CN107973520A - 陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物 - Google Patents

陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物 Download PDF

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Abstract

本案关于一种陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法，包含：以三维打印设备输出欲成型物件的图层数据；三维打印设备依据图层数据进行切层分析，以低温陶瓷玻璃组合物、透明胶水及全彩墨水层层堆叠打印出三维的陶瓷玻璃半成品；将陶瓷玻璃半成品阴干；以及对陶瓷玻璃半成品进行热转化程序，以形成陶瓷玻璃成型物。

Description

陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物
【技术领域】
本发明关于一种陶瓷玻璃成型物，尤指一种陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物。
【背景技术】
随着三维打印的技术发展，能够运用在三维打印的材料种类愈趋多元，例如金属、高分子、陶瓷等材料。一般常使用的高分子材料如ABS树脂、环氧树脂(Epoxy)等，皆属于低温易成型材料，即其能够在较低的温度下进行进行三维打印，而金属、陶瓷等材料属于高温成型材料，即其需要在高温下才能进行三维打印。在过去的传统制法中，举凡水晶、玻璃、陶瓷器、珐琅的成型以及鎏金制程等等，其制作过程相当繁复且不环保，且其皆须要多道的高温制程来烧制或进行，对制造人员来说相当危险。因此若能以三维打印方式来制作陶瓷玻璃，对传统技术将有相当多地改善。
虽过去曾有玻璃三维打印的已知技术，然该已知技术受到技术限制，其成品皆仅为单色玻璃，且其打印过程中会产生大量气体散出的现象，成品的精细度亦不佳，后续亦无相关的改进技术提出。另一相关的已知技术则近似于高分子的挤出型的熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling)技术，此已知技术利用炉体先将玻璃熔融，再控制流出高温玻璃膏来进行三维打印的技术，然而，受限于此先前技术的高温制程，其成品仅能为单色，且此先前技术中，由于需要将玻璃加热至熔融态，其处理温度超过1100℃，此高温对操作人员来说相对危险，更且，由于此先前技术利用玻璃膏来进行三维打印，因玻璃膏的粘度高，控制不易，故此先前技术的制程所生产出的成品无法细化，因而无法打印出细致的玻璃成品。
因此，如何发展一种陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物，俾解决已知技术中，利用三维打印方式所制出的玻璃成品皆为单色、制作过程皆属高温制程、且成品精细度不佳的问题，实为本领域所迫切需解决的问题。
【发明内容】
本案的主要目的在于提供一种陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物，俾解决已知技术中，利用三维打印方式所制出的玻璃成品皆为单色、制作过程皆属高温制程以及成品精细度不佳的问题。
为达上述目的，本案提供一种陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法，包含：以三维打印设备输出欲成型物件的图层数据；该三维打印设备依据该图层数据进行切层分析，以低温陶瓷玻璃组合物、透明胶水及全彩墨水层层堆叠打印出陶瓷玻璃半成品；将陶瓷玻璃半成品阴干；以及对陶瓷玻璃半成品进行热转化程序，以形成陶瓷玻璃成型物。
为达上述目的，本案另提供一种陶瓷玻璃成型物的组合物，包含：一低温陶瓷玻璃组合物，由硅酸盐类化合物结合粘结剂所组成，该低温陶瓷玻璃组合物于300～400℃的温度下成型；一透明胶水，包含非离子型界面活性剂、带有2个以上氢氧基的多醇类化合物、带有1～4个碳直链的醚醇类化合物、抗菌剂、去离子水及粘结剂；以及一全彩墨水，包含非离子型界面活性剂、带有2个以上氢氧基的多醇类化合物、带有1～4个碳直链的醚醇类化合物、抗菌剂、去离子水、水性颜料分散液及颜料稳定剂。
【附图说明】
图1为本案较佳实施例的陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法的流程图。
【符号说明】
S11、S12、S13、S14：步骤
【具体实施方式】
体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图式在本质上当作说明之用，而非用于限制本案。
