3D打印在琉璃研制生產(chǎn)方面的應(yīng)用

張建雄，宋 彬，張志峰，任 瑞，高文謙,戴開明

（1.浙江遂金特種鑄造有限公司，浙江遂昌 323300；2.北京北方恒利科技發(fā)展有限公司，北京 102600；3.湖北江山重工有限責(zé)任公司，湖北襄陽 441057）

1 傳統(tǒng)琉璃工藝品制作

傳統(tǒng)琉璃工藝品制作難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，工藝過程復(fù)雜，具體特征如下：

（1）制作工序冗長(zhǎng)：從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、雕塑、燒制、細(xì)修、打磨至作品完成，需經(jīng)過四十七道精致煩瑣的手工工序才能完成,傳統(tǒng)制作工序主要流程如圖1所示。

（2）手工制作：工人必須掌握精湛技術(shù)方能操作，每道工藝均有各自不定的變化因素，且在工藝過程中需經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，作品色彩無一雷同，制作難度極高。

（3）一模一品：一只模具只能燒制一件作品，無法二次使用，大型復(fù)雜作品甚至需要多次開模、燒制才能完成。低成功率，使作品更為珍貴。

（4）高溫?zé)疲簩⒕x原料以1400℃以上高溫熔制成各種彩色水晶玻璃，并經(jīng)過多次精選清洗后，按作品用料比例置于模具中，并設(shè)定嚴(yán)格的升、降溫曲線[5]，爐溫必須控制在1000℃±5℃以內(nèi)。燒制過程長(zhǎng)達(dá)15天以上，使水晶原料精確到每個(gè)細(xì)微處。方可確保作品精細(xì)奇巧、立體、真實(shí)、流線飄逸、清晰。

圖1 傳統(tǒng)制作工序流程

2 琉璃制作工藝改進(jìn)

通過將多種技術(shù)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜琉璃產(chǎn)品的規(guī)?；涂焖倩a(chǎn)。利用3D打印蠟?zāi)?fù)雜琉璃一體化制造；利用三維反求技術(shù)[6]，將雕刻等唯一性很強(qiáng)的物品轉(zhuǎn)化為易長(zhǎng)期保存和易修改的數(shù)字文件；利用石膏型鑄造工藝布局靈活、高復(fù)模性的優(yōu)點(diǎn)，琉璃尺寸精度達(dá)到CT5-6級(jí)，表面達(dá)到Ra3.2；利用石膏型保溫效果好的優(yōu)點(diǎn)延長(zhǎng)凝固補(bǔ)縮時(shí)間；利用真空澆注減少氣體阻力改善充型；利用增壓凝固增加補(bǔ)縮距離改善表面質(zhì)量和裂紋。具體琉璃制作工藝改進(jìn)技術(shù)方案如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用的琉璃制作工藝改進(jìn)技術(shù)方案包括以下9個(gè)步驟。

圖2 琉璃制作工藝改進(jìn)技術(shù)方案

2.1 琉璃數(shù)據(jù)獲取

通過正向設(shè)計(jì)或逆向工程設(shè)計(jì)獲取琉璃三維數(shù)據(jù)，三維逆向反求數(shù)據(jù)如圖3所示。

2.2 成型工藝設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

通過云數(shù)據(jù)處理、支撐、鏤空、切片技術(shù)優(yōu)化步驟所得的琉璃三維數(shù)據(jù)，加支撐數(shù)據(jù)（如圖4），獲得預(yù)設(shè)計(jì)的琉璃三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型STL文件，在3D打印設(shè)備的工控機(jī)上對(duì)所述STL文件的三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型進(jìn)行切片分層處理（如圖5），層厚為0.1mm。

2.3 3D打印SLS蠟?zāi)?/h3>

圖3 三維逆向反求數(shù)據(jù)

圖4 支撐數(shù)據(jù)

圖5 三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型切片分層處理

本次打印采用的北京北方恒利科技發(fā)展有限公司研制生產(chǎn)的HLP-800設(shè)備（成型尺寸：800mm×600mm×500mm），在工作臺(tái)上用鋪粉輥鋪一層粒徑為5～20微米的工程塑料粉末，由激光器發(fā)出的激光束在3D立體打印機(jī)的控制下，根據(jù)步驟2所得的分層處理過的預(yù)設(shè)計(jì)琉璃三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型一體打印成型，得到粗制的實(shí)體，再對(duì)粗制的實(shí)體進(jìn)行浸蠟、打磨、拋光、烘干處理，得到所需琉璃SLS蠟?zāi)?，如圖6所示。其中，蠟?zāi)＞葹?00mm±0.1mm，表面粗糙度Ra優(yōu)于3.2；激光器采用CO2激光器或者光纖激光器，該激光器的具體參數(shù)為：激光光束在工作平面的運(yùn)動(dòng)速度V=2100mm/s～2300mm/s，鋪粉直線單元的運(yùn)動(dòng)速度V=350mm/s～450mm/s，激光器的實(shí)際輸出功率P=42W～48W，供料裕量為0.08mm～0.1mm，轉(zhuǎn)換因子為1.08。

