吸收。

    （2）参数优化：加工Au、Ag、Cu基材料时，需综合考虑提高激光功率、降低扫描速度、减小层厚度等参数组合。

    3.材料特性

    （1）金材料：采用L-PBF技术制造18K/24K金首饰时，合适的激光功率可降低孔隙率，但因金粉能量吸收不充分无法完全致密化。与传统铸造相比，强度、硬度降低，粗糙度增加；但L-PBF在小批量、复杂产品制造上生产周期更短。可尝试金粉表面改性，以提高其对激光的吸收率，改善致密度。

    （2）银材料：激光功率350-370W、层厚度30µm、扫描速度400-500mm/s时可获得相对密度97%的纯银结构。选择合适的基板材料对银质珠宝质量影响很大，银更适合在不锈钢基板上打印。

    （3）铂材料：铂具有高导热性，难以维持熔池的稳定性，易出现缺陷。在功率300W、扫描速度800mm/s、层厚度30µm时，可制造出密度达99.98%的铂部件。

    （4）纯铜材料：使用1070nm波长红外激光加工时，部件常出现致密度低、孔隙率高、球化、层间分层和裂纹等缺陷。选择合适的激光波长，如绿激光或蓝激光，有助于改善加工效果。

    四、提高贵金属L-PBF质量：策略

    1.掺杂

    在金属材料中添加少量其他元素（掺杂），如在金合金中添加镓、锗、硅等，能显著改变其光学和热学性能，进而提高激光吸收率。适量的碳纳米管（CNTs）掺杂能有效改善铜的加工性能。

    2.粉末特性优化

    （1）粒度分布：较窄且均匀的粒度分布有利于粉末的均匀铺展和激光能量的均匀吸收。

    （2）球形度：球形度高的粉末流动性好，能在铺粉过程中更均匀地分布，有利于形成致密的结构。

    3.表面处理

    在金属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属氧化物或碳基材料，能增强对激光的捕获能力。例如，在铜粉表面镀镍，可改变其表面光学特性，提高对激光的吸收效率。

    4.工艺参数优化

    （1）激光功率与扫描速度：合理调整激光功率与扫描速度的匹配关系至关重要。

    （2）扫描间距：决定了相邻扫描区域的重叠程度，合适的扫描间距能保证各层之间的良好结合，避免出现缝隙或未熔合区域。

    （3）层厚：影响着每一层的堆积量，过大的层厚可能导致内部结合不充分，而过薄则会降低生产效率。

    （4）使用波长较短的激光：有助于提高材料对激光的吸收率。

    五、珠宝制造：后处理

    1.传统后处理方法

    （1）圆盘式抛光：通过旋转并利用含磨料的浆料去除工件表面材料，使其光滑。常用磨料有氧化铝、碳化硅和金刚石等，可获得高质量表面，适用于对表面质量要求极高的珠宝。

    （2）拖曳式抛光：借助旋转拖板和磨料浆料对工件表面抛光塑形，以金刚石为磨料。能实现精确表面处理，适用于精细复杂形状的珠宝。

    （3）离心式抛光：工件和磨料在离心力作用下接触抛光，采用钢、塑料和陶瓷等磨料介质。表面处理效果好，适用于多种材料。

    （4）振动抛光：通过振动传递能量，使工件、磨料和液体化合物相对运动和摩擦来处理表面，采用钢、塑料和陶瓷等磨料介质。适合批量处理多种材料，操作较为便捷。

    2.非传统后处理方法

    （1）激光抛光：利用激光束熔化和重新凝固材料表面实现抛光，无需磨料，能精确控制并聚焦特定区域。尤其适用于处理难以触及的表面，如具有复杂内部结构的珠宝。

    （2）电解抛光：通过电解控制去除金属表面一层材料，使用硫酸、磷酸等电解质。可获得高质量镜面效果，常用于对耐腐蚀性和光泽度要求高的金属珠宝。

    （3）电化学抛光：结合机械和电化学磨损去除工件表面材料，使用电解液和磨料的组合，如电解溶液和金刚石。能产生高平整度和光滑度的表面，适用于半导体制造等对表面平整度要求极高的领域，在珠宝制造中也可用于高端产品。

    （4）等离子电解抛光：利用电解作用和等离子放电去除金属表面材料，使用碱性溶液等电解液。可获得镜面抛光，适用于多种金属合金。

    六、未来展望

    激光增材制造技术在珠宝行业的应用前景广阔。随着技术的不断进步和材料的不断优化，激光增材制造有望在以下几个方面取得更大的突破：

    1.提高材料性能：通过掺杂和表面处理等方法，进一步提高贵金属和有色金属的激光吸收率，改善材料的致密度和力学性能。

    2.优化工艺参数：利用先进的模拟技术和实验研究，优化激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等工艺参数，提高生产效率和产品质量。

    3.拓展应用领域：除了传统的金银铜铂等金属，探索更多新型材料在珠宝制造中的应用，如钛合金、镍基合金等，满足不同消费者的需求。

    4.智能化制造：结合人工智能和机器学习技术，实现激光增材制造过程的智能化控制和质量检测，提高生产过程的稳定性和可靠性。

    激光加工设备为珠宝行业带来了新的活力和机遇。通过不断的技术创新和应用拓展，这一技术有望在珠宝制造领域发挥更大的作用，推动珠宝行业的可持续发展。