TWI614122B

TWI614122B - 陶瓷成型物之三維列印製作方法及其組合物

Info

Publication number: TWI614122B
Application number: TW105117888A
Authority: TW
Inventors: 奚國元; 薛潔筠; 黃啟峰
Original assignee: 研能科技股份有限公司
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2018-02-11
Also published as: TW201742740A

Abstract

一種陶瓷成型物之三維列印製作方法，至少包括下列步驟：(a)以三維列印設備輸出欲成型物件之圖層資料；(b)該三維列印設備依據該圖層資料進行切層分析，以陶瓷組合物及噴印液體組合物層層堆疊列印出陶瓷成型物；(c)對該陶瓷成型物進行陰乾；(d)對陰乾後之陶瓷成型物進行素燒程序；(e)對素燒後之陶瓷成型物之表面塗補第二陶瓷粉；(f)將陶瓷成型物進行低中溫釉附著程序；以及(g)進行釉燒，以形成表面光滑之陶瓷成型物之成品。

Description

陶瓷成型物之三維列印製作方法及其組合物

本案係關於一種陶瓷成型物之製作方法，尤指一種陶瓷成型物之三維列印製作方法及其組合物。

陶瓷製品，主要是經過陶漿拉坯成型、風乾、上釉，最後經高溫燒結等一繁複程序，如此工序不僅具有複雜的流程步驟，且其間陶瓷製品的製造過程均需人工一一進行手工製造。如此以人為控制而製造的陶瓷製品，於進行原料的陶漿調配過程即為透過人工方式進行材料調配，然而此調配過程缺乏均一原料品質之管控流程，因此作出來之成品良莠程度當然也會有所差異；除此之外，在其後陶瓷製品的拉坯成型製程中，更會因每一操作者的經驗、手感以及美感程度之不同，而使其陶瓷製品細緻度有所不同，且即便是相同的操作者，其在製作不同的陶瓷製品時，亦難以避免會產生一定程度的差異。換言之，此耗費人力、時間成本而製作的陶瓷製品，往往會因為成品品質不一、耗費的時間長、人力成本高等諸多因素，而使得陶瓷製品的價格難以降低，當然，亦難以迎合消費者的喜好。

傳統製法中，如欲量產陶瓷製品，則需採用脫蠟石膏模之製作方法，以量產大批的陶瓷製品，其製作流程步驟係如第1圖所示，首先，會如步驟S11所述，需先取得所欲製造的陶瓷成型物的原圖，並依據該原圖資料，將之修改為一模形設計圖，其主要原因是因為陶土模形於製作過程中會產生收縮，是以需先將原圖修改，放大尺寸為原圖的15%，以進行模具製作，如此製作成型後之陶瓷物件的尺寸大小方能符合預期。其後，再如步驟S12所述，依據該修改後之模型設計圖、製作一原型模形，此原型模形是用以輔助後續的量產模具製作，是以於製作時需特別留意該原型模性的表面光滑度。當將原型模形的表面光滑度都修整完畢後，則再如步驟S13所述，依據該原型模形製作對應的陰模模具，其做法主要為將原型模形置中，以陶土或其他模型製作原料壓制、覆蓋部分該原型模形，以製作出型態與原型模形相對應之陰模模具，同時將該陰模模具拆分成複數塊陰模組件，以利於組裝、拆分以取出原型模形，且於此步驟中，陰模組件內部的表面光滑性需特別要求，且同時需留意並維持0.3%縮模設計之要求；之後，再如步驟S14所述，以該陰模組件複製並製作原型模形，同時注漿以製作出量產石膏母模，於此步驟中，量產石膏母模內部表面的光滑度亦需特別要求，因此需加以修整，同時其需具備不可吸收水分之特性；最後，再如步驟S15所述，將石膏母模置入陰模模具內，並將複數塊陰模組件組合、再注漿成型，如此以製作出陶瓷成型物件，於此步驟中，在注漿前需特別留意石膏母模突出部分需塗抹鉀肥皂，即為施以打蠟之程序，且陰模組件之內部需光滑、不吸水，方能製造出表面光滑的陶瓷成型物件。

於此習知製程中，雖說後續僅重複最後S15之步驟，即可量產製作陶瓷成型物件，然而於其製模過程中，其製作步驟的細節要求相當嚴謹，且製作過程均需一一耗費時間等待陰模模具、量產石膏母模成型，因此其不僅製作時間長、製作程序繁複、且同樣需要工匠的高超技藝以進行模具表面光滑度的修整，換言之，此習知的脫蠟石膏模製作方法仍是具備製程繁複、製作工時長、且技術難度高等問題。

