CN104802278A - 一种采用3d打印技术制备玉器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用3D打印技术制备玉器的方法，主要方法是：以高纯高表面活性的Al2O3粉体、ZrO2粉体、TiO2粉体或MgO粉体为玉器基体粉体材料，以金属Al粉、Mg粉、Fe粉或Ti粉为烧结相粉体材料，以微量纳米Fe粉、Cu粉或Co粉或这些元素的氧化物或氯化物等含着色原子的粉体为着色剂粉体，分别选择其中一种或几种按一定比例预先混合；以少量有机蜡或铝溶胶做结合剂；通过激光3D打印机进行不同外形玉器打印。如打印后外观致密度不完美可再将玉器制品进行进一步热处理致密化制得完美玉器成品。本发明制备的刚玉质、尖晶石质或锆质等玉器，具有工艺简单，直接成型，无需后期切割雕刻，生产效率高，制备成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种玉器制备方法，尤其涉及一种采用3D打印技术制备玉器的方法。
背景技术
玉器通常是由天然玉石经过雕刻、打磨、抛光等一系列工艺制备得到，总体上一件结构复杂的高质量玉器成品的制备耗时长，有时需技艺精湛的技师耗时几个月甚至几年时间去雕刻打磨才能完成。随着人类文明进步，对玉器需求不断增长，天然玉石是一种有限的地下矿藏资源，人类为了眼前利益加快了玉石开采的速度，使资源有限性与需求无限性的矛盾不断加大。因此，采用新技术制备人造玉器，从而减少天然玉石资源的开采，成为了当今的一个重要课题。3D打印技术是指通过可以“打印”出真实物体的3D打印机，采用分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体的一种技术。现常用的3D打印技术有：选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS )，熔融沉积成型技术(Fused Deposition Manufacturing, FDM)及立体光刻造型技术(Stereolithography)等。整体上，天然玉器制备周期长，成本高，而3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的制备周期，提高生产率和降低生产成本。
目前3D打印机的激光能量相对较低，无法实现高熔点（熔点超过1200℃）玉器粉末在打印过程中熔融烧结，因此目前3D打印技术主要用来打印金属合金材料或塑料制品。经文献和专利查阅，目前现有的3D打印技术还无法直接用玉石粉体作为原料来打印制备玉器，也没有适合直接用于3D打印玉器的粉体原料。因为无机高熔点的玉石粉体原料在打印过程无法实现致密化烧结，导致打印后不能精确成型。现有3D打印一般会用一些高分子类或无机溶胶类做结合剂去成型，但是这些原料如果直接用于3D打印玉石粉体中做粘结剂，需要通过后期煅烧排除处理，使玉器制品中出现很多气孔，这些气孔即使通过很高温度煅烧也无法实现玉器制品的致密化甚至使玉器出现变形坍塌，也就失去了玉器制品应该有的致密性、光学美感和原先设计的外观形貌。
本发明通过对相关材质玉器原料粉体配方的改进，实现了通过采用目前通用3D打印机在打印过程靠其相对较低的激光能量就能实现玉器原料的致密化烧结，达到玉器制品应该有的美观度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用3D打印技术制备玉器的方法，采用3D打印技术打印刚玉质、尖晶石质或锆质玉器，实现较便捷低成本的玉器制备技术，从而实现部分替代天然玉器，节约天然玉石资源的开采，实现天然玉石资源的可持续应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种采用3D打印技术制备玉器的方法，包括以下步骤：
（1）配置3D打印的粉体材料：以Al2O3粉体、ZrO2粉体、TiO2粉体或MgO粉体中的一种或几种按照任意配比混合作为玉器基体粉体材料；以金属Al粉、Mg粉、Fe粉或Ti粉中的一种或几种按照任意配比混合作为烧结相粉体材料；以纳米级Fe粉、Cu粉或Co粉或这些元素的氧化物或氯化物粉体作为着色剂粉体；以稀土氧化物作为玉器晶体生长助剂；将各组分按以下质量比例配比：基体粉体材料占60-98%，烧结相粉体材料占2-40%，着色剂粉体占0.05-2%，玉器晶体生长助剂占0.05-1%；将配比好的所有粉体通过机械研磨混合均匀，作为3D打印的粉体材料；
