基于選擇性激光燒結技術的藝術瓷成形方法研究

劉文廣，史玉升，劉 凱，馮景華，徐 珈

（1. 景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403；2. 華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

基于選擇性激光燒結技術的藝術瓷成形方法研究

劉文廣1,2，史玉升2，劉 凱2，馮景華1，徐 珈1

（1. 景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403；2. 華中科技大學材料成形及模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

現代藝術瓷設計中大量運用到了計算機輔助手段，但藝術瓷的成形卻主要還是使用傳統方法，這已經顯然已不能適應生產的需求。為了能夠準確地制造出所設計的藝術瓷器型，提出了應用選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)來成形的工藝方法。研究了采用混合法制備高白土和環氧樹脂E-06的混合粉末，然后對混合粉末進行SLS，再經過后處理(冷等靜壓、施釉、高溫燒結等)，最終獲得通過計算機輔助手段設計完成的藝術瓷制品的工藝過程。研究表明，采用SLS成形藝術瓷的方法是可行的，不僅為使用現代方法設計的藝術瓷在成形方面提供了一種新的工藝，也拓展了SLS技術的應用范圍。

選擇性激光燒結；快速成形；藝術瓷

0 引 言

現代藝術瓷設計多采用計算機輔助軟件來完成，設計師也從中感受到極大的便利。但是，這些設計好的藝術瓷最終依然是采用傳統手段來制造，極少應用現代加工技術。產品設計和制造方法的脫節造成了設計師的設計往往很難被準確的制造出來，甚至有的設計無法制造，這也成了制約設計師設計的一個重要方面。而快速成形(Rapid Prototyping, 以下簡稱RP)技術可能是改變這一現狀的有效手段。RP技術是基于離散/堆積成形原理的先進制造技術,可依照計算機輔助設計軟件構建的三維模型, 快速的自動制造出實體原型。RP技術發展至今，已經形成了幾十種工藝,選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，SLS)就是其中一種。SLS的加工過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點的某一溫度，控制系統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，進行燒結，并與下面已成型的部分實現粘結。當一層截面燒結完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結，直至完成整個模型[1]。SLS的成形原理示意圖如圖1所示[2]。

目前已有學者[3-6]做了一些陶瓷材料的SLS成形過程的研究和探討，但是這些研究都集中在 Al2O3等功能陶瓷上，與傳統藝術瓷的材料及性能還是有著較大的差別。為了解決應用SLS成形傳統陶瓷材料的藝術瓷方法問題，本研究就常用陶瓷材料高白土展開了實驗。制備了高白土和環氧樹脂的混合粉末材料，采用三維軟件設計藝術瓷，再使用SLS設備成形，之后，結合冷等靜壓(cold isostatic pressing, CIP)、施釉、高溫燒制等后處理工藝，最終制造出藝術瓷。

1 實 驗

1.1 實驗工藝流程

圖2是應用SLS技術來成形藝術瓷的工藝流程。本實驗中所制造的藝術瓷就是按照這種工藝來完成的。

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

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

1.2 材料及SLS成形設備

為了獲得與傳統陶瓷一致的性能，主體材料選擇傳統陶瓷的材料。實驗使用的是高白土，質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%的環氧樹脂E-06粉末，采用球磨機混粉2 h，待其混合均勻后即可獲得所需的混合粉末材料。

實驗所用成形設備為華中科技大學快速制造中心研制的HRPS-ⅢA型SLS機，它的成形工作腔為500 mm×500 mm×400 mm, 激光波長為10.6 μm，光斑為0.2 mm。

1.3 數字建模

按照現代藝術瓷的設計模式，采用三維軟件Pro/ENGINEER通過曲面造型建立一個鴨子的模型，并按照SLS的要求，將模型按缺省格式和偏差數值保存為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Fig.4 HRPS-ⅢA machine

1.4 SLS

將建立好的模型文件輸入SLS機中，然后選取合適的工藝參數進行燒結。選取的工藝參數為：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。藝術瓷在SLS設備中的成形過程加工程序界面如圖5。

1.5 后處理

SLS之后的制件先進行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，反復多次，直到其隨形包套厚度達到要求。隨形包套完成后，再進行壓力保壓。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，溫度設定1290 ℃，燒制12 h，然后隨爐冷卻。