是以，如何研發可降低製作難度、減少生產工時、進而以降低製作成本的陶瓷成型物之製作方法及其組合物，實為值得進一步研究之課題。

本案之主要目的在於提供一種陶瓷成型物之三維列印製作方法及其組合物，其主要藉由三維列印設備以陶瓷組合物及噴印液體組合物為成型材料，以層層堆疊列印出一坯體，其後再透過陰乾、素燒、於該陶瓷成型物表面塗補第二陶瓷粉、再進行低中溫釉附著程序及低溫釉燒，進而以形成表面光滑之陶瓷成型物之成品，俾解決習知技術中由於製作石膏母模的程序較為繁複、是以具備需耗費人力、製程繁複、製作工時長、且技術難度高等缺失，且透過三維列印技術直接成型出陶瓷成型物，可大幅節省製作石膏母模的工時，且其製程簡便、技術難度低、製作出的成品亦具備表面光滑之特性，俾利於大量量產陶瓷成型物。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種陶瓷成型物之三維列印製作方法，至少包括下列步驟：(a)以三維列印設備輸出一欲成型物件之一圖層資料；(b)該三維列印設備依據該圖層資料進行切層分析，以一陶瓷組合物及一噴印液體組合物層層堆疊列印出一陶瓷成型物；(c)對該陶瓷成型物進行陰乾；(d)對陰乾後之該陶瓷成型物進行一素燒程序；(e)對素燒後之該陶瓷成型物之一表面塗補一第二陶瓷粉；(f)將該陶瓷成型物進行一低中溫釉附著程序；以及(g)進行釉燒，以形成一表面光滑之陶瓷成型物之成品。

為達上述目的，本案之另一較廣義實施態樣為提供一種陶瓷成型物之組合物，包括：一陶瓷組合物，具有一第一陶瓷粉及一第一黏結劑；一噴印液體組合物，具有一非離子型界面活性劑、一多醇類化合物、一醚醇類化合物、一第二黏結劑、一抗菌劑以及一去離子水；以及一第二陶瓷粉。

S11~S15：習知脫蠟石膏模之製作方法之步驟
S21~S27：本案較佳實施例之陶瓷成型物之三維列印製作方法之步驟

第1圖為習知脫蠟石膏模之製作方法之流程圖。
第2圖為本案較佳實施例之陶瓷成型物之三維列印製作方法之流程圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

一般按陶瓷燒成溫度及工法可大致分為高溫陶瓷或低溫陶瓷，本案之陶瓷成型物主要透過三維列印所製作，透過三維列印設備可迅速且自動化地列印出陶瓷成型物之坯體，再搭配後續的陰乾、較低溫之素燒(800~1150℃)、塗補第二陶瓷粉及釉燒等程序，以製作出低溫陶瓷成型物，此製程方式無須採以人工一一製作石膏母模、於製作上更為簡便、有效率，同時亦能達到陶瓷成型物表面光滑不粗糙之要求，其詳細的製程及所採用之組合物詳述如後。

請參閱第2圖，第2圖為本案較佳實施例之陶瓷成型物之三維列印製作方法之流程圖。本案之陶瓷成型物即透過下列步驟以製成：首先，如步驟S21所述，先提供一三維列印設備，並透過該三維列印設備先輸出所欲成型物件之圖層資料；其後，如步驟S22所述，由該三維列印設備依據前述所欲成形物件之圖層資料進行一切層分析，以分析出其每一切層的外型輪廓，並再透過噴印陶瓷組合物及噴印液體組合物，進而以層層堆疊，並以三維列印出一陶瓷成型物之坯體，此時的陶瓷成型物(坯體)尚需經過後續處理方能提升其表面光滑度。故其後再如步驟S23所述，先將該陶瓷成型物放置一段時間，以進行陰乾，藉以去除陶瓷成型物的多餘水份；之後再如步驟S24所述，對陰乾後之該陶瓷成型物以溫度800~1150℃之溫度，進行一低溫素燒程序；並於素燒後，如步驟S25所述，再對素燒後之該陶瓷成型物之表面塗補第二陶瓷粉，此第二陶瓷粉可填補該陶瓷成型物之表面毛孔，使其表面完整平滑無缺陷；之後，則如步驟S26所述，以低於1200℃之溫度，對該表面塗補第二陶瓷粉之陶瓷成型物進行低中溫釉附著程序；最後，再如步驟S27所述，採用1050℃之溫度對該陶瓷成型物進行釉燒，進而以形成一表面光滑之陶瓷成型物之成品。如此一來，於本製程中，僅需透過三維列印設備即可自動化地三維列印出陶瓷成型物之坯體，並透過後續簡易的陰乾、素燒、塗補第二陶瓷粉及釉燒等程序，即可產出如同習知工藝的表面光滑之陶瓷成型物成品，且其中無需投入大量人力，且製程相對簡便、有效率、不僅可有效節省生產時間，更有助於大量量產陶瓷成型物。

