3D打印在琉璃研制生产方面的应用

张建雄，宋 彬，张志峰，任 瑞，高文谦,戴开明

（1.浙江遂金特种铸造有限公司，浙江遂昌 323300；2.北京北方恒利科技发展有限公司，北京 102600；3.湖北江山重工有限责任公司，湖北襄阳 441057）

1 传统琉璃工艺品制作

传统琉璃工艺品制作难度大，耗时长，工艺过程复杂，具体特征如下：

（1）制作工序冗长：从构思、设计、雕塑、烧制、细修、打磨至作品完成，需经过四十七道精致烦琐的手工工序才能完成,传统制作工序主要流程如图1所示。

（2）手工制作：工人必须掌握精湛技术方能操作，每道工艺均有各自不定的变化因素，且在工艺过程中需经反复实验，作品色彩无一雷同，制作难度极高。

（3）一模一品：一只模具只能烧制一件作品，无法二次使用，大型复杂作品甚至需要多次开模、烧制才能完成。低成功率，使作品更为珍贵。

（4）高温烧制：将精选原料以1400℃以上高温熔制成各种彩色水晶玻璃，并经过多次精选清洗后，按作品用料比例置于模具中，并设定严格的升、降温曲线[5]，炉温必须控制在1000℃±5℃以内。烧制过程长达15天以上，使水晶原料精确到每个细微处。方可确保作品精细奇巧、立体、真实、流线飘逸、清晰。

图1 传统制作工序流程

2 琉璃制作工艺改进

通过将多种技术复合，实现大型复杂琉璃产品的规模化和快速化生产。利用3D打印蜡模将复杂琉璃一体化制造；利用三维反求技术[6]，将雕刻等唯一性很强的物品转化为易长期保存和易修改的数字文件；利用石膏型铸造工艺布局灵活、高复模性的优点，琉璃尺寸精度达到CT5-6级，表面达到Ra3.2；利用石膏型保温效果好的优点延长凝固补缩时间；利用真空浇注减少气体阻力改善充型；利用增压凝固增加补缩距离改善表面质量和裂纹。具体琉璃制作工艺改进技术方案如图2所示。

为了实现上述目的，采用的琉璃制作工艺改进技术方案包括以下9个步骤。

图2 琉璃制作工艺改进技术方案

2.1 琉璃数据获取

通过正向设计或逆向工程设计获取琉璃三维数据，三维逆向反求数据如图3所示。

2.2 成型工艺设计及数据处理

通过云数据处理、支撑、镂空、切片技术优化步骤所得的琉璃三维数据，加支撑数据（如图4），获得预设计的琉璃三维实体数据模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维实体数据模型进行切片分层处理（如图5），层厚为0.1mm。

2.3 3D打印SLS蜡模

图3 三维逆向反求数据

图4 支撑数据

图5 三维实体数据模型切片分层处理

本次打印采用的北京北方恒利科技发展有限公司研制生产的HLP-800设备（成型尺寸：800mm×600mm×500mm），在工作台上用铺粉辊铺一层粒径为5～20微米的工程塑料粉末，由激光器发出的激光束在3D立体打印机的控制下，根据步骤2所得的分层处理过的预设计琉璃三维实体数据模型一体打印成型，得到粗制的实体，再对粗制的实体进行浸蜡、打磨、抛光、烘干处理，得到所需琉璃SLS蜡模，如图6所示。其中，蜡模精度为100mm±0.1mm，表面粗糙度Ra优于3.2；激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，该激光器的具体参数为：激光光束在工作平面的运动速度V=2100mm/s～2300mm/s，铺粉直线单元的运动速度V=350mm/s～450mm/s，激光器的实际输出功率P=42W～48W，供料裕量为0.08mm～0.1mm，转换因子为1.08。

图6 3D打印H LP-800设备和3D打印蜡模

2.4 消失模铸造工艺模拟设计和蜡模组树成型

按照消失模铸造工艺[7]，进行补缩系统的浇注模拟设计[8]及用发泡聚苯乙烯EPS制作浇注和补缩通道，并把步骤3所得的琉璃SLS蜡模用粘接剂与泡沫实体浇棒进行组合，得到完整、光滑的蜡模型。

2.5 灌浆、自然固化

将步骤4所得的泡沫实体蜡模型放置在圆形或方形的铁箱中，抽真空至真空度达到负压0.08MPa~0.1MPa时灌入石膏浆体，灌浆完成后，将铁箱放置在20℃左右环境中干燥不低于12小时。 真空灌浆设备和石膏固化如图7所示。

2.6 焙烧脱模

将步骤5所得的石膏浆体的蜡模型以每小时30~40℃的速率加热升温至40~260℃，在此温度上保温3~5h，然后再以每小时50℃的速率加热升温至800~900℃，在此温度上保温6~10h，焙烧脱去EPS蜡模，得到石膏型铸型。焙烧脱蜡设备和石膏铸型如图8所示。

图7 真空灌浆设备和石膏固化

图8 焙烧脱蜡设备和石膏铸型

2.7 琉璃配料和熔化

按所需要求选择合成琉璃的各种原料，将选择好的琉璃原料置于底部设有出口的可加热容器中，加热升温至750~850℃至熔化。

2.8 真空浇注、增压凝固

将步骤6所得的石膏铸型置于800~900℃保温条件下进行抽真空，当真空度抽至0.34~0.36kPa时，向石膏铸型中缓慢浇注步骤7所得的熔化的琉璃液，浇注完成后对铸型进行增压处理使之凝固补缩，增压处理时压力为300~400kPa。凝固补缩后在保温状态下继续保温30~60min；然后再以每小时15~20℃的速率降至室温，在室温环境中进行降压处理得到铸件，降压处理时压力为180~220kPa；石型真空浇注设备和石膏型铸体如图9所示。

图9 石型真空浇注设备和石膏型铸体

2.9 琉璃清理、酸洗、打磨抛光

对步骤8所得的琉璃铸件进行高压水力清洗，清洗完成后，再对铸件进行酸洗、打磨和抛光[9]，得到所需琉璃。最终琉璃产品如图10所示。

图10 琉璃产品

3 结束语

通过传统琉璃制作工艺和改进工艺的对比，详细介绍了改进工艺的流程，包括琉璃数据获取方法（原始设计和三维反求）、成型工艺设计及数据处理、3D打印SLS蜡模、消失模铸造工艺模拟设计和蜡模组树成型、灌浆、自然固化、焙烧脱模、琉璃配料、琉璃熔化、真空浇注、增压凝固、琉璃清理、酸洗、打磨抛光等工艺步骤。实际表明：基于3D打印成型复杂琉璃的方法为大型复杂琉璃的快速研制提供了可靠的技术方案，三维反求、3D打印成型蜡模和真空增压浇注的组合琉璃制造方法为琉璃快速无模制造提供有效的研制方法和同类型液态浇注固态成型材料快速研制奠定基础。