一种基于3D打印的青铜器艺术品的制造方法与流程

文档序号:19736067发布日期:2020-01-18 04:28阅读:636来源:国知局

本发明属于青铜器艺术品3d打印领域,特别是一种基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法。



背景技术:

编钟是我国传统的礼乐重器,是中国古代社会国家声音的载体和象征。在数千年的发展历程中,编钟不仅凝聚了中华民族的精神智慧,同时也记载了每一历史时期人类社会对传统文明的创新追求!湖北省出土的曾侯乙编钟,被称为“稀世珍宝”、“世界奇迹”,代表了人类青铜文化发展的巅峰,是中华民族对世界文明发展史的伟大贡献,是湖北先民、荆楚文明对中华文化的伟大贡献。制作一批工艺美术珍品,使中华民族的优秀编钟文化得以发扬,是国家工业和信息部、财政部对文化产业明确提出的要求。

传统铸造青铜编钟时,设计研发流程为参考考古编钟实物,美工雕刻师使用石蜡手工雕刻编钟纹饰和钟体。设计师每设计研发一组编钟就需要一组蜡模,而每一组编钟中的每个编钟都是由多名美工雕刻师设计研发而成的。由于每个美工雕刻师在技术等方面的差异性,造成同一组内编钟的纹饰风格和复仿效果参差不齐,影响整体产品的品质,同时效率低下,远远不能满足市场需求。

3d打印(3dp)即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3d打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的,常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(aec)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

现有技术中,论文《基于3d扫描及3d打印的大晟钟一体化设计制造》(唐剑隐,机械工程与自动化,2019(2))中公开了采用3d打印技术一体化设计制造山东曲阜“大晟钟”的新技术,该技术采用先手工精雕一个模板钟,钟体、纹饰全部使用三维扫描,输出钟体和纹饰的三维点云数据,针对钟体和纹饰不同的设计要求对点云数据进行精修设计后建立实体数据模型并按尺寸要求等比例放缩出整组大晟钟的数据模型,输入3d打印机进行原模打印,利用打印原模进行一体化翻模浇注。该技术仍然需要先制作一个蜡模,然后进行翻模浇注,工序复杂,对操作人员技术要求高,制作出的工艺品质量不稳定,不能最真实,最原始地反映出土的原青铜器艺术品的细节,尤其是青铜器表面天生存在的缺陷,或是环境对青铜器造成的磕碰、损伤和腐蚀,这也一定程度上加大了仿制古代青铜器艺术品的难度。

随着3d打印技术的发展,市面上出现了专门用于直接3d打印的扫描的金属粉体,例如专利cn108796297a提供了一种直接用于3d打印的高强度高韧性铜镍锡合金原料,通过将铜源、镍源、锡源、锌源、氧源进行球磨而成,采用激光熔融3d打印或电子束熔融3d打印,直接打印形成铜镍锡合金金属零件或工艺品成品,无需预先制备蜡模。然而铜等金属由于高导热、高反射等特性,对激光的吸收能力较差,大部分激光光束被反射,难以实现3d打印。又例如专利cn107983956a中,对金属粉料表面的性状进行改性处理,在金属粉料表面形成对红外激光吸收良好的中间物质层,以实现金属粉料被快速加热至熔点进行后续3d打印操作。因此,进一步研究铜合金材料的组分比例,或添加新的元素成分,或对现有合金金属粉的材料进行预处理,以解决上述问题,实现铜镍锡合金稳定地3d打印是值得深入探讨的。



技术实现要素:

针对以上现有技术的不足,本发明提供了一种基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法,通过对原料合金金属粉的预处理,改变了合金金属粉颗粒的表面结构,提升了合金金属粉对激光能量的吸收率,避免出现球结晶现象,减少被反射的激光光束能量,具体通过以下技术实现。

一种基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法,包括以下步骤:

s1、对青铜器原件进行3d扫描;

s2、进行青铜器原件点云数据的分析,以及剖面曲线的提取和拟合;

s3、基于剖面拟合曲线对青铜器原件建模;

s4、利用改性青铜粉进行3d打印,即得青铜器原件的艺术品;

