一种采用3D打印技术制备宝玉石器件的方法与流程

本发明涉及到一种宝玉石器件的制备方法，尤其涉及一种采用3D打印技术制备宝玉石器件的方法。

背景技术：
宝玉石文化在我国由来已久，它宛如一片片落叶散落在中国五千年的文明厚土之上。宝玉石主要应用在饰品、印章、食器等领域，它不仅是人们物质财富的象征，更是人们精神的一种寄托。随着我国经济飞速发展，人们对宝玉石文化有着强烈的需求，对宝玉石器件的需求量也伴其增加。现有技术的天然宝玉石器件制作可使用机器，亦可使用手工，它往往需要经过切割、雕刻、打磨、抛光等工序处理。整体制作工序繁琐、要求苛刻、耗时过长，这就造成了宝玉石器件生产效率低下、成品率低。除此之外，在制作宝玉石器件过程中还会产生部分宝玉石下脚料。3D打印技术又称增材制造技术，它将传统材料的“去除”制造变化为“增加”制造，本质是基于分层-叠加原理，首先在三维造型软件中生成零件的三维模型，然后对其进行切片处理，把每层的信息输入到制造装备，通过材料的逐层堆积获得最终任意复杂结构的三维实体零件。选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)是3D打印领域中极具发展潜力的技术之一，它是采用激光有选择地分层烧结固体粉末材料，层层堆积成形所需形状的器件。选择性激光烧结技术最突出的优点在于它所使用的成形材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为选择性激光烧结技术的成形材料。由于宝玉石可方便的处理成固体粉末状材料，所以本发明所采用的3D打印技术正是选择性激光烧结技术。3D打印技术具有开发效率高、不需模具、可成形任意形状器件、成本低等诸多优势，而作为3D打印技术一种的选择性激光烧结技术除了具有3D打印技术优点之外，本身是无需设计和制造支撑系统的，这就使选择性激光烧结制得的器件很容易的与粉末材料分离而不损坏器件的形状。目前，吴小贤CN104802278A的专利涉及到利用选择性激光烧结型3D打印技术制备相关宝玉石器件。此专利依据玉器原料粉体配方，以有机蜡或铝溶胶作为结合剂，利用选择性激光烧结型3D打印技术打印出刚玉质、尖晶石质或锆质玉器，并用热处理对其致密化。吴专利中玉石原料粉体是人工配制而成，并未使用天然宝玉石的粉体，所以其最终制备的玉器在价值上大打折扣，而且该专利并未提及打印过程中具体工艺参数。

技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有制作宝玉石器件的缺点，提供一种采用3D打印技术制备宝玉石器件的方法。该方法工艺简单、生产效率高、成品率高、成本低，而且充分利用天然宝玉石材料，节约资源。本发明提供一种采用3D打印技术制备宝玉石器件的方法，包括如下步骤：步骤1.制备待3D打印的基料：将选定颗粒大小的宝玉石粉末与超细环氧树脂放在球磨机里混合1-3小时制得选择性激光烧结的基料。步骤2.3D打印基料及打印过程中工艺参数的控制：使用选择性激光烧结型3D打印机打印基料，这里打印是指激光依据电脑辅助设计的数字图形信息选择性的分层烧结粉末基料。在打印过程中预热温度为45-65℃、分层厚度为80-120um、激光功率为4-8W、激光填充间距为80-120um、激光填充速度为1600-2000mm/s。步骤3.烘箱烘烤：将成形好的坯体放在烘箱里烘烤，烘箱温度设定为90℃-100℃，烘烤1-3小时，待成形坯体冷却后，取出。步骤4.冷等静压处理：把包套包裹的成形坯体抽真空放入冷等静压机中致密化处理。步骤5.打磨、抛光处理：对于样品出现轻微的收缩，可以在计算机辅助设计器件三维数字图形时，依据材料收缩率，扩大三维数字图形的尺寸。而对于样品出现细微变形的尖锐处，则打磨处理还原原设计器件形状，最后再对整体样品进行打磨、抛光处理，即可得到最终的宝玉石器件。本发明使用的是天然宝玉石的粉体，特别是其下脚料的粉体；除此之外，本发明将对打印过程中的工艺参数作具体阐述，并用冷等静压方法对打印好的器件进行致密化，从而进一步提高了最终制备的玉器价值，本发明不仅适用于开采的块状天然宝玉石材料，而且更适用于现有技术制作宝玉石器件过程中产生的下脚料，尤其是针对后者，可以达到变废为宝的目的。附图说明图1为3D打印技术制备宝玉石器件的流程图；图2为选择性激光烧结型3D打印工作过程示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明一种采用3D打印技术制备宝玉石器件的方法，以打印宝玉石材质的印章为例进行说明，包括以下步骤：1.制备待3D打印的基料：80-120um的宝玉石粉末与超细环氧树脂放在球磨机里混合1-3小时制得选择性激光烧结的基料，这里的超细环氧树脂作为粘结剂。2.3D打印基料及打印过程中工艺参数的控制：使用选择性激光烧结型3D打印机打印基料，这里打印是指激光依据电脑辅助设计的数字图形信息选择性的分层烧结粉末基料。本实例中电脑辅助设计的印章三维图形，激光层层有选择的烧结步骤1所得的基料，最终成形印章坯体。在打印过程中，预热温度、分层厚度、激光功率、激光填充间距、激光填充速度这些工艺参数是影响成形坯体抗压强度、抗折强度、致密度大小的主要因素。为了得到质量最佳的成形坯体，这里的预热温度为45-65℃、分层厚度为80-120um、激光功率为4-8W、激光填充间距为80-120um、激光填充速度为1600-2000mm/s。图2是选择性激光烧结型3D打印工作过程示意图，采用的是HK320型号的成形机。3.烘箱烘烤：在步骤2中，虽然一定功率的激光可以熔化树脂使玉石粉末成形印章形状，但是在激光有选择的扫描基料过程中，树脂并没有完全熔化。为了使印章坯体中的树脂完全熔化，以提高坯体质量，需要把成形好的印章坯体放在烘箱里烘烤，烘箱温度设定为95℃左右，烘烤1-3小时，待成形印章坯体冷却后，取出。4.冷等静压处理：步骤3处理后的成形印章坯体抗压强度、抗折强度、致密度都不高，为了获得和天然宝玉石质地相差无几的玉石材质印章，需要对成形印章坯体进行致密化处理，冷等静压技术正好可以解决这个问题。在冷等静压中，成形印章坯体的棱角和棱边处易出现轻微的变形，为了减小这种变形，包裹成形印章坯体包套的制作是关键。为了使包套能够适应各种形状的成形坯体，这里使用的天然橡胶乳胶材料，即把成形印章坯体浸入天然橡胶乳胶中，形成弹性薄膜后，放入烘箱中烘干即可，其中烘箱的温度设定在75-85℃，最后把包套包裹的成形印章坯体抽真空放入冷等静压机中致密化处理。5.打磨、抛光处理：步骤4处理之后得到的印章样品整体上会出现轻微的收缩，同时样品棱角和棱边等尖锐处依旧会出现细微的变形。对于印章样品出现轻微的收缩，可以在计算机辅助设计印章三维数字图形时，依据材料收缩率，适当的扩大印章三维数字图形的尺寸给予解决。而对于印章样品出现细微变形的尖锐处，则需要打磨处理还原原设计的印章形状，最后再对整体印章样品进行打磨、抛光处理，即可得到最终的宝玉石材质的印章。