圖6 3D打印H LP-800設(shè)備和3D打印蠟?zāi)?/p>

2.4 消失模鑄造工藝模擬設(shè)計(jì)和蠟?zāi)＝M樹成型

按照消失模鑄造工藝[7]，進(jìn)行補(bǔ)縮系統(tǒng)的澆注模擬設(shè)計(jì)[8]及用發(fā)泡聚苯乙烯EPS制作澆注和補(bǔ)縮通道，并把步驟3所得的琉璃SLS蠟?zāi)Ｓ谜辰觿┡c泡沫實(shí)體澆棒進(jìn)行組合，得到完整、光滑的蠟?zāi)Ｐ汀?/p>

2.5 灌漿、自然固化

將步驟4所得的泡沫實(shí)體蠟?zāi)Ｐ头胖迷趫A形或方形的鐵箱中，抽真空至真空度達(dá)到負(fù)壓0.08MPa~0.1MPa時(shí)灌入石膏漿體，灌漿完成后，將鐵箱放置在20℃左右環(huán)境中干燥不低于12小時(shí)。 真空灌漿設(shè)備和石膏固化如圖7所示。

2.6 焙燒脫模

將步驟5所得的石膏漿體的蠟?zāi)Ｐ鸵悦啃r(shí)30~40℃的速率加熱升溫至40~260℃，在此溫度上保溫3~5h，然后再以每小時(shí)50℃的速率加熱升溫至800~900℃，在此溫度上保溫6~10h，焙燒脫去EPS蠟?zāi)?，得到石膏型鑄型。焙燒脫蠟設(shè)備和石膏鑄型如圖8所示。

圖7 真空灌漿設(shè)備和石膏固化

圖8 焙燒脫蠟設(shè)備和石膏鑄型

2.7 琉璃配料和熔化

按所需要求選擇合成琉璃的各種原料，將選擇好的琉璃原料置于底部設(shè)有出口的可加熱容器中，加熱升溫至750~850℃至熔化。

2.8 真空澆注、增壓凝固

將步驟6所得的石膏鑄型置于800~900℃保溫條件下進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度抽至0.34~0.36kPa時(shí)，向石膏鑄型中緩慢澆注步驟7所得的熔化的琉璃液，澆注完成后對(duì)鑄型進(jìn)行增壓處理使之凝固補(bǔ)縮，增壓處理時(shí)壓力為300~400kPa。凝固補(bǔ)縮后在保溫狀態(tài)下繼續(xù)保溫30~60min；然后再以每小時(shí)15~20℃的速率降至室溫，在室溫環(huán)境中進(jìn)行降壓處理得到鑄件，降壓處理時(shí)壓力為180~220kPa；石型真空澆注設(shè)備和石膏型鑄體如圖9所示。

圖9 石型真空澆注設(shè)備和石膏型鑄體

2.9 琉璃清理、酸洗、打磨拋光

對(duì)步驟8所得的琉璃鑄件進(jìn)行高壓水力清洗，清洗完成后，再對(duì)鑄件進(jìn)行酸洗、打磨和拋光[9]，得到所需琉璃。最終琉璃產(chǎn)品如圖10所示。

圖10 琉璃產(chǎn)品

3 結(jié)束語

通過傳統(tǒng)琉璃制作工藝和改進(jìn)工藝的對(duì)比，詳細(xì)介紹了改進(jìn)工藝的流程，包括琉璃數(shù)據(jù)獲取方法（原始設(shè)計(jì)和三維反求）、成型工藝設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理、3D打印SLS蠟?zāi)！⑾ｈT造工藝模擬設(shè)計(jì)和蠟?zāi)＝M樹成型、灌漿、自然固化、焙燒脫模、琉璃配料、琉璃熔化、真空澆注、增壓凝固、琉璃清理、酸洗、打磨拋光等工藝步驟。實(shí)際表明：基于3D打印成型復(fù)雜琉璃的方法為大型復(fù)雜琉璃的快速研制提供了可靠的技術(shù)方案，三維反求、3D打印成型蠟?zāi)：驼婵赵鰤簼沧⒌慕M合琉璃制造方法為琉璃快速無模制造提供有效的研制方法和同類型液態(tài)澆注固態(tài)成型材料快速研制奠定基礎(chǔ)。