上述制造方法中,所述改性青铜粉是将普通青铜粉进行表面糙化处理;再将表面糙化处理的青铜粉倒入石墨粉与水的混合液中搅拌,使表面糙化处理的青铜粉表面包覆一层石墨层后制得。所用的青铜粉为常见的材料,根据不同青铜器的性能要求,选用组分的种类和含量略有区别。

上述改性青铜粉经过对普通青铜粉的多重改性处理,使青铜粉表面形成凹凸不平的沟壑结构,粒度分布更加均匀,比表面积更大,青铜粉表面粗糙程度显著提升。激光照射到青铜粉表面后产生漫反射,有利于周围的青铜粉二次吸收漫反射的激光能量。通过在青铜粉表面包覆石墨层,则能进一步吸收更多的激光能量,并将吸收的激光的热量迅速传导至青铜粉内部,使其表面快速达到熔融状态。此外,不能先包裹石墨再进行表面糙化处理,因为普通青铜粉表面不容易包裹石墨粉,即使包裹石墨粉,在后续表面糙化时也容易脱落,影响包裹的石墨含量,进而影响青铜粉的激光吸收率,此外,包覆的石墨粉还会影响表面糙化的效果。因此,对青铜粉的表面糙化处理和包覆石墨,以及两者的处理顺序都是大幅提升青铜粉对激光的吸收率的关键,进而有利于后续3d打印,避免熔池出现球化现象。

优选地,所述石墨粉与水的混合液中,石墨浓度为4~10g/l。采用该石墨浓度的混合液能够使改性青铜粉表面的石墨含量达到最适状态。石墨含量过少,无法起到提升激光吸收率的最好效果,石墨含量过多,制造的青铜器艺术品的性能将会受到影响。

所述石墨粉与水的混合液中,石墨浓度为8g/l。

优选地,将表面糙化处理的青铜粉倒入石墨粉与水的混合液中搅拌的搅拌条件为1000rpm~1400rpm,10~20min。

更优选地,将表面糙化处理的青铜粉倒入石墨粉与水的混合液中搅拌的搅拌条件为1300rpm,12min。

优选地,将普通青铜粉进行表面糙化包括如下步骤:

q1、取多角型陶瓷颗粒、普通青铜粉混合,放入密闭的金属容器中;在金属容器中循环通入大流量惰性气体,形成气体涡流,普通青铜粉与多角型陶瓷颗粒在金属容器内随机自由碰撞;

q2、将金属容器置于带有可加热的炉室中,使粉升温到金属再结晶温度的40%,保温15~25min;然后取出并用筛分法去除多角型陶瓷颗粒,得到初级青铜粉;

q3、取初级青铜粉加至浓度为45~55%的氢氟酸溶液中,超声搅拌20~35s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥,得到表面糙化处理的青铜粉。

上述方法,首先利用青铜粉与多角型陶瓷颗粒在金属再结晶温度的40%的温度下的碰撞,使青铜粉表面呈现出凹凸不平的粗糙状态,随后利用中等浓度的氢氟酸对青铜粉表面进行腐蚀,使青铜粉的表面进一步产生沟壑结构。腐蚀过程中,氢氟酸的浓度,超声波的功率以及腐蚀的时间是影响青铜粉腐蚀效果的关键。氢氟酸浓度过低,超声波功率过大,腐蚀时间过长,都会造成过度腐蚀,影响金属粉的流动性;氢氟酸浓度过高,超声波功率过小,腐蚀时间过短,又会造成腐蚀不足,在青铜粉表面涂覆的石墨粉的量过少,无法起到提升激光吸收率的最好效果。经过上述多次改性后的青铜粉,其表面粗糙的结构使得激光照射在表面形成漫反射,更容易被周围的青铜粉吸收;并且由于青铜粉自身表面腐蚀后的沟壑的作用,进入沟壑的激光光束也更容易被吸收。

此外,先用多角型陶瓷颗粒碰撞,再用氢氟酸腐蚀的顺序也不能改变。若先经过氢氟酸腐蚀再用多角型陶瓷颗粒碰撞,容易造成青铜粉表面强度不高而碎裂,引起青铜粉粒径在较大范围内波动,影响了石墨的包裹和对激光的漫反射,严重影响后续3d打印的精度。总的来说,采用上述技术对普通青铜粉进行表面糙化,更有利于石墨包覆在青铜粉表面,提高青铜粉对激光的吸收率。