2 結果及分析

2.1 數字建模

建立三維數字模型有兩種方式，最直接的就是在三維設計軟件中進行設計，得到所需模型。另一種是先用三維掃描設備獲取初步的模型數據，然后輸入到三維設計軟件中進行進一步的模型處理，最終獲得所需模型，這種方式的好處在于設計不是從零開始，可以減少大量的模型設計工作量。

現代設計采用的三維設計軟件非常多，常用的工業設計軟件如Rhinoceros、3ds max、Maya、Cinema 4D、Pro/ENGINEER、Catia、UG等，只是各自的側重有所不同而已。由于加工原理所致，SLS設備只能加工STL格式的模型數據，所以，無論采用這些軟件中的哪種軟件來建模，完成之后，一定要模型保存為STL格式的文件，才能被SLS設備加工。

圖6是采用最終建立好的數字模型。

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

圖6 制件三維數字模型Fig.6 3D model of workpiece

2.2 SLS

SLS過程中鋪粉輥對粉末有壓力非常小，成形后的坯體密度較低。為了保證成形之后的其它過程能正常進行，需要選擇合適的成形工藝參數來燒結[7]。考慮到主體材料高白土的粒徑，掃描層厚不能太小，過小會使成形時層間移動明顯。在前期的工作基礎上選取了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，在這些參數下進行SLS，成形件相對密度和強度最佳。

圖7 SLS后的制件Fig.7 Workpiece after SLS

圖7是采用這些參數進行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

經過SLS后的制件雖然已經成形，但成形是依靠黏結劑環氧樹脂的作用，其內部的主體材料高嶺土基本上沒有發生化學方面的變化，整體仍然處于一種非常松散的狀態,更沒有達到成瓷的效果，所以還需要通過后處理過程來最終實現設計意圖。后處理的過程包括起結構致密化作用的冷等靜壓、美觀藝術瓷表面的施釉、實現成瓷的高溫燒成等幾個步驟。

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

施釉和高溫燒制與傳統的陶瓷生產對應過程一致。一方面是通過高溫燒制來使SLS成形的制件成瓷，另一方面也是為了完善藝術瓷的表面。吹釉法在制件器身施黃釉，通過高溫在氣窯中一次燒造成瓷。在高溫成瓷過程中，釉經過焙燒，緊緊地附著在瓷胎表面，既提高了制件的致密度和強度，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 論

通過實驗及分析，本研究可以得到以下結論：采用SLS來成形藝術瓷這種工藝從技術上來說是完全可行的。它從設計到成形都較好的將數字化和自動化過程引入了傳統行業；所得成品能較準確地反應制件的數字化設計原貌，并且成形速度快，不需要石膏模等模具的工藝支撐；工藝的成形過程不僅應用到了SLS，還應用到了CIP，成形過程相對麻煩，從而使工藝的應用上有所局限。同時，不能直接成形出成品，必須采用與傳統工藝一樣的后處理階段才能最終完成制造過程，這些都需要在將來的研究中去加以解決。

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[2] 史玉升, 劉錦輝, 閆春澤, 等. 粉末材料選擇性激光快速成形技術及應用[M]. 北京: 科學出版社, 2012: 1-4.

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[5] 王 蔚, 劉永賢, 史向東, 等. 基于選擇性激光燒結生物陶瓷復合粉體的工藝研究[J]. 制造技術與機床, 2012, 10: 21-24.

WANG Wei, et al. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2012, 10: 21-24.

[6] 陳思翰, 劉福興. 用選擇性激光燒結技術制作陶瓷原件研究[J]. 西安交通大學學報, 2011, 45(11): 116-120.

CHEN Sihan, et al. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2011, 45(11): 116-120.

[7] 史玉升, 劉凱, 賀文婷, 等. 選擇性激光燒結/冷等靜壓復合制造高密度Al2O3異形陶瓷件的研究[J]. 應用激光, 2013, 33(1): 1-6.SHI Yusheng, et al. Applied Laser, 2013, 33(1): 1-6.

[8] 徐大鵬, 周建忠, 郭華榮, 等. 覆膜陶瓷粉末的選擇性激光燒結工藝研究及參數優化[J]. 航空精密制造技術, 2006, 42(6): 33-35.

XU Dapeng, et al. Aviation Precision Manufacturing, 2006, 42(6): 33-35.

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。

江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ13644)。

史玉升(1962-)，男，博士，教授。

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

E-mail:shiyusheng@263.net