基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的藝術(shù)瓷成形方法研究

劉文廣，史玉升，劉 凱，馮景華，徐 珈

（1. 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 華中科技大學(xué)材料成形及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的藝術(shù)瓷成形方法研究

劉文廣1,2，史玉升2，劉 凱2，馮景華1，徐 珈1

（1. 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 華中科技大學(xué)材料成形及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

現(xiàn)代藝術(shù)瓷設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用到了計(jì)算機(jī)輔助手段，但藝術(shù)瓷的成形卻主要還是使用傳統(tǒng)方法，這已經(jīng)顯然已不能適應(yīng)生產(chǎn)的需求。為了能夠準(zhǔn)確地制造出所設(shè)計(jì)的藝術(shù)瓷器型，提出了應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)來(lái)成形的工藝方法。研究了采用混合法制備高白土和環(huán)氧樹(shù)脂E-06的混合粉末，然后對(duì)混合粉末進(jìn)行SLS，再經(jīng)過(guò)后處理(冷等靜壓、施釉、高溫?zé)Y(jié)等)，最終獲得通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助手段設(shè)計(jì)完成的藝術(shù)瓷制品的工藝過(guò)程。研究表明，采用SLS成形藝術(shù)瓷的方法是可行的，不僅為使用現(xiàn)代方法設(shè)計(jì)的藝術(shù)瓷在成形方面提供了一種新的工藝，也拓展了SLS技術(shù)的應(yīng)用范圍。

選擇性激光燒結(jié)；快速成形；藝術(shù)瓷

0 引 言

現(xiàn)代藝術(shù)瓷設(shè)計(jì)多采用計(jì)算機(jī)輔助軟件來(lái)完成，設(shè)計(jì)師也從中感受到極大的便利。但是，這些設(shè)計(jì)好的藝術(shù)瓷最終依然是采用傳統(tǒng)手段來(lái)制造，極少應(yīng)用現(xiàn)代加工技術(shù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方法的脫節(jié)造成了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)往往很難被準(zhǔn)確的制造出來(lái)，甚至有的設(shè)計(jì)無(wú)法制造，這也成了制約設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。而快速成形(Rapid Prototyping, 以下簡(jiǎn)稱RP)技術(shù)可能是改變這一現(xiàn)狀的有效手段。RP技術(shù)是基于離散/堆積成形原理的先進(jìn)制造技術(shù),可依照計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建的三維模型, 快速的自動(dòng)制造出實(shí)體原型。RP技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成了幾十種工藝,選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)就是其中一種。SLS的加工過(guò)程是采用鋪粉輥將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至低于該粉末燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，進(jìn)行燒結(jié)，并與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。當(dāng)一層截面燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實(shí)的粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個(gè)模型[1]。SLS的成形原理示意圖如圖1所示[2]。

目前已有學(xué)者[3-6]做了一些陶瓷材料的SLS成形過(guò)程的研究和探討，但是這些研究都集中在 Al2O3等功能陶瓷上，與傳統(tǒng)藝術(shù)瓷的材料及性能還是有著較大的差別。為了解決應(yīng)用SLS成形傳統(tǒng)陶瓷材料的藝術(shù)瓷方法問(wèn)題，本研究就常用陶瓷材料高白土展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)。制備了高白土和環(huán)氧樹(shù)脂的混合粉末材料，采用三維軟件設(shè)計(jì)藝術(shù)瓷，再使用SLS設(shè)備成形，之后，結(jié)合冷等靜壓(cold isostatic pressing, CIP)、施釉、高溫?zé)频群筇幚砉に?，最終制造出藝術(shù)瓷。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)工藝流程

圖2是應(yīng)用SLS技術(shù)來(lái)成形藝術(shù)瓷的工藝流程。本實(shí)驗(yàn)中所制造的藝術(shù)瓷就是按照這種工藝來(lái)完成的。