更优选地,步骤q1中通入的惰性气体为氩气,通入的流量为300~450l/min。

更优选地,步骤q3的氢氟酸浓度为48%,超声搅拌的时间为30s。

优选地,上述所述基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法中,步骤s2具体为:

s21、利用geomagic、cad、solidworks软件,在青铜器原件点云数据的基础上分段截取青铜器原件的剖面曲线,通过cad分别拟合剖面曲线;

s22、按青铜器原件的高度尺寸从上到下将青铜器原件均分成四等份,使用geomagic软件得到青铜器原件点云数据4个剖面曲线并输出到cad软件中,在cad中分别对4个剖面曲线进行拟合。

优选地,上述所述基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法中,步骤s3具体为:基于青铜器原件四等份点和与之对应的剖面曲线,使用solidworks构建青铜器原件的三维实体模型。

与现有技术相比,本发明的有益之处在于:本专利通过选用经过表面糙化、包覆石墨等多重特殊工艺改性的青铜粉,显著提升了改性青铜粉对激光的吸收率,避免了3d打印时的熔池出现球化现象,使得整个3d打印过程更稳定,所需要的激光器功率相对更小;采用本专利的3d打印的制造方法制备出的青铜器艺术品,对原件的复仿效果更好。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。

以下实施例和比较例,以山东曲阜的“大晟编钟”为青铜器原件,高27.5cm,宽18cm,重约6kg,所用的青铜粉中的组分按质量百分比包括:sn15%,ni5%,co2%,铜余量;

所述青铜粉分别取铜源、锡源、镍源、钴源采用市面上常规的制备方法制备即可;或直接采购由生产商按照上述组分配方定制生产而成的青铜粉,粒径d50为37.2μm,d90为55.9μm。

山东曲阜的“大晟编钟”的制造方法具体为:

s1、对“大晟编钟”进行3d扫描,优选地使用德国蔡司cometl3d-2系列蓝光扫描仪对“大晟编钟”原件进行3d扫描;

s2、使进行“大晟编钟”原件点云数据的分析,以及剖面曲线的提取和拟合,具体为,利用geomagic、cad、solidworks软件,在“大晟编钟”原件点云数据的基础上分段截取“大晟编钟”原件的剖面曲线,通过cad分别拟合剖面曲线;按“大晟编钟”原件的高度尺寸从上到下将“大晟编钟”原件均分成四等份,使用geomagic软件得到“大晟编钟”原件点云数据4个剖面曲线并输出到cad软件中,在cad中分别对4个剖面曲线进行拟合;

s3、基于“大晟编钟”原件四等份点和与之对应的剖面曲线,使用solidworks构建“大晟编钟”原件的三维实体模型;

s4、利用改性青铜粉,使用广东汉邦激光科技有限公司生产的金属3d打印机进行3d打印,即得“大晟编钟”原件的艺术品。

以下实施例和对比例所用的青铜粉,组分按质量百分比包括:sn14%,ni5%,co2%,铜余量。

实施例1

本实施例的基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法中,改性青铜粉的制备方法为:

(1)按质量百分比称取纯铜粉、纯镍粉、纯锡粉、纯钴粉进行熔炼,制粉得到普通青铜粉;

(2)取多角型陶瓷颗粒混合,放入密闭的金属容器中;在金属容器中循环通入大流量氩气,通入的流量为400l/min,形成气体涡流,普通青铜粉与多角型陶瓷颗粒在金属容器内随机自由碰撞;

(3)将金属容器置于带有可加热的炉室中,使粉升温到普通青铜粉的金属再结晶温度的40%,保温20min;然后取出并用筛分法去除多角型陶瓷颗粒,得到初级青铜粉;

(4)取初级青铜粉加至浓度为48%的氢氟酸溶液中,超声搅拌30s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥;得到次级青铜粉。

(5)将石墨粉与水均匀混合均匀制备成浓度8g/l的混合液,倒入步骤(4)所得次级青铜粉搅拌,搅拌条件为1300rpm,12min;取出青铜粉热风干燥,即得改性青铜粉。

本实施例所用的金属3d打印机的参数为:激光功率300w,扫描速度1100mm/s,扫描间距0.04mm。

实施例2

本实施例的的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(4)具体为:取初级青铜粉加至浓度为45%的氢氟酸溶液中,超声搅拌20s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥;得到次级青铜粉。

