TW201817568A

TW201817568A - 具精細紋路之陶瓷模具、該陶瓷模具的製造方法及使用該陶瓷模具生產陶瓷件的方法

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Publication number: TW201817568A
Application number: TW105136195A
Authority: TW
Inventors: Li-Heng Chen; feng-ming Yan; zhi-wei Lu; Jun-Yan Dong; Jun-Rong Yan
Original assignee: Franz Collection Inc
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2018-05-16
Also published as: CN108115808B; TWI606908B; CN108115808A

Abstract

本發明係有關於一種具精細紋路之陶瓷模具、該陶瓷模具的製造方法及使用該陶瓷模具生產陶瓷件的方法，其中陶瓷模具係採用三維積層製造而得，不僅使用壽命長且可形成極精細的紋路，又生產時程短，適於大量生產或客製化生產，可大幅降低製造成本。而且，陶瓷模具在燒結過程中使其未完全瓷化緻密，而保有較佳之吸水率，有助於泥胚之成型。再者，陶瓷模具可包括陶瓷模層和補充模層，可增加模具強度，又可提升吸水率。另外，在使用陶瓷模具生產陶瓷件的方法中，將陶瓷模具和泥胚共燒，燒結後泥胚將收縮，可輕易脫膜而不會損壞表面的精細紋路。

Description

具精細紋路之陶瓷模具、該陶瓷模具的製造方法及使用該陶瓷模具生產陶瓷件的方法

本發明係關於一種具精細紋路之陶瓷模具、該陶瓷模具的製造方法及使用該陶瓷模具生產陶瓷件的方法，尤指一種以三維積層製造之陶瓷模具、該陶瓷模具的製造方法及使用該陶瓷模具生產陶瓷件的方法。

就傳統之陶瓷件製造方法而言，針對較複雜造型之成形，通常係利用泥漿鑄造(slip casting)來成形。其製作過程中，首先製作原型(prototype；即用油土製成之土坯、用泥土製成之泥胚或以木材雕刻成之木模等之公模)，將其翻製成石膏模具(母模)後，於該石膏模具中澆鑄泥漿(slurry)而製成生胚(green body)；接著，讓生胚在石膏模具內固化、成型後，自石膏模具脫模，經過完全乾燥後進行初步燒製(一般稱為素燒(biscuit firing))，最後再進行上釉，並進一步燒製(釉燒至完全緻密)以製造陶瓷件。

然而，於上述之現有製程中，在製造表面具有如短小倒角等之精緻陶瓷件時，由於該倒角脆弱易斷裂，且不易脫模，故無法以石膏模具來生產。又，由石膏材料製成之模具，雖吸水率高而適於製造生胚，但石膏模具會因吸水而毀損，故至多僅可使用30~50次，壽命較短。而且，越是精細紋路的石膏模具，其使用壽命又會更短。

另一方面，在已知的解決方案中，作為上述表面具有短小倒角之精緻陶瓷件的製造方法，已知台灣專利第402555號「坯體表面密佈短小倒角陶瓷裝飾品的製造方法」。該專利教示了以下主要步驟，首先提供一表面密佈短小倒角的泥坯原型，並以該泥坯原型製成矽膠模具，即以「矽膠模具」製成樹脂原型，再以樹脂原型分別製成至少二片矽膠模具(各包含一定位的底模件、一泥漿澆鑄的模穴矽膠模件及一上模件)，於矽膠模件的模穴澆鑄適量泥漿，再將之與上模件組合；該上模件以具有吸水作用的石膏材料製成，吸收矽膠模件模穴中泥漿的大部份水份，直到乾燥度足以脫模為止，分別拆除上模件，二矽膠模件中的坯體接合線，以泥漿塗佈及併合，供二半面的坯體於乾燥後接合成一完整的造形坯體者。

如上所述，上述製造方法之製程繁雜，仍須先製備泥坯原型之公模後再翻製矽膠模具之母模，耗時費工而成本高，且矽膠模具之使用壽命仍然有限；又，矽膠特性為可撓，須另外的材料來補充其強度。