请参阅图1，图1为本案较佳实施例的陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法的流程图。如图所示，本案的陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法先提供一三维打印设备，再如步骤S11所述，透过该三维打印设备先输出所欲成型物件的图层数据。接着如步骤S12所述，由该三维打印设备依据该图层数据进行切层分析，以分析出其每一切层的外型轮廓，并再透过喷印低温陶瓷玻璃组合物、透明胶水及全彩墨水，进而以层层堆叠打印出一三维的陶瓷玻璃半成品，其中，低温陶瓷玻璃组合物于300～400℃的温度下成型，但不以此为限，亦可依据实际需求，透过调整低温陶瓷玻璃组合物中各成分的比例，来调整实际所需的成型温度，并且透过于喷印过程中加入全彩墨水的水性环保颜料，并调控低温陶瓷玻璃组合物的成型温度于300～400℃之间成型，再喷印透明胶水结合形成已喷印的陶瓷玻璃半成品，如此全彩墨水中的水性环保颜料能覆着于低温陶瓷玻璃组合物上。此时的陶瓷玻璃半成品需再经过热转化处理过程，才能够转化为陶瓷玻璃，故接着如步骤S13所述，将该陶瓷玻璃半成品进行阴干，借以去除多余水分，以利后续热转化程序的进行。最后如步骤S14所述，对该陶瓷玻璃半成品进行热转化程序，以形成陶瓷玻璃成型物，其中，在热转化程序时，陶瓷玻璃半成品被加热至玻璃转化温度，而转化为三维的陶瓷玻璃成型物。
本案透过三维打印设备于喷印过程中加入全彩墨水，并调控低温陶瓷玻璃组合物的成型温度于300～400℃之间成型，再喷印透明胶水的结合，借此能使全彩墨水中具环保的水性颜料覆着于低温陶瓷玻璃组合物上，以克服已知陶瓷玻璃成形在玻璃转化着色复杂的问题，并能够随着热转化程序，在水性颜料的容许温度碳化消失前转化为全彩的陶瓷玻璃成型物，而使陶瓷玻璃成型物能具有多种色彩。
如此一来，于本案的陶瓷玻璃成型物的三维打印的制程中，仅需透过三维打印设备即可自动化地三维打印出陶瓷玻璃半成品，并透过后续简易的阴干、热转化程序，即可以低温制程产出全彩的陶瓷玻璃成型物，而且其中无需投入大量人力，且制程相对简便、有效率、同时更可有效节省生产时间。且与传统的玻璃制法相比之下，本案可以具有如传统制法同样的彩色键结、保留成品的特殊结构、具有高品质的光学性质(如吸/透光性)等优点，且能够以较快速、安全的方式进行，而相比已知的玻璃三维打印技术，本案可打印出具有较高精细度、彩色的陶瓷玻璃成型物，且能够在较低温度之下进行。更且，相较于已知的玻璃三维打印技术需要在超过1100℃的温度环境下进行，本案为相对低温的制程，故对于操作人员来说相对安全。
至于本案的陶瓷玻璃成型物的组合物即为可用以进行三维打印以打印出陶瓷玻璃成型物的成型材料，陶瓷玻璃成型物的组合物包含低温陶瓷玻璃组合物、透明胶水及全彩墨水。
低温陶瓷玻璃组合物为由硅酸盐类化合物结合粘结剂所组成，低温陶瓷玻璃组合物可在350±50℃(300℃～400℃)成型，并具有:粒径在80μm以下，且可选用目前市面上的产品，并不以此为限。其中，硅酸盐类化合物是由石英(SiO2)、长石(又称马牙石)及瓷土(亦称高岭土)所组成的群组的至少其中之一；粘结剂选用水溶性高分子，可为合成组合物或是天然组合物，均不以此为限，粘结剂是由聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、阿拉伯胶、海藻胶、糊精、明胶及淀粉(如：直链淀粉、支淀淀粉)所组成的群组的至少其中之一，占低温陶瓷玻璃组合物总量2～20重量百分比，以占低温陶瓷玻璃组合物总量为5～12重量百分比为最佳。
透明胶水包含非离子型界面活性剂、带有2个以上氢氧基的多醇类化合物、带有1～4个碳直链的醚醇类化合物、抗菌剂、去离子水及粘结剂，但不以此为限。非离子型界面活性剂选用乙氧基化炔二醇(Ethoxylated Acetylenic Diol)型非离子型界面活性剂，如Surynol 440、Surynol 465、Surynol 485，占透明胶水总量0.5～2重量百分比；带有2个以上氢氧基的多醇类化合物是由1,3-/1,2-丙二醇、1,4-/1,3-/1,2-丁二醇、1,5-/1,4-/1,3-/1,2-戊二醇、三甲醇丙烷、三甲醇乙烷、丙三醇、季戊四醇及山梨糖醇所组成的群组的至少其中之一，占透明胶水总量2～20重量百分比；带有1～4个碳的直链的醚醇类化合物是由二乙二醇醚、三乙二醇醚及四乙二醇醚所组成的群组的至少其中之一，占透明胶水总量小于或等于5重量百分比，且多醇类化合物及醚醇类化合物两种合计使用总量占透明胶水总量不超过20重量百分比；粘结剂选用水溶性高分子，可为合成组合物或是天然组合物，均不以此为限，粘结剂是由聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、阿拉伯胶、海藻胶、糊精、明胶及淀粉(如：直链淀粉、支淀淀粉)所组成的群组的至少其中之一，占透明胶水总量0.5～5重量百分比，以占透明胶水总量为0.5～2重量百分比为最佳；抗菌剂选用Proxel GXL或BIT 20，占透明胶水总量0.1～1重量百分比；去离子水占透明胶水总量80～90重量百分比。
