快速原型技术在青瓷设计中应用.doc

快速原型技术在青瓷设计中的应用摘要：通过研究与分析传统工业设计产品开发过程，运用基于三维打印（Three Dimensional Printing and Gluing,3DP）的快速成型技术，实现快速设计与制造开发模式。通过对龙泉青瓷的快速建模，实现青瓷快速设计、快速成型和快速制造，改变传统青瓷复杂设计与制作工艺，结合3D打印技术，提高青瓷产业制造效率，促进丽水地方的特色产业的快速发展。关键词：快速成型 RP&M前言:从20世纪90年代开始，市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费者需要日益主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。为此，自20世纪90年代以来，工业化国家一直在不遗余力地开发先进的制造技术，以提高制造工业的水平。计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代企业管理技术的发展日新月异，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就。快速成型（也称快速原型）制造技术（Rapid Prototyping & Manufacturing,RP&M)就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品模型或样品，无需传统的机械加工机床和模具。从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。1、 快速成型设计的特点及优越性快速成型设计的特点：、自由成型制造 一是指无需使用工具、模具而制作原型或零件，由此可以大大的缩短新产品的试制周期并节省工具、模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。、制造过程快速 从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原型，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快得多，大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。、添加式和数字化驱动成型方式 无论哪种快速成型制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。这种有CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统的原型制作过程，也决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。、技术高度集成 当落后的计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning,CAPP）一直无法实现CAD和CAM一体化的时候，快速成型技术的出现较好地填补了CAD和CAM之间的间隙。新材料、激光应用技术、精密伺服驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速成型技术的实现。、突出的经济效益 快速成型技术制作原型或零件，无需工具、模具。也与原型或零件的复杂程度无关，与传统的机械加工方法相比，其原型或零件本身制作过程的成本显著降低。该技术一出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。、广泛的应用领域 除了制造原型外，该技术也特别适合于新产品的开发、单件及小批量零件制造、不规则或复杂形状零件制造、模具设计与制造、产品设计的外观评估和装配检验、快速反求与复制，以及难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业具有广泛的应用，而且在材料科学与工程、医学、文化艺术及建筑工程等领域也有广阔的应用前景。快速成型技术的优越性：在产品设计和制造领域应用快速成型技术，能显著地缩短产品投放市场的周期，降低成本，提高质量，增强企业的竞争能力。具体而言，以下几方面能受益：、设计者受益采用快速成型技术之后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工具、模具及少量的产品。这将给设计者创造一个优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。、制造者受益制造者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至试制用的工具、模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工具、模具等的准备工作，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本和提高产品质量。推销者受益推销者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至少量产品，这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述和图样、样本来推销。所以快速成型技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。、用户受益用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品甚至少量产品，这使得用户能及时、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短的时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。2、 快速成型工作流程图3、三维打印快速成型三维打印快速成型技术因其材料较为广泛，设备成本较低且可小型化到办公室使用等，近年来发展较为迅速。三维打印快速成型工艺之所以称之为打印成型，是因为该种快速成型工艺是以某种喷头作为成型源，其运动方式和喷墨打印机的打印头类似，在台面上做X-Y平面运动，所不同的是喷头喷出的不是传统喷墨打印机的墨水，而是粘结剂、熔融材料或光敏材料等，基于快速成型技术基本的堆积建造模式，实现原型的快速制作。依据其使用材料的类型及固化方式，3DP快速成形技术可分为粉末材料三维喷涂粘结成型、熔融材料喷墨三维打印成型两大类工艺。三维喷涂粘结成型技术基本原理三维喷涂粘接快速成型工艺是有美国麻省理工学院开发成功的，它的工作过程类似于喷墨打印机。目前使用的材料多为粉末材料，如陶瓷粉末等，其工艺过程与SLS工艺类似。