圖1 SLS成形原理示意圖Fig.1 Schematic of the SLS process

圖2 SLS成 形藝術(shù)瓷工藝流程圖Fig.2 Manufacture of artistic porcelain using SLS

1.2 材料及SLS成形設(shè)備

為了獲得與傳統(tǒng)陶瓷一致的性能，主體材料選擇傳統(tǒng)陶瓷的材料。實(shí)驗(yàn)使用的是高白土，質(zhì)量含量占整體材料總量的90%。高白土中鋁和硅的含量高，泥色度白，粘性好，其主要成分為 Al2O318%、 SiO262%，圖3是本研究所用高白土粉末的掃描電鏡(SEM)圖片。材料中另外加入10%的環(huán)氧樹(shù)脂E-06粉末，采用球磨機(jī)混粉2 h，待其混合均勻后即可獲得所需的混合粉末材料。

實(shí)驗(yàn)所用成形設(shè)備為華中科技大學(xué)快速制造中心研制的HRPS-ⅢA型SLS機(jī)，它的成形工作腔為500 mm×500 mm×400 mm, 激光波長(zhǎng)為10.6 μm，光斑為0.2 mm。

1.3 數(shù)字建模

按照現(xiàn)代藝術(shù)瓷的設(shè)計(jì)模式，采用三維軟件Pro/ENGINEER通過(guò)曲面造型建立一個(gè)鴨子的模型，并按照SLS的要求，將模型按缺省格式和偏差數(shù)值保存為STL文件格式。

圖3 高白土粉末掃描電鏡圖Fig.3 SEM micrograph of high white clay powder

圖4 HRPS-ⅢA型SLS機(jī)Fig.4 HRPS-ⅢA machine

1.4 SLS

將建立好的模型文件輸入SLS機(jī)中，然后選取合適的工藝參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)。選取的工藝參數(shù)為：激光功率為11 W，掃描速度1600 mm/s，掃描間距0.1 mm，單層厚度為0.20 mm。藝術(shù)瓷在SLS設(shè)備中的成形過(guò)程加工程序界面如圖5。

1.5 后處理

SLS之后的制件先進(jìn)行CIP：將制件浸入配置好的橡膠膠乳體系，在零件表面形成一層彈性薄膜，接著放入真空烘干箱，促使橡膠完全固化，反復(fù)多次，直到其隨形包套厚度達(dá)到要求。隨形包套完成后，再進(jìn)行壓力保壓。CIP完成后施釉，采用吹釉的方式將制件整體施高溫黃釉，注意吹釉過(guò)程要均勻，并在嘴部和眼部分別涂紅釉和黑釉(底部不上釉)，陰干。最后，將施釉完成之后的制件用硼板托著放入氣窯，溫度設(shè)定1290 ℃，燒制12 h，然后隨爐冷卻。

2 結(jié)果及分析

2.1 數(shù)字建模

建立三維數(shù)字模型有兩種方式，最直接的就是在三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到所需模型。另一種是先用三維掃描設(shè)備獲取初步的模型數(shù)據(jù)，然后輸入到三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的模型處理，最終獲得所需模型，這種方式的好處在于設(shè)計(jì)不是從零開(kāi)始，可以減少大量的模型設(shè)計(jì)工作量。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)采用的三維設(shè)計(jì)軟件非常多，常用的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件如Rhinoceros、3ds max、Maya、Cinema 4D、Pro/ENGINEER、Catia、UG等，只是各自的側(cè)重有所不同而已。由于加工原理所致，SLS設(shè)備只能加工STL格式的模型數(shù)據(jù)，所以，無(wú)論采用這些軟件中的哪種軟件來(lái)建模，完成之后，一定要模型保存為STL格式的文件，才能被SLS設(shè)備加工。

圖6是采用最終建立好的數(shù)字模型。

圖5 SLS加工程序界面Fig.5 Interface of SLS processing software

圖6 制件三維數(shù)字模型Fig.6 3D model of workpiece

2.2 SLS

SLS過(guò)程中鋪粉輥對(duì)粉末有壓力非常小，成形后的坯體密度較低。為了保證成形之后的其它過(guò)程能正常進(jìn)行，需要選擇合適的成形工藝參數(shù)來(lái)燒結(jié)[7]?？紤]到主體材料高白土的粒徑，掃描層厚不能太小，過(guò)小會(huì)使成形時(shí)層間移動(dòng)明顯。在前期的工作基礎(chǔ)上選取了0.2 mm的層厚。