（2）3D打印时，以质量比例为0.5-3%的有机蜡或铝溶胶作为结合剂，将结合剂和步骤1混合后的粉体材料装入激光3D打印机，根据需要进行不同形状玉器打印，得到玉器。
进一步地，还包括对步骤2得到的玉器进行热处理的步骤，所述热处理的工艺为：将所得玉器埋于装有氧化铝空心球或氧化锆空心球的匣钵中，在氧化性气氛加热炉中按以下步骤升温：室温-500℃按3℃/min速率升，500℃保温3h，500℃-650℃按1℃/min速率升，650℃保温3h，650℃-1000℃按2℃/min速率升，1000℃保温3h，1000℃-1600℃(或1700℃)按1℃/min速率升，1600℃(或1700℃)保温5h；保温结束后以5℃/min速率降温至室温，得到最终玉器成品。
进一步地，玉器中各组分按以下质量比例配比：基体粉体材料占80-90%，烧结相粉体材料占10-20%，着色剂粉体占0.5-1%，玉器晶体生长助剂占0.3-0.5%。
进一步地，所打印的玉器制品为刚玉质、尖晶石质或锆质，玉器外形为玉雕品、玉镯子、玉球、玉佩、印章或玉戒指。
本发明的有益效果是：本发明巧妙的利用了与玉器材质相匹配的烧结相金属粉体，通过合理控制添加量，一方面实现玉器基体粉体的烧结，另一方面又控制了金属粉体的反应速率避免反应过程液相量过多而导致玉器变形坍塌，解决了玉器制品的3D打印技术。本发明制备玉器的方法具有成本低、操作过程简单，工艺易控制，外观漂亮，能实现工业化大批量生产的优势。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种采用3D打印技术制备玉器的方法，包括以下步骤：
（1）配置3D打印的粉体材料：以高纯高表面活性的Al2O3粉体、ZrO2粉体、TiO2粉体或MgO粉体中的一种或几种按照任意配比混合作为玉器基体粉体材料；以金属Al粉、Mg粉、Fe粉或Ti粉中的一种或几种按照任意配比混合作为烧结相粉体材料；以纳米级Fe粉、Cu粉或Co粉或这些元素的氧化物或氯化物粉体作为着色剂粉体；以稀土氧化物作为玉器晶体生长助剂；将各组分按以下质量比例配比：基体粉体材料占60-98%，烧结相粉体材料占2-40%，着色剂粉体占0.05-2%，玉器晶体生长助剂占0.05-1%；将配比好的所有粉体通过机械研磨混合均匀，作为3D打印的粉体材料；
（2）3D打印时，以质量比例为0.5-3%的有机蜡或铝溶胶作为结合剂，将结合剂和步骤1混合后的粉体材料装入激光3D打印机，根据需要进行不同形状玉器打印，得到玉器。所打印的玉器制品为刚玉质、尖晶石质或锆质，玉器外形为玉雕品、玉镯子、玉球、玉佩、印章或玉戒指。
除此之外，还可以进一步对步骤2得到的玉器进行热处理，所述热处理的工艺为：将所得玉器埋于装有氧化铝空心球或氧化锆空心球的匣钵中，在氧化性气氛加热炉中按以下步骤升温：室温-500℃按3℃/min速率升，500℃保温3h，500℃-650℃按1℃/min速率升，650℃保温3h，650℃-1000℃按2℃/min速率升，1000℃保温3h，1000℃-1600℃(或1700℃)按1℃/min速率升，1600℃(或1700℃)保温5h；保温结束后以5℃/min速率降温至室温，得到最终玉器成品。
优选地，玉器中各组分按以下质量比例配比：基体粉体材料占80-90%，烧结相粉体材料占10-20%，着色剂粉体占0.5-1%，玉器晶体生长助剂占0.3-0.5%。
实施例 1
以50纳米粒径的 Al2O3粉体为刚玉质玉器的基体粉体材料，以5微米金属Al粉为烧结相粉体材料，以CoCl2粉为着色剂，以Y2O3为晶体生长助剂，各组分添加量分别为：89%，10%，1%，0.5%。先将各组分在惰性气体保护下机械球磨混合均匀，然后装入激光3D打印机。添加1%的铝溶胶作为粘结剂，根据需要建立好所需外观玉器的三维模型，进行激光3D打印玉器，打印得到淡蓝色刚玉质玉器。
实施例 2
以5微米粒径的Al2O3粉体和 MgO粉体为尖晶石质玉器的基体粉体材料，添加量分别为45%和45%；以5微米金属Al粉和金属Mg粉为烧结相粉体材料，添加量分别为4.5%和4.5%；以20纳米金属Fe粉为着色剂，添加量为1%，以V2O5为晶体生长助剂，添加量为0.5%。先将各组分在惰性气体保护下机械球磨混合均匀，然后装入激光3D打印机。添加3%的铝溶胶作为粘结剂，根据需要建立好所需外观玉器的三维模型，进行激光3D打印玉器。将打印得到的玉器，在氧气气氛加热炉中缓慢升温热处理，促进玉器中残留的少量氧化不完全的金属Al和Mg进一步氧化成Al2O3和MgO，同时进一步促进Al2O3和MgO晶粒的反应烧结成镁铝尖晶石，热处理最终温度控制在1600℃。缓慢冷却得到淡红色尖晶石质玉器。