所不同的是，材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘结剂粘接的零件强度较低，还需后处理。后处理的过程主要是先烧掉粘结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化以提高强度。三维喷涂粘接工艺原理三维喷涂粘接快速成型工艺的特点、成本低 无需复杂昂贵的激光系统，设备整体造价大大降低。、材料广泛 根据使用要求，三维喷涂粘接快速成型使用的材料可以是常用的高分子材料、金属或陶瓷材料，也可以是石膏粉、淀粉及各种复合材料，还可以是梯度功能材料等。、成型速度快 成型喷头一般具有多个喷嘴，喷射粘结剂的速度比SLS或SLA单点逐线扫描快速得多。、安全性较好 成型过程中不使用激光器，无大量热量产生，使用过程安全性较好。、应用范围广 三维喷涂粘接快速成型技术在制造零件过程中可以改变材料，因此可以生产各种不同材料、颜色、力学性能、热性能组合的零件。三维喷涂粘接快速成型技术在制造模型是也存在着许多缺点，如果使用粉末材料，其模型精度和表面粗糙度比较差，零件易变形甚至出现裂纹等，模型强度较低，这些都是该技术目前需要解决的问题。三维喷涂粘接快速成型工艺过程、利用三维CAD系统完成所需要产生的零件的模型设计。、设计完成后，在计算机中将模型生成STL文件，并利用专用软件将其切成薄片。每层的厚度由操作者决定。在需要高精度的区域通常切的很薄。、计算机将每一层分成矢量数据，用以控制粘结剂喷射头移动的走向和速度。、用专用铺粉装置将陶瓷粉末铺在活塞台面上。、用校平鼓将粉末滚平，粉末的厚度应等于计算机切片处理中片层的厚度。、计算机控制的喷头按步骤的要求进行扫描喷涂粘接，有粘结剂的部位，陶瓷粉粘接成实体的陶瓷体，周围无粘结剂的粉末则起支撑粘接层的作用。、计算机控制活塞使之下降一定高度（等于片层厚度）。、重复步骤、四步一层层地将整个零件坯体制作出来。、取出零件坯，去除未粘接的粉末，并将这些粉末回收。、对零件坯进行后续处理，在温控炉中进行焙烧，焙烧温度按要求随时间变化。后续处理的目的是为了保证零件有足够的机械强度及耐热强度。用三维打印技术做的青瓷产品 4、 传统青瓷产业与三维喷涂粘结成型技术结合的意义和必要性 传统的青瓷产业加工手段属于密集型产业，依靠更多的是人力，在创新方面存在着很大的缺陷。随着青瓷工艺美术人才的缺失，面对越来越庞大的市场需求，青瓷产品的多样化发展成为制约青瓷产业前进的一个主要因素。在青瓷加工的前景即产品设计阶段，如何能在现有人才的基础上，满足庞大的市场多样化需求，成为急需解决的问题。而整个RP技术系统中的逆向工程、自由建模系统、三维打印技术的应用，将彻底解决目前市场上的产品多样化需求问题，朝着个性化订制的方向发展。在国外，瓷器的制作已经逐步应用到日用品行业，个人的个性化需求越来越明显。通过三维打印技术，可以快速的制作出满足个人订制需求的瓷器及工艺品等，利用传统的青瓷加工手段，结合先进的RP技术，可以大大缩减整个产品的加工时间，简化加工流程；可以把更多的工艺美术师从繁琐的传统设计中解放出来，也可以培养更多的工艺美术人才。5、 三维打印技术的市场潜力行业咨询公司“沃勒斯协会”提供的数据显示，三维打印技术的市场销售额已达17亿美元，且有望在2015年前升至37亿美元。作为三维打印技术的发明者和领头羊，“三维系统”公司2012年收益2.3亿美元，比前年增长四成多。公司设计的一款新型打印机“立方体”（Cube）定于2012年五月上市，其工作原理和“饶舌男”类似，应用程序则借鉴苹果公司产品，更方便顾客操作。它的自带程序里已预先装载大量物品设计图，比如棋子、首饰、厨具等，顾客无须学习复杂的三维设计软件，便可直接打印所需物品。此外，“立方体”还支持无线网络链接，顾客能从网站付费下载更多物品设计图：一只玩具大象收费4.99美元，一枚戒指10美元，一把剃须刀15美元。总部设在纽约的Shape ways公司是“三维系统”的有力竞争对手。这家公司走的市场路线与购物网站“亚马逊”类似：顾客通过网站上传自己设计的产品图，或订购现有的设计图，公司则按图打印产品，送货上门。在Shape ways的网站上，既有标价760美元的珊瑚造型台灯，也有只卖几美元的小饰品，还有一些仅三维打印技术才能制造出的稀奇玩意儿，例如类似俄罗斯套娃但不能打开的“套球”。Shape ways公司首席执行官彼得魏马尔肖森说，他们每个月售出大约10万件产品，其中最受欢迎的是珠宝首饰、苹果手机套和玩具火车。 美国麻省理工学院在1993年发明了3d打印技术，利用金属、陶瓷粉末，通过粘结剂再一起成型。美国华盛顿大学通过调整玻璃粉剂和粘合剂的混合比例与加热温度，研发出3d玻璃打印技术，可帮助建筑师测试哪种玻璃设计最适合哪种的环境。 上海理工大学在2007年，用石膏粉末、聚乙烯醇、白碳黑等配成浆料，通过3d打印技术打印出结构致密、尺寸变形量小的石膏模具。西北工业大学在2013年以硅粉为原料，糊精为粘结剂，采用3d打印技术制备出多孔硅坯体，通过反应烧结得到高孔隙率的螺钉、螺母等氮化硅陶瓷部件。6、 发展趋势 陶瓷3D打印技术具有成型速度快、可打印复杂部件、个性化产品成本低等优点，将来可用于制备光纤连接器用的陶瓷插针、电子陶瓷器件、多孔陶瓷过滤件、陶瓷牙齿等尺寸小、形状复杂、精度高的产品。陶瓷3d打印技术在日用及建筑卫生陶瓷领域也有巨大的潜力，如艺术品陶瓷的个性化制备、浮雕状腰线砖的快速打印、洁具模具的制造、特殊形状陶瓷砖的样板订制等等。人工做一套卫生陶瓷的模具可能要花费一个月的时间，利用3d打印技术只需要一到两天。 与此同时，陶瓷3d打印技术的商业化还面临着一系列的问题：制造速度、产品的材料性能、机器和材料成本、成型精度及质量等等。如何有效地堆积出尺寸精确、结构复杂的陶瓷物件，烧结时复杂烧结体中残余应力如何消除，如何保证烧结出致密的陶瓷制品，以及如何制备更稳定的陶瓷墨水等一系列的技术难题都需要进一步解决。7、结语随着快速成型工艺技术的不断进步和完善，很大程度上是青瓷的制作周期大为减小，同时也能使青瓷越来越多样化，从更多意义上也满足了市场的需求和顾客的选择。将先进的RP技术应用于概念设计中方案的实现无疑将利于整个产品的开发，使概念设计更加趋向合理。虽然增加了产品在概念设计阶段的费用，但从整个产品的设计的过程来说是有利的，并且将大大减少产品实现阶段的费用。快速成型技术是一种正在不断完善的先进制造技术，具有广泛的应用前景。目前RP 技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛，我国仅仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了快速成型机，但是在质量和数量以及应用领域方面，都比不上国外。如果青瓷的设计制作结合快速成型技术，再加以完善，它的市场前景是不可估量的。总之快速成型技术（RP）是当今制造业赢得市场的法宝，快速成型技术以其独特的优势和魅力，在制造业领域起到越来越