又於本實施例中，該陶瓷成型物之組合物主要包含於步驟S22中，進行三維列印以列印出陶瓷成型物的成型材料，即為陶瓷組合物、噴印液體組合，以及於步驟S25中塗補表面之第二陶瓷粉，其中，陶瓷組合物具有第一陶瓷粉及第一黏結劑，噴印液體組合物具有非離子型界面活性劑、多醇類化合物、醚醇類化合物、第二黏結劑、抗菌劑以及去離子水，第二陶瓷粉則為由黏土、鉀長石及石英粉混合而成。以本實施例為例，該陶瓷組合物之第一陶瓷粉係由黏土、長石、石英混合以構成，且此三種原料之混合組成比例係各介於10至40重量百分比之間，且其粒徑細小於80μm，並可選用目前市面上的產品，且不以此為限。又，該第一陶瓷粉佔陶瓷組合物之混合比例係介於80至98重量百分比，意即該第一黏結劑佔陶瓷組合物之混合比例係介於2至20重量百分比，然於一些實施例中，第一黏結劑之最佳使用混合比例係為5至12百分比之間，且不以此為限。以及，陶瓷組合物之第一黏結劑係可選用水溶性高分子組合物，且其可為合成組合物或是天然組合物，均不以此為限，該第一黏結劑包含聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、阿拉伯膠、海藻膠、糊精、明膠、直鏈澱粉及支鏈澱粉之至少其中之一，其可任意選擇一種或兩種混合使用。以下列舉本案採用之三種不同成份比例之陶瓷組合物之實施態樣。

表格一陶瓷組合物之三種實施態樣

<TABLE borderColor="#000000" width="85%" border="1"><TBODY><TR><TD> 成份 </TD><TD>陶瓷組合物A (重量百分比) </TD><TD>陶瓷組合物B (重量百分比) </TD><TD>陶瓷組合物C (重量百分比) </TD></TR><TR><TD>黏土 </TD><TD>30 </TD><TD>34 </TD><TD>39 </TD></TR><TR><TD>鉀長石 </TD><TD>30 </TD><TD>34 </TD><TD>39 </TD></TR><TR><TD>石英粉 </TD><TD>30 </TD><TD>20 </TD><TD>10 </TD></TR><TR><TD>聚乙烯醇 </TD><TD>5 </TD><TD>0 </TD><TD>12 </TD></TR><TR><TD>阿拉伯膠 </TD><TD>5 </TD><TD>12 </TD><TD>0 </TD></TR></TBODY></TABLE>【0015】由前述三種實施態樣可見(如表格一)，第一黏結劑可選用單一種或是兩種水溶性高分子組合物混合以構成，至於第一陶瓷粉之黏土、鉀長石、石英粉之混合比例則介於10~40重量百分比之間，然該等混合比例係可依照實際施作情形而任施變化，並不以此為限。

於本實施例中，噴印液體組合物具有非離子型界面活性劑、多醇類化合物、醚醇類化合物、第二黏結劑、抗菌劑以及去離子水等成份(如表格二)，其中該非離子型界面活性劑係包括帶有乙氧基化炔二醇(Ethoxylated acetylenic diol)之有機化合物，例如：Surfynol440、Surfynol465、Surfynol485之至少一種所構成，且以本實施例為例，該非離子型界面活性劑佔該噴印液體組合物之0.5至2重量百分比。

