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金属3D打印材料之贵金属材料

发表时间:2017-05-11 17:38

今天为你带来的是贵金属材料在3D打印技术中的应用。

3D打印技术在首饰制造中的应用主要有两种方式,一种是3D打印出首饰的蜡模,然后采用失蜡法铸造出金属首饰;另一种方式是通过SLM选择性激光熔化3D打印设备直接打印贵金属。今天分享的是两种常见的贵金属材料:金和银。


银(Ag)是从自然银和其他银矿物中提取的一种白色金属,是一种历史悠久的贵金属,至今已有4000多年历史。由于银独有的优良特性,人们曾赋予它货币和装饰双重价值,我国解放前用的银圆,就是以银为主的银、铜合金。银具有白色光泽,不易氧化,反射率可达到91%,具有良好的导电性、抗腐蚀性和反光性能。在管乐器上镀银,不仅使其外观洁白,而且音色更美;在餐具上镀银,银离子可杀灭水中的某些生物,具有防毒功能。


镀银餐具


金(Au)是最软的贵金属之一,具有非常优良的导电性,不易腐蚀生锈,抗酸性强。镀金层外观为金黄色,具有很高的化学稳定性。装饰性镀金是镀金的一种主要用途,全世界的黄金每年有大部分用在了黄金珠宝奢侈品的消费上。在银层上镀金可以防止银的变色;金合金镀层可呈现多种色调,故常用作装饰性镀层,如镀首饰、钟表零件、艺术品等。随着现代电子工业的发展,电子产品的功能性镀金已经成为镀金技术的重要应用领域,尤其是在高科技领域,作为电子可靠性保证的镀金层有着重要的应用价值。


 镀金饰品


3D打印的镀银和镀金产品在时尚界的影响力越来越大,珠宝设计师可以将3D打印技术作为一种强大的制作工具。图为英国设计师Ross Lovergrove利用3D打印技术和18K黄金制成的叶形戒指,叶形复杂的表面细节来自于熔蜡铸造技术。


Ross Lovegrove设计的3D打印镀金首饰


不管是镀银还是镀金,这两种材料都广泛应用于饰品、精细化工、航空航天等领域。在制造饰品方面,个性化是客户追求的方向,而3D打印可完全满足客户的需求;在精细化工方面,3D打印可以使细小精致的产品快速成型。不过因为目前的技术限制,贵金属直接3D打印还尚未推广,比较常见的制造工艺是熔蜡铸造技术。在珠宝首饰行业,失蜡法铸造是最常用的方法。


所谓熔蜡铸造技术,就是使用蜡质材料由高精度的3D打印机打印出来。然后,把蜡质模型放入一个容器,在容器中倒入液体石膏充满并覆盖住蜡模。当石膏凝固后,取出模型并放入熔炉将蜡材料熔化,剩下的石膏部分就变成了倒模。再将熔融的饰品金属倒入石膏倒模,待金属凝固,最后将石膏部分敲碎去除。

尽管是传统首饰的制造过程,创新性造型则来源于第一步。这种方式相比于传统的开模方式已经大大丰富了首饰的设计,缩短了首饰制造的流程,提高了首饰制造的效率。这是传统用蜡手工雕刻所不能想象的。


蜡模(左)及其最终金属成品(右)(图片来源:南极熊)


SLM技术(选择性激光熔化)常用于钛、铝或不锈钢材料的打印,黄金或银合金很难利用激光熔融直接制造,因为它们具有高反射率和导热性。由于其较高的技术门槛,贵金属直接3D打印还存在以下至少三个问题。


  • 表面精度和光滑度。3D打印出来的珠宝首饰成品,其表面精度和光滑度难以与传统失蜡铸造的首饰相比,需要大量的后处理工序。

  • 贵金属粉末成本高昂。能够用来3D打印的贵金属粉末,纯度、颗粒度要求非常高,因此成本较高。

  • 贵金属具有较高的反射率和导电性。将贵金属与其它金属或粘合剂混合或许能够解决这个问题。


尽管面临着诸多难题,人类对贵金属3D打印的探索已经有了不小的进步。

2014年,EOS公司推出全球第一款可直接3D打印贵金属的设备,用来3D打印珠宝首饰以及高档手表。


2016年3月,英国Cooksongold公司开发了世界首款铂金粉末。公司与白金协会(PGI)合作,打造出了世界首批3D打印的铂金首饰。前者的作品是根据中国古代花瓶设计的手镯,后者的作品则是以骨骼结构为灵感的镂空袖口。


2017年3月,德国贵金属与金属化学FEM研究所宣布研究出了一种新方法,可以显著提高通过选择性激光熔融(SLM)技术3D打印黄金的质量。研究者将金与铁和锗混合,因为这两种合金中的铁和锗都被氧化了,可以降低合金的反光率。FEM的研究成果不失为一种可行的解决方案。