因此，正尋求一種壽命長、吸水率高、易脫模而適於製造表面具有如短小倒角等之精緻陶瓷件的模具。進一步，尋求一種能精簡製程來生產該精緻陶瓷件的製造方法。

本發明之主要目的係在提供一種具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，其係採用三維積層製造來積層陶瓷材料而製造出陶瓷模具，其與傳統的減法開模方式相比，三維積層可形成極精細的紋路，俾能製造出其他傳統製程方式所不可企及的複雜物件。此外，又可省去傳統製程中製備公模之工序，生產時程短，且適於大量生產或客製化之少量多樣生產，可大幅降低製造成本。

本發明之另一目的係在提供一種具精細紋路之陶瓷模具，其使用壽命長、吸水率高、且易脫模，俾能適於製造表面具有如短小倒角等之精緻陶瓷件。

本發明之又一目的係在提供一種使用該陶瓷模具生產陶瓷件的方法，俾能以相當精簡之製程生產表面具有如短小倒角等之精緻陶瓷件。此外，透過將陶瓷模具和生胚共燒，有利於精細紋路部分的脫模。

為達成上述目的，本發明一種具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，主要包括以下步驟：(A)以三維積層製造形成一模具胚件；以及(B)燒結模具胚件；其中，模具胚件係以一特定溫度進行燒結，特定溫度係低於1600℃，使模具胚件未完全瓷化緻密，燒結後之模具胚件的吸水率為10%以上。於本發明中，「吸水率」係指「每單位體積的吸水率」。

較佳的是，本發明具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，其特定溫度係介於800℃至1600℃之間，燒結時間為1小時至24小時，燒結後之模具胚件的吸水率係介於10%至70%。

據此，本發明所提供之具精細紋路之陶瓷模具的製造方法中，藉由以未完全瓷化緻密的方式燒結陶瓷模具，可使陶瓷模具留有孔隙，而可保有較佳的吸水性。又，藉由以特定溫度進行燒結，可調整陶瓷模具的緻密程度，進而能夠調整模具的吸水率。換言之，本發明之陶瓷模具之吸水率可藉由燒結溫度彈性地調整之。

詳言之，本發明之燒結溫度可視製造陶瓷模具所使用之精密陶瓷材料的種類及其在後述之漿料中所占比例而進行調整，並未特別限定。該精密陶瓷材料(即後述之精密陶瓷粉末)，只要是燒結後具備相當強度之精密陶瓷材料即可，一般而言可為氧化鋯、氧化鋁或其混合物等。例如，當該精密陶瓷材料為氧化鋯時，因氧化鋯完全瓷化緻密之燒結溫度一般為1400℃至1600℃(視該材料之顆粒大小)，為了使其不完全瓷化緻密，此時之燒結溫度可選擇較1400℃至1600℃低至少100℃以上，較佳為低200℃以上之溫度，即例如可選擇1300℃，藉此可調整陶瓷模具的緻密程度，即吸水率。然而，使其不完全瓷化緻密，目的有二，其一為保有吸水率以便生胚(泥胚)成型，其二為陶瓷模具在進行後述之共燒時還保有收縮之餘地以便精細紋路部分的脫模。

又，本發明之吸水率會隨陶瓷模具的緻密程度而有所不同，緻密程度又與孔隙率和吸水率成反比；舉例言之，緻密程度高，孔隙率下降，而吸水率也隨之降低；另一方面，若吸水率越高，生胚固化成型之時間越短。據此，藉由調整緻密程度，可使陶瓷模具的吸水率高達如石膏模具般的吸水能力，而且可在例如10%至50%之間作調整；如使用γ-氧化鋁或加入陶瓷纖維等難燒結之原料製作陶瓷模具，吸水率甚至可高達50%以上。