又於一些實施例中，該多醇類化合物係可為但不限為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之至少其中之一，其係可選擇其中之一至三種單獨或混合使用，且該多醇類化合物佔該噴印液體組合物之2至20重量百分比。至於噴印液體組合物之醚醇類化合物，則選用帶有一至四個碳原子的直鏈結構，例如：二乙二醇醚、三乙二醇醚或四乙二醇醚之其中之一，但不以此為限，且其使用量係小於該噴印液體組合物之5重量百分比。於本實施例中，以該噴印液體組合物為基準，多醇類化合物與醚醇類化合物兩者加總之比例係低於20重量百分比，如表格二，包含1,5-戊二醇(1, 5-Pentanediol)及丙三醇(Glycerol)。

以及，於本案之噴印液體組合物中，其所採用的第二黏結劑亦同樣為一水溶性高分子組合物，且其可為合成組合物或是天然組合物，均不以此為限，該第二黏結劑包含聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、阿拉伯膠、海藻膠、糊精、明膠、直鏈澱粉及支鏈澱粉之至少其中之一，其亦可任意選擇一種或兩種混合使用。於本實施例中，該第二黏結劑佔該噴印液體組合物之0.5至5重量百分比，然於另一些實施例中，第二黏結劑之最佳使用混合比例係為0.5至2重量百分比之間，且不以此為限。又，於本案之噴印液體組合物中更具有抗菌劑及去離子水等成份，於本實施例中，抗菌劑佔噴印液體組合物之0.1至1重量百分比，且抗菌劑係可選用Proxel GXL或BIT 20，但不以此為限，並可加入去離子水以便調整各種成份的重量百分比。以下列舉本案採用之三種不同成份比例之噴印液體組合物之實施態樣如表格二。

表格二噴印液體組合物之三種實施態樣

<TABLE borderColor="#000000" width="85%" border="1"><TBODY><TR><TD> 成份 </TD><TD>噴印液體組合物A (重量百分比) </TD><TD>噴印液體組合物B (重量百分比) </TD><TD>噴印液體組合物C (重量百分比) </TD></TR><TR><TD>1, 5-Pentanediol </TD><TD>2 </TD><TD>5 </TD><TD>5 </TD></TR><TR><TD>Glycerol </TD><TD>8 </TD><TD>10 </TD><TD>10 </TD></TR><TR><TD>Diethylene glycol </TD><TD>0 </TD><TD>2 </TD><TD>5 </TD></TR><TR><TD>Surfynol485 </TD><TD>0.7 </TD><TD>0.7 </TD><TD>0.7 </TD></TR><TR><TD>Proxel GXL </TD><TD>0.1 </TD><TD>0.1 </TD><TD>0.1 </TD></TR><TR><TD>聚乙烯醇 </TD><TD>0.5 </TD><TD>0.5 </TD><TD>1 </TD></TR><TR><TD>H2O </TD><TD>88.7 </TD><TD>81.7 </TD><TD>78.2 </TD></TR></TBODY></TABLE>【0020】由前述三種實施態樣可見，多醇類化合物與醚醇類化合物兩者加總之比例係低於20重量百分比，然該等混合比例係可依照實際施作情形而任施變化，並不以此為限。

本案之陶瓷成型物之組合物中，更包含一第二陶瓷粉，該第二陶瓷粉之組成係與第一陶瓷粉相同，同樣由黏土、長石、石英混合以構成(如表格三)，惟其係採以特定比例混合而成，且主要用於在坯體之素燒程序後，將此第二陶瓷粉塗補於陶瓷成型物之表面上，供以使其表面完整無缺陷，且此特定比例混合而成之第二陶瓷粉經過後續的低溫熟成後，更可與陶瓷成型物的主坯體密合與貼合，進而提高陶瓷成型物表面的精緻度。以下列舉本案採用之三種不同成份比例之第二陶瓷粉之實施態樣。

表格三第二陶瓷粉之三種實施態樣

<TABLE borderColor="#000000" width="85%" border="1"><TBODY><TR><TD> 成份 </TD><TD>第二陶瓷粉A (重量百分比) </TD><TD>第二陶瓷粉B (重量百分比) </TD><TD>第二陶瓷粉C (重量百分比) </TD></TR><TR><TD>黏土 </TD><TD>35 </TD><TD>40 </TD><TD>45 </TD></TR><TR><TD>鉀長石 </TD><TD>35 </TD><TD>40 </TD><TD>45 </TD></TR><TR><TD>石英粉 </TD><TD>30 </TD><TD>20 </TD><TD>10 </TD></TR></TBODY></TABLE>【0023】由前述三種實施態樣可見，於本實施例中，其第二陶瓷粉之黏土、長石、石英等成份之組成比例各介於10至45百分比之間，但不以此為限。