全彩墨水包含非离子型界面活性剂、带有2个以上氢氧基的多醇类化合物、带有1～4个碳直链的醚醇类化合物、抗菌剂、去离子水、水性颜料分散液及颜料稳定剂，但亦不以此为限。非离子型界面活性剂选用乙氧基化炔二醇(Ethoxylated acetylenic diol)型非离子型界面活性剂，如Surynol 440、Surynol 465、Surynol 485，占全彩墨水总量0.1～2重量百分比，以避免大于2重量百分比会让胶水下渗到铺粉层的速度过快或晕染到周边的颜色，造成色与色之间的不清晰晕染(bleeding)；带有1～4个碳直链的醚醇类化合物是由二乙二醇单甲醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单丙醚、二乙二醇单丁醚、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单丙醚、乙二醇单丁醚、三乙二醇单甲醚、三乙二醇单乙醚、三乙二醇单丙醚及三乙二醇单丁醚所组成的群组的至少其中之一，占全彩墨水总量5～15重量百分比；带有2个以上氢氧基的多醇类化合物是由1,3-/1,2-丙二醇、1,4-/1,3-/1,2-丁二醇、1,5-/1,4-/1,3-/1,2-戊二醇、三甲醇丙烷、三甲醇乙烷、丙三醇、季戊四醇及山梨糖醇所组成的群组的至少其中之一，占全彩墨水总量10～30重量百分比，多醇类化合物在胶水中主要做为保湿剂及可提高墨水稳定性；抗菌剂选用Proxel GXL或BIT 20，占全彩墨水总量0.1～1重量百分比；水性颜料分散液，使用市售产品，占全彩墨水总量10～30重量百分比，如Cabot的COJ系列、科莱恩的HostaJet PT系列及其它各种可用的颜料分散液等，包括黑色/正红色/正蓝色/洋红色/青色/黄色/绿色；颜料稳定剂选用含氮杂环化合物，含氮杂环化合物为吡咯酮、甲基吡咯酮及吡咯酮类化合物所组成的群组的至少其中之一，占全彩墨水总量2～10重量百分比；去离子水占全彩墨水总量50～80重量百分比。
以下列举本案较佳实施例的透明胶水与全彩墨水的实施态样：
表格一本案较佳实施例的透明胶水
表格二本案较佳实施例的全彩墨水
表格三本案另一较佳实施例的全彩墨水
本案透过于喷印过程中加入全彩墨水的水性环保颜料，并调控低温陶瓷玻璃组合物的成型温度于300～400℃之间成型，再喷印透明胶水结合形成已喷印的陶瓷玻璃半成品，如此全彩墨水中的水性环保颜料能覆着于低温陶瓷玻璃组合物上进行热转化程序，且由于本案的热转化程序在颜料的容许温度碳化消失前，将已喷印的陶瓷玻璃材质粉末达到玻璃转化而能够在进行热转化程序后仍保持彩色状态。
综上所述，本案所提供的陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物借由三维打印设备，以低温陶瓷玻璃组合物、透明胶水及全彩墨水为成型材料，进而层层堆叠打印出一三维的陶瓷玻璃半成品，其后再透过阴干、热转化程序，以形成陶瓷玻璃成型物，透过此三维打印技术可自动化且有效率地直接成型出全彩的三维陶瓷玻璃半成品，而使热转化后得到的陶瓷玻璃成型物具有多种色彩，不需如传统玻璃制程中需要进行繁复的着色程序，而又能保持传统玻璃制程中，成品精细度高、光学品质好等优点，并且，相较已知的玻璃三维打印技术所成型出的成品皆为单色、制程温度高的缺点，本案的陶瓷玻璃成型物既可具有多种颜色且制程温度低，故能够相对于已知技术，运用在更广泛的领域里，如艺术品、建筑材料、个人化商品、生医领域等等。因此，本案的陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法及其组合物极具产业利用价值，爰依法提出申请。
本案得由熟悉此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (26)

1.一种陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法，包含：
(a)以一三维打印设备输出一欲成型物件的一图层数据；
(b)该三维打印设备依据该图层数据进行切层分析，以一低温陶瓷玻璃组合物、一透明胶水及一全彩墨水层层堆叠打印出一三维的陶瓷玻璃半成品；
(c)将该陶瓷玻璃半成品阴干；以及
(d)对该陶瓷玻璃半成品进行一热转化程序，以形成一陶瓷玻璃成型物。
2.如权利要求1项的陶瓷玻璃成型物的三维打印制作方法，其特征在于，步骤(b)中的该低温陶瓷玻璃组合物于300～400℃的温度下成型，且步骤(d)中的该热转化程序于三维的陶瓷玻璃半成品加温达到玻璃转化温度下进行。
3.一种陶瓷玻璃成型物的组合物，包含：
一低温陶瓷玻璃组合物，由一硅酸盐类化合物结合粘结剂所组成，该低温陶瓷玻璃组合物于300～400℃的温度下成型；
一透明胶水，包含非离子型界面活性剂、带有2个以上氢氧基的多醇类化合物、带有1～4个碳直链的醚醇类化合物、抗菌剂、去离子水及粘结剂；以及
一全彩墨水，包含非离子型界面活性剂、带有2个以上氢氧基的多醇类化合物、带有1～4个碳直链的醚醇类化合物、抗菌剂、去离子水、水性颜料分散液及颜料稳定剂。
4.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该硅酸盐类化合物由石英、长石及瓷土所组成的群组的至少其中之一。
5.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该粘结剂为水溶性高分子，是由聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、阿拉伯胶、海藻胶、糊精、明胶及淀粉所组成的群组的至少其中之一。