又，本發明具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，其中步驟(A)的三維積層製造可包括以下步驟：(A1)準備複數切層投影圖像、及一漿料；其中，複數切層投影圖像係將陶瓷模具之立體圖像沿其軸向或其徑向以一特定厚度切割而成；漿料包括一精密陶瓷粉末、一光硬化樹脂、以及一溶劑；(A2)使用一可見光或一紫外光逐一地照射複數切層投影圖像，而投影於漿料上，而逐層地固化並形成模具胚件；以及(A3)加熱模具胚件，使模具胚件內所含之光硬化樹脂和溶劑脫脂。

本發明之精密陶瓷粉末，已如前所述，可為氧化鋁、氧化鋯或其混合物等耐高溫之材料，而溶劑可為甲醇、乙醇、丙二醇等醇類、水、或該等之混合溶劑等。

為達成上述目的，本發明一種具精細紋路之陶瓷模具，主要包括一陶瓷模層，其係利用如上述之三維積層製造方法製造而成；陶瓷模層可包括一模內面、及一模外面，模內面構成一模穴之至少一部份，且模內面之表面形成有一精細紋路。

本發明具精細紋路之陶瓷模具，可更包括一補充模層，其係設置於陶瓷模層之模外面上。藉由補充模層之設置，除可增加吸水效果外，並可減少陶瓷模層之厚度，降低成本及模具生產工時，又可增加整體強度，以及方便生產操作。

本發明具精細紋路之陶瓷模具，較佳為，補充模層係由石膏所構成。藉由補充模層採用石膏，可進一步提升吸水性，且成本低廉。但並不以石膏作為補充模層為限，本發明可依不同需求採用不同材質作為補充模層。

為達成上述目的，本發明一種使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法，包括以下步驟：(A)提供一具精細紋路之陶瓷模具，其係利用如上述之方法製造而成；(B)澆鑄泥漿於陶瓷模具之模穴內，並形成一泥胚；(C)共燒陶瓷模具和泥胚；以及(D)泥胚脫模而成一陶瓷件。

藉由進行如上述之步驟(C)之共燒，泥胚將成型收縮(視共燒溫度而定，一般而言係收縮10~20%)，因此可使精細紋路部分的脫模變得更容易。

又，本發明使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法，其中於步驟(C)中，共燒陶瓷模具和泥胚之共燒溫度係低於特定溫度。較佳的是，共燒溫度係介於1000℃至1600℃之間。再者，本發明使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法，其中於步驟(C)中，共燒時間為0.1小時至10小時。

此外，於步驟(B)中，泥胚之含水率為25%至50%。因無需事先脫膜，故無需等到完全乾燥，藉此可精簡製程並縮短時間。於本發明中，「含水率」係指「每單位體積的含水率」。

1‧‧‧具精細紋路之陶瓷模具

11‧‧‧上模

12‧‧‧下模

13‧‧‧模心

2‧‧‧陶瓷模層

21‧‧‧模內面

22‧‧‧模外面

FP‧‧‧精細紋路

3‧‧‧補充模層

4‧‧‧泥胚

5‧‧‧陶瓷件

圖1係本發明一較佳實施例之具精細紋路之陶瓷模具的剖面圖。

圖2係本發明一較佳實施例之具精細紋路之陶瓷模具的製法流程圖。

圖3係本發明一較佳實施例之泥漿澆鑄示意圖。

圖4係本發明一較佳實施例之共燒作業示意圖。

圖5係本發明一較佳實施例之陶瓷件立體圖。

本發明具精細紋路之陶瓷模具、該陶瓷模具的製造方法及使用該陶瓷模具生產陶瓷件的方法在本實施例中被詳細描述之前，要特別注意的是，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。再者，本發明之圖式僅作為示意說明，其未必按比例繪製，且所有細節也未必全部呈現於圖式中。

請參閱圖1，圖1係本發明一較佳實施例之具精細紋路之陶瓷模具剖面圖。如圖中所示，本實施例之具精細紋路之陶瓷模具主要包括一陶瓷模層2，該陶瓷模層2之厚度約1mm至5mm，該陶瓷模層2且主要包括一模內面21、及一模外面22，該模內面21構成一模穴之一部份，該模穴供澆鑄泥漿，該模內面21之表面形成有一精細紋路FP。再者，該陶瓷模層2之該模外面22上設置有一補充模層3，其材質為石膏。