綜上所述，本案所提供之陶瓷成型物之三維列印製作方法及其組合物，其係藉由三維列印設備以陶瓷組合物及噴印液體組合物為成型材料，進而層層堆疊列印出一陶瓷成型物，其後再透過陰乾、素燒、於該陶瓷成型物表面塗補第二陶瓷粉、再進行低中溫釉附著程序及低溫釉燒，進而以形成表面光滑之陶瓷成型物之成品，透過此三維列印技術係可自動化且有效率地直接成型出陶瓷成型物，不僅大幅節省製作石膏母模的工時，且採以此製作方法更使得陶瓷成型物的製程更為簡便、技術難度低、製作出的成品亦具備表面光滑之特性，俾利於大量量產陶瓷成型物。因此，本案之陶瓷成型物之製作方法及其組合物極具產業利用價值，爰依法提出申請。

縱使本發明已由上述實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

S21~S27：本案較佳實施例之陶瓷成型物之三維列印製作方法之步驟

Claims

一種陶瓷成型物之三維列印製作方法，至少包括下列步驟： (a) 以一三維列印設備輸出一欲成型物件之一圖層資料； (b) 該三維列印設備依據該圖層資料進行切層分析，以一陶瓷組合物及一噴印液體組合物層層堆疊列印出一陶瓷成型物； (c) 對該陶瓷成型物進行陰乾； (d) 對陰乾後之該陶瓷成型物進行一素燒程序； (e) 對素燒後之該陶瓷成型物之一表面塗補一第二陶瓷粉； (f) 將該陶瓷成型物進行一低中溫釉附著程序；以及 (g) 進行釉燒，以形成一表面光滑之陶瓷成型物之成品。
如申請專利範圍第1項所述之陶瓷成型物之三維列印製作方法，其中步驟(d)中之素燒程序係採用800~1150℃之溫度。
如申請專利範圍第1項所述之陶瓷成型物之三維列印製作方法，其中步驟(e)中之該第二陶瓷粉係包含黏土、鉀長石及石英粉。
如申請專利範圍第1項所述之陶瓷成型物之三維列印製作方法，其中步驟(f)中之低中溫釉附著程序係採用低於1200℃之溫度。
如申請專利範圍第1項所述之陶瓷成型物之三維列印製作方法，其中步驟(g)中之釉燒程序係採用1050℃之溫度。
一種陶瓷成型物之組合物，包括：一陶瓷組合物，具有一第一陶瓷粉及一第一黏結劑；一噴印液體組合物，具有一非離子型界面活性劑、一多醇類化合物、至少一醚醇類化合物、一第二黏結劑、一抗菌劑以及一去離子水；以及一第二陶瓷粉。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該第一陶瓷粉佔該陶瓷組合物之混合比例為80至98重量百分比，該第一黏結劑佔該陶瓷組合物之混合比例為2至20重量百分比。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該陶瓷組合物之該第一陶瓷粉係由黏土、長石、石英混合以構成，且其組成比例各介於10至40重量百分比之間。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該第一黏結劑係為一水溶性高分子組合物，包含聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、阿拉伯膠、海藻膠、糊精、明膠、直鏈澱粉及支鏈澱粉之至少其中之一。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該非離子型界面活性劑係包含乙氧基化炔二醇(Ethoxylated acetylenic diol)，且該非離子型界面活性劑佔該噴印液體組合物之0.5至2重量百分比。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該多醇類化合物係為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之至少其中之一，且該多醇類化合物佔該噴印液體組合物之2至20重量百分比。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該醚醇類化合物係選用包含一至四個碳原子的直鏈結構，且選用二乙二醇醚、三乙二醇醚或四乙二醇醚之其中之一，且其使用量係小於該噴印液體組合物之5重量百分比。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中以該噴印液體組合物為基準，該多醇類化合物與該醚醇類化合物加總之比例等於或小於20重量百分比。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該第二黏結劑係為一水溶性高分子組合物，包含聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮、阿拉伯膠、海藻膠、糊精、明膠、直鏈澱粉及支鏈澱粉之至少其中之一，且其佔該噴印液體組合物之0.5至5重量百分比。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該抗菌劑佔該噴印液體組合物之0.1至1重量百分比。
如申請專利範圍第6項所述之陶瓷成型物之組合物，其中該第二陶瓷粉係由黏土、長石、石英混合以構成，且其組成比例各介於10至45重量百分比之間。