靳磊+刘胜勇+汪欣+张峰+鲍贤勇

摘 要：金属3D打印技术近年来在各工业领域发展迅速。通过研究，实现了316L不锈钢3D打印技术在手表上的应用，涉及模型设计、3D打印工艺的选择、机械加工等，因此，对未来金属3D打印在手表上的应用方向进行了展望。

关键词：金属；316L不锈钢；3D打印；手表

中图分类号：TH16 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.156

3D打印技术是一种通过CAD设计数据，并采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。相比于传统的材料去除（切削加工）技术，它是一种“自下而上”的材料累加制造方法。与其他制造技术相比，3D打印具有显而易见的技术优势，包括允许个性化设计、开发周期短、材料损耗小、机加工成本低，可制造内部网格或空心结构等。目前，3D打印所涉及的材料主要包括高分子材料、陶瓷材料和金属材料等。相比高分子材料和陶瓷材料，金属材料在工业上应用更为广泛，且当前较多的金属3D打印样件的性能已接近锻件水平。因此，金属材料的3D打印被认为是最具有工业应用前景的3D打印技术。

作为一种集合外观设计、生产制造于一体的产品，手表外观件一般采用金属制造。此外，它还有着特殊的要求，包括新颖独特的外观设计、可靠的结构、较高的表面状态要求、优异的耐腐蚀性和严格的镍释放标准等。而金属3D打印的众多优势能在多个方面满足手表外观件的特殊要求，这为金属3D打印在手表行业的应用提供了广泛的想象空间。然而，目前还未见到金属3D打印应用于手表的报道。本文进行了316L不锈钢3D打印手表表壳的研究，并展望了金属3D打印在手表上的应用前景。

1 模型设计

选取手表表壳中具有代表性的方壳和圆壳进行建模，模型图分别如图1中的a和b所示。其中，方壳设计为实心结构。为了考察金属3D打印制作的空心表壳的可行性，将圆壳内部设计为4种结构，即实心圆壳、空心圆壳、内部带Х型网格支撑圆壳（图2中的a）和内部带Ж型网格支撑圆壳（图2中的b）。

考虑到金属3D打印过程中的变形及后续加工余量，所有表壳在非装配部位留有0.2 mm的余量，装配部位留有0.4 mm的余量。在空心表壳中，除部分后续需钻孔的部位外，为了保持表壳足够的强度，单边壁厚设计为0.5 mm。空心圆壳、内部带Х型网格支撑圆壳和内部带Ж型网格支撑圆壳在内圈不易见部分设计有直径1 mm的小孔，以便打印完成后空腔内粉末的排出。

2 3D打印工艺

目前，可用于金属的3D打印工艺包括三维印刷（3DP）、选择性激光烧结（SLS）、电子束熔融（EBM）和选择性激光熔接（SLM）等。其中，3DP和SLS技术在样件的制备过程中，熔化的都是添加的非金属的粘结剂。这些粘结剂虽能将粉粘结起来，形成具有一定形状的模型，然而其本身强度较低，不可以作为手表零件直接使用。此外，打印出来的零件存在很多孔洞，与最终所需的致密零件相比差距比较大。为了获得高强度和高致密度的零件，往往还需要对其进行后续处理（热等静压、烧结等）。因此，在手表上应用3DP和SLS会存在几个方面的问题：①手表部件多为尺寸精度要求较高的零件，但3DP和SLS制作的制件后续处理时收缩比较大，因此，制件的变形、精度、表面质量难以精确控制；②后续处理增加了成本，延长了制造周期，这与引入3D打印的重要初衷之一——节约成本、缩短制造周期相违背，但EBM的激光束功率较高、熔融前后温差大、残余应力高，会使制件在服役过程中存在难以预知的风险。

相比上述3D打印工艺，SLM技术利用高能激光束熔化切片区域内的金属粉末，成型精度高、表面质量好，性能可达到锻件水平，是目前受研究者关注最多的3D打印技术之一。本文中的金属表壳3D打印采用SLM法，所用粉末原料为气雾化的316L不锈钢粉末，粉末形状为近球形。激光粒度测试表明，粉末的d（0.1）、d（0.5）、d（0.9）分别为170，260，410.金属3D打印的工艺参数为激光功率95 W、扫描速度70 mm/s、扫描间距0.06 mm。

3 机械加工

3D打印完成后，需对表壳进行加工，以满足结构、尺寸要求。方壳和圆壳所采用的加工路线分别如图3和图4所示。上述加工完成后，再对表壳研磨、抛光、拉砂、喷砂，以满足手表的外观要求。

4 结论

最终制备的表壳如图5所示。经过检测，各表壳均可满足结构和尺寸设计要求。在外观上，除了抛光的表壳存在细小麻点外，拉砂和喷砂态的表壳都满足外观要求，可作为手表外观件直接使用，实现了金属3D打印技术在手表上的应用。

5 展望

金属3D打印技术在手表上的应用为手表的制造提供了新途径。展望未来，金属3D打印在手表行业可能在以下几个方面具有较大的发展潜力：①个性化手表的制作。3D打印无需模具，使得个性化的手表制作不再需要昂贵的模具和较长的制造周期。②奇异面的加工。3D打印可使传统机加工方式无法实现的奇异面制作变为可能，可以在设计时突破传统机加工方式的局限。③节约样板生产费用。可以快速、低成本地开发样板。④贵金属手表的制作。由于3D打印可以制作空心物品，因此，对于材料成本极高的贵金属手表的制作，3D打印在节约原材料上具有传统减材制造不可比拟的优势。

虽然金属3D打印技术在手表上的应用前景广泛，但目前金属3D打印还在诸多方面存在问题，比如尺寸精度、表面质量、复杂面的后续加工等。这些不仅是3D打印的现实問题，还涉及到外观设计、结构设计、后续加工等一系列系统工程，只有在各环节协同发展、共同进步的情况下，金属3D打印才可能在手表行业实现更为广泛的应用。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