請參閱圖2，圖2係本發明一較佳實施例之具精細紋路之陶瓷模具製法流程圖。如圖中所示，本實施例之具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，包括以下步驟：(A)以三維積層製造形成一模具胚件；以及(B)燒結該模具胚件；首先，於該步驟(A)中，步驟(A1)係準備複數切層投影圖像、及一漿料；其中，該複數切層投影圖像係將該陶瓷模具之立體圖像沿其軸向或其徑向以一特定厚度切割而成；該漿料包括一精密陶瓷粉末、一光硬化樹脂、以及一溶劑，該漿料厚度約為20微米，其中本實施例中之溶劑係使用乙醇；靜置該漿料約1~2分鐘，使部分乙醇溶劑因重力、及虹吸現象向下滲透。

接著，步驟(A2)，使用一可見光或一紫外光逐一地照射該複數切層投影圖像，而投影於該漿料上，固化並形成該模具胚件；重覆上述步驟，即逐層地重覆靜置步驟，並分別對複數切層投影圖像逐張地照射，使逐層固化，直至完成一模具胚件。

再者，於步驟(A3)中，清除胚件上未固化之雜料，例如以乙醇溶劑清洗胚件，使雜料脫離胚件。其次，步驟(A4)，加熱該模具胚件，使該模具胚件內所含之該光硬化樹脂和該溶劑脫脂。

此外，步驟(B)，燒結該模具胚件；於燒結施作前，本實施例係進行加熱步驟如後：耗時約30分鐘而從常溫加熱至約150℃；接著，耗時約10小時而從150℃加熱至約450℃；又，耗時約1.5小時而從450℃加熱至約600℃。據此，透過高溫加熱，可使胚件內所含之光硬化樹脂和溶劑蒸發，進而僅保留精密陶瓷粉末所構成之胚件。最後進行本實施例之燒結步驟：使用約1400℃對該模具胚件進行燒結，燒結時間為約1~3小時，使該模具胚件未完全瓷化緻密，燒結後之該模具胚件的吸水率約為20~50%。

最後，步驟(C)，形成補充模層3，即於燒結後並經冷卻之模具胚件外塗敷石膏作為補充模層3。然而，以石膏作為補充模層3之目的在於，除可增加吸水效果外，並可減少陶瓷模層2之厚度，降低成本及模具生產工時，又可增加整體強度，以及方便生產操作。

請參閱圖3、及圖4，圖3係本發明一較佳實施例之泥漿澆鑄示意圖，圖4係本發明一較佳實施例之共燒作業示意圖。如圖中所示，本實施例之使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法主要包括以下步驟：首先，提供利用如上所製成之本實施例具精細紋路之陶瓷模具1。再者，如圖3所示，澆鑄泥漿於該陶瓷模具1之模穴內，待其稍微固化成型後，並形成一泥胚4，而該泥胚4之含水率為25%至50%即可；其中，圖3所顯示為上模11。

接著，結合上模11和下模12，並移除模心13後，共燒該陶瓷模具1(上模11及下模12)和該泥胚4。然而，因為在陶瓷模具1的製造過程中，已先經過燒結，且共燒該陶瓷模具1和該泥胚4之共燒溫度係低於燒結該陶瓷模具1之特定溫度，基本上陶瓷模具1在與泥胚4的共燒過程中收縮率是微乎其微，然而泥胚4燒結後的收縮率約10%~20%，其遠大於陶瓷模具1之收縮率，相當有利於脫模，甚至會自動脫模。

再且，上述的共燒步驟中，其共燒溫度約1100℃，而共燒時間為約0.1~1小時。最後，即該泥胚4脫模而成一陶瓷件5，即如圖5所示。需要特別說明的是，本實施例中的共燒溫度，只要在上述陶瓷模具2完全瓷化緻密所需之溫度以下，且在使泥胚4素燒至達完全緻密之最低溫度以上即可。藉此，因陶瓷模具2仍保持未完全瓷化緻密之狀態，仍具備相當之吸水率，故可重複利用該陶瓷模具2，且在保持未完全瓷化緻密之狀態下，可無限次使用該陶瓷模具2，亦即該陶瓷模具2的壽命可大幅增長。