实施例 3
以100纳米粒径的ZrO2粉体为锆质玉器的基体粉体材料，添加量为90%；以5微米金属Al粉和Ti粉为烧结相粉体材料，添加量分别为1%和8%；以20纳米金属Fe粉为着色剂，添加量为1%；以稀土V2O5为晶体生长助剂，添加量为0.5%。先将各组分在惰性气体保护下机械球磨混合均匀，然后装入激光3D打印机。添加2%的铝溶胶作为粘结剂，根据需要建立好锆质玉器的三维模型，进行激光3D打印玉器。将打印得到的玉器，在氧气气氛加热炉中缓慢升温热处理，促进玉器中残留的少量氧化不完全的金属Ti进一步氧化成TiO2，同时进一步促进ZrO2和TiO2晶粒的烧结致密化，热处理最终温度控制在1700℃，缓慢冷却得到淡红色锆质玉器。
实施例 4
以10微米粒径的 Al2O3粉体为刚玉质玉器的基体粉体材料，以5微米金属Al粉为烧结相粉体材料，以Fe2O3粉为着色剂，以Y2O3为晶体生长助剂，各组分添加量分别为：60%，38%，1%，1%。先将各组分在惰性气体保护下机械球磨混合均匀，然后装入激光3D打印机。添加0.5%的铝溶胶作为粘结剂，根据需要建立好所需外观玉器的三维模型，进行激光3D打印玉器，打印得到微红色刚玉质玉器。
实施例 5
以5微米粒径的ZrO2粉体为锆质玉器的基体粉体材料，添加量为98%；以5微米金属Al粉为烧结相粉体材料，添加量为1.7%；以20纳米金属Fe粉为着色剂，添加量为0.05%；以稀土Y2O3为晶体生长助剂，添加量为0.3%。先将各组分在惰性气体保护下机械球磨混合均匀，然后装入激光3D打印机。添加3%的铝溶胶作为粘结剂，根据需要建立好锆质玉器的三维模型，进行激光3D打印玉器。将打印得到的玉器，在氧气气氛加热炉中缓慢升温热处理，促进玉器中残留的少量氧化不完全的金属Al进一步氧化成Al2O3，同时进一步促进ZrO2和Al2O3晶粒的烧结致密化，热处理最终温度控制在1700℃，缓慢冷却得到淡红色锆质玉器。
Claims (4)
1.一种采用3D打印技术制备玉器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配置3D打印的粉体材料：以Al2O3粉体、ZrO2粉体、TiO2粉体或MgO粉体中的一种或几种按照任意配比混合作为玉器基体粉体材料；以金属Al粉、Mg粉、Fe粉或Ti粉中的一种或几种按照任意配比混合作为烧结相粉体材料；以纳米级Fe粉、Cu粉或Co粉或这些元素的氧化物或氯化物粉体作为着色剂粉体；以稀土氧化物作为玉器晶体生长助剂；将各组分按以下质量比例配比：基体粉体材料占60-98%，烧结相粉体材料占2-40%，着色剂粉体占0.05-2%，玉器晶体生长助剂占0.05-1%；将配比好的所有粉体通过机械研磨混合均匀，作为3D打印的粉体材料；
（2）3D打印时，以质量比例为0.5-3%的有机蜡或铝溶胶作为结合剂，将结合剂和步骤1混合后的粉体材料装入激光3D打印机，根据需要进行不同形状玉器打印，得到玉器。
2.根据权利要求1所述的一种采用3D打印技术制备玉器的方法，其特征在于，
还包括对步骤2得到的玉器进行热处理的步骤，所述热处理的工艺为：将所得玉器埋于装有氧化铝空心球或氧化锆空心球的匣钵中，在氧化性气氛加热炉中按以下步骤升温：室温-500℃按3℃/min速率升，500℃保温3h，500℃-650℃按1℃/min速率升，650℃保温3h，650℃-1000℃按2℃/min速率升，1000℃保温3h，1000℃-1600℃(或1700℃)按1℃/min速率升，1600℃(或1700℃)保温5h；保温结束后以5℃/min速率降温至室温，得到最终玉器成品。
3.根据权利要求1所述的一种采用3D打印技术制备玉器的方法，其特征在于，玉器中各组分按以下质量比例配比：基体粉体材料占80-90%，烧结相粉体材料占10-20%，着色剂粉体占0.5-1%，玉器晶体生长助剂占0.3-0.5%。
4.根据权利要求1所述的一种采用3D打印技术制备玉器的方法，其特征在于，所打印的玉器制品为刚玉质、尖晶石质或锆质，玉器外形为玉雕品、玉镯子、玉球、玉佩、印章或玉戒指。
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