激光能量密度直接影響著SLS試樣的成形效果，激光功率、掃描速度和掃描間距是影響激光能量密度的重要因素[8]。根據(jù)前期研究，選取激光功率11 W，掃描速度1600 mm/s,掃描間距100 μm作為SLS激光加工參數(shù)，在這些參數(shù)下進(jìn)行SLS，成形件相對(duì)密度和強(qiáng)度最佳。

圖7 SLS后的制件Fig.7 Workpiece after SLS

圖7是采用這些參數(shù)進(jìn)行SLS后得到的制件。

圖8 制件最終成品Fig.8 The fnal produc

2.3 后處理

經(jīng)過(guò)SLS后的制件雖然已經(jīng)成形，但成形是依靠黏結(jié)劑環(huán)氧樹(shù)脂的作用，其內(nèi)部的主體材料高嶺土基本上沒(méi)有發(fā)生化學(xué)方面的變化，整體仍然處于一種非常松散的狀態(tài),更沒(méi)有達(dá)到成瓷的效果，所以還需要通過(guò)后處理過(guò)程來(lái)最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。后處理的過(guò)程包括起結(jié)構(gòu)致密化作用的冷等靜壓、美觀藝術(shù)瓷表面的施釉、實(shí)現(xiàn)成瓷的高溫?zé)傻葞讉€(gè)步驟。

CIP過(guò)程能提高成形件的致密度，可以防止高溫成瓷過(guò)程中由于黏結(jié)劑的高溫氧化而導(dǎo)致的松散塌陷情況。

施釉和高溫?zé)婆c傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)對(duì)應(yīng)過(guò)程一致。一方面是通過(guò)高溫?zé)苼?lái)使SLS成形的制件成瓷，另一方面也是為了完善藝術(shù)瓷的表面。吹釉法在制件器身施黃釉，通過(guò)高溫在氣窯中一次燒造成瓷。在高溫成瓷過(guò)程中，釉經(jīng)過(guò)焙燒，緊緊地附著在瓷胎表面，既提高了制件的致密度和強(qiáng)度，又使得制件變得美觀，光澤柔和，更符合使用要求。最終完成的制件如圖8所示。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及分析，本研究可以得到以下結(jié)論：采用SLS來(lái)成形藝術(shù)瓷這種工藝從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是完全可行的。它從設(shè)計(jì)到成形都較好的將數(shù)字化和自動(dòng)化過(guò)程引入了傳統(tǒng)行業(yè)；所得成品能較準(zhǔn)確地反應(yīng)制件的數(shù)字化設(shè)計(jì)原貌，并且成形速度快，不需要石膏模等模具的工藝支撐；工藝的成形過(guò)程不僅應(yīng)用到了SLS，還應(yīng)用到了CIP，成形過(guò)程相對(duì)麻煩，從而使工藝的應(yīng)用上有所局限。同時(shí)，不能直接成形出成品，必須采用與傳統(tǒng)工藝一樣的后處理階段才能最終完成制造過(guò)程，這些都需要在將來(lái)的研究中去加以解決。

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Selective Laser Sintering for Artistic Porcelain

LIU Wenguang1,2, SHI Yusheng2, LIU Kai2, FENG Jinghua1, XU Jia1
(1. Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China; 2. State Key Laboratory of Materials Processing and Die and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China)

Computer-aided technology is widely used in the design of modern artistic porcelain, but artistic porcelain is still manufactured by traditional means, which cannot meet modern requirements. This paper puts forward the technique of selective laser sintering (SLS) for precisely manufacturing the designed artistic porcelain forms. First, the powdered mixture of high white clay and E-06 epoxy is prepared, then fused by SLS into a solid form, which is fnally post-processed (cold isostatic pressing, glazing, high temperature sintering, etc.) into an artistic porcelain piece designed by computer-aided means. The study shows that it is feasible to use SLS to shape artistic porcelain, which provides a new manufacturing process to produce traditional porcelain designed by modern methods, thus the application range of SLS technology is expanded.

selective laser sintering; rapid manufacture; artistic porcelain

date: 2014-02-28. Revised date: 2014-03-15.

TQ174.74

A

1000-2278(2014)04-0425-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.04.016

2014-02-28。

2014-03-15。

江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ13644)。

史玉升(1962-)，男，博士，教授。

Correspondent author:SHI Yusheng(1962-), male, Ph. D., Professor.

E-mail:shiyusheng@263.net