6.如权利要求5所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该低温陶瓷玻璃组合物的该粘结剂占总量2～20重量百分比。
7.如权利要求5所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该低温陶瓷玻璃组合物的该粘结剂占该低温陶瓷玻璃组合物总量为5～12重量百分比为最佳。
8.如权利要求5所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该透明胶水的该粘结剂占该透明胶水总量0.5～5重量百分比。
9.如权利要求5所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该透明胶水的该粘结剂占该透明胶水总量为0.5～2重量百分比为最佳。
10.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该透明胶水的该多醇类化合物及该醚醇类化合物合计使用总量不超过占透明胶水总量20重量百分比。
11.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该非离子型界面活性剂选用乙氧基化炔二醇(Ethoxylated acetylenic diol)。
12.如权利要求11所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该透明胶水的该非离子型界面活性剂占该透明胶水总量0.5～2重量百分比。
13.如权利要求11所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该全彩墨水的该非离子型界面活性剂占该全彩墨水总量0.1～2重量百分比。
14.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该透明胶水的该带有2个以上氢氧基的多醇类化合物占该透明胶水总量2～20重量百分比。
15.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该全彩墨水的该带有2个以上氢氧基的多醇类化合物占该全彩墨水总量10～30重量百分比。
16.如权利要求14及15项其中之一所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该带有2个以上氢氧基的多醇类化合物为1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-戊二醇、1,3-戊二醇、1,4-戊二醇、1,5-戊二醇、三甲醇丙烷、三甲醇乙烷、丙三醇、季戊四醇及山梨糖醇所组成的群组的至少其中之一。
17.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该透明胶水的该带有1～4个碳的直链的醚醇类化合物占该透明胶水总量小于5重量百分比。
18.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该透明胶水的该带有1～4个碳直链的醚醇类化合物占该透明胶水总量等于5重量百分比。
19.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该全彩墨水的该带有1～4个碳直链的醚醇类化合物占该全彩墨水总量5～15重量百分比。
20.如权利要求17、18及19项其中之一所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该带有1～4个碳的直链的醚醇类化合物为二乙二醇醚、三乙二醇醚及四乙二醇醚所组成的群组的其中之一。
21.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该抗菌剂占该透明胶水总量0.1～1重量百分比。
22.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该抗菌剂占该全彩胶水总量0.1～1重量百分比。
23.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该水性颜料分散液占该全彩胶水总量10～30重量百分比。
24.如权利要求3所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该颜料稳定剂占该全彩胶水总量2～10重量百分比。
25.如权利要求24所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该颜料稳定剂为一含氮杂环化合物。
26.如权利要求25所述的陶瓷玻璃成型物的组合物，其特征在于，该含氮杂环化合物为吡咯酮、甲基吡咯酮及吡咯酮类化合物所组成的群组的至少其中之一。
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