請參閱圖5，圖5係本發明一較佳實施例之陶瓷件立體圖。如圖中所示，透過如上所述之製造方法製成表面具精細紋路之陶瓷件5，即精細毛髮紋路之小兔子。更具體而言，如圖5所示之精細毛髮紋路，其部分毛髮具備倒角，以一般的傳統製程難以製造，但以本發明所提供之陶瓷模具和製造方法，將可輕鬆大量生產，且成本低廉。

綜上而論，本發明至少具備以下特點：

1.以三維積層製造陶瓷模具，可形成極精細的紋路，俾能製造出傳統手工或其他習知工序所難以企及的複雜物件。

2.省去傳統製程的公模，直接以三維積層製造陶瓷模具作為母模，大幅精簡製程，減少製程所耗時間和人力，可顯著降低成本。

3.陶瓷模具具備高強度、高硬度、膨脹及收縮率穩定等優異之物理特性，使用壽命長，且易清理。

4.可以燒結溫度來控制陶瓷模具之緻密度，亦即陶瓷模具之吸水率可依實際需求任意調控。

5.泥胚燒結前無需事先脫模，其可與陶瓷模具共燒，故無需等待泥胚固化成型，故可大幅縮短工時。

6.陶瓷模具可與泥胚共燒，又燒結後的泥胚因收縮可輕易脫模，且脫模過程將不會損及原本的精細紋路。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims

一種具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，包括以下步驟：(A)以三維積層製造形成一模具胚件；以及(B)燒結該模具胚件；其中，該模具胚件係以一特定溫度進行燒結，該特定溫度係低於1600℃，使該模具胚件未完全瓷化緻密，燒結後之該模具胚件的吸水率為10%以上。
如請求項1之具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，其中，該特定溫度係介於800℃至1600℃之間，燒結時間為1小時至24小時，燒結後之該模具胚件的吸水率係介於10%至70%。
如請求項1之具精細紋路之陶瓷模具的製造方法，其中，該步驟(A)中，該三維積層製造包括以下步驟：(A1)準備複數切層投影圖像、及一漿料；其中，該複數切層投影圖像係將該陶瓷模具之立體圖像沿其軸向或其徑向以一特定厚度切割而成；該漿料包括一精密陶瓷粉末、一光硬化樹脂、以及一溶劑；(A2)使用一可見光或一紫外光逐一地照射該複數切層投影圖像，而投影於該漿料上，而逐層地固化並形成該模具胚件；以及(A3)加熱該模具胚件，使該模具胚件內所含之該光硬化樹脂和該溶劑脫脂。
一種具精細紋路之陶瓷模具，包括一陶瓷模層，其係利用如請求項1至3中任一項之方法製造而成；該陶瓷模層包括一模內面、及一模外面，該模內面構成一模穴之至少一部份，該模內面之表面形成有一精細紋路。
如請求項4之具精細紋路之陶瓷模具，其更包括一補充模層，其係設置於該陶瓷模層之該模外面上。
如請求項5之具精細紋路之陶瓷模具，其中，該補充模層係由石膏所構成。
一種使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法，包括以下步驟：(A)提供一具精細紋路之陶瓷模具，其係利用如請求項1至3中任一項之方法製造而成；(B)澆鑄泥漿於該陶瓷模具之模穴內，並形成一泥胚；(C)共燒該陶瓷模具和該泥胚；以及(D)該泥胚脫模而成一陶瓷件。
如請求項7之使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法，其中，於該步驟(C)中，共燒該陶瓷模具和該泥胚之共燒溫度係低於該特定溫度。
如請求項8之使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法，其中，於該步驟(C)中，該共燒溫度係介於1000℃至1600℃之間，共燒時間為0.1小時至10小時。
如請求項7之使用具精細紋路之陶瓷模具生產陶瓷件的方法，其中，於該步驟(B)中，該泥胚之含水率為25%至50%。