实施例3

本实施例的的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(4)具体为:取初级青铜粉加至浓度为55%的氢氟酸溶液中,超声搅拌35s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥;得到次级青铜粉。

实施例4

本实施例的的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中石墨混合液的浓度为10g/l。

实施例5

本实施例的的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中石墨混合液的浓度为4g/l。

实施例6

本实施例的的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中搅拌条件为1400rpm,10min。

实施例7

本实施例的的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中搅拌条件为1000rpm,20min。

对比例1

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于,将实施例1的步骤(3)制备的初级青铜粉直接用于3d打印,而不进行表面石墨涂覆。

对比例2

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于,将实施例1的步骤(4)制备的次级青铜粉直接用于3d打印,而不进行表面石墨涂覆。

对比例3

本对比例的基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法中,改变了改性青铜粉制备时包裹石墨和表面糙化的顺序,具体制备方法为:

(1)按质量百分比称取纯铜粉、纯镍粉、纯锡粉、纯钴粉进行熔炼,制粉得到普通青铜粉;

(2)将石墨粉与水均匀混合均匀制备成浓度8g/l的混合液,倒入步骤(4)所得普通青铜粉搅拌,搅拌条件为1300rpm,12min;取出青铜粉热风干燥,即得初级青铜粉;

(3)取多角型陶瓷颗粒混合,放入密闭的金属容器中;在金属容器中循环通入大流量氩气,通入的流量为400l/min,形成气体涡流,取步骤(2)所得初级青铜粉与多角型陶瓷颗粒在金属容器内随机自由碰撞;

(4)将金属容器置于带有可加热的炉室中,使粉升温到初级青铜粉的金属再结晶温度的40%,保温20min;然后取出并用筛分法去除多角型陶瓷颗粒,得到次级青铜粉;

(5)取步骤(4)所得次级青铜粉加至浓度为48%的氢氟酸溶液中,超声搅拌30s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥;最终得到改性青铜粉。

本实施例所用的金属3d打印机的参数为:激光功率300w,扫描速度1100mm/s,扫描间距0.04mm。

对比例4

本对比例的基于3d打印的青铜器艺术品的制造方法中,改变了普通青铜粉进行表面糙化时用多角型陶瓷颗粒碰撞和用氢氟酸腐蚀的顺序,具体制备方法为:

(1)按质量百分比称取纯铜粉、纯镍粉、纯锡粉、纯钴粉进行熔炼,制粉得到普通青铜粉;

(2)取普通青铜粉加至浓度为48%的氢氟酸溶液中,超声搅拌30s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥;得到初级青铜粉。

(3)取多角型陶瓷颗粒混合,放入密闭的金属容器中;在金属容器中循环通入大流量氩气,通入的流量为400l/min,形成气体涡流,初级青铜粉与多角型陶瓷颗粒在金属容器内随机自由碰撞;

(4)将金属容器置于带有可加热的炉室中,使粉升温到初级青铜粉的金属再结晶温度的40%,保温20min;然后取出并用筛分法去除多角型陶瓷颗粒,得到次级青铜粉;

(5)将石墨粉与水均匀混合均匀制备成浓度8g/l的混合液,倒入步骤(4)所得次级青铜粉搅拌,搅拌条件为1300rpm,12min;取出青铜粉热风干燥,即得改性青铜粉。

本对比例所用的金属3d打印机的参数为:激光功率300w,扫描速度1100mm/s,扫描间距0.04mm。

对比例5

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(4)具体为:取初级青铜粉加至浓度为40%的氢氟酸溶液中,超声搅拌15s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥;得到次级青铜粉。

对比例6

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(4)具体为:取初级青铜粉加至浓度为60%的氢氟酸溶液中,超声搅拌40s,超声波输出功率为900~1000w,然后取出青铜粉用蒸馏水超声清洗,热风干燥;得到次级青铜粉。

对比例7

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中石墨混合液的浓度为12g/l。

对比例8

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中石墨混合液的浓度为8g/l。

对比例9

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中搅拌条件为1600rpm,8min。

对比例10

本对比例的技术方案与实施例1基本相同,不同之处在于步骤(5)中搅拌条件为800rpm,22min。

应用例1:实施例1~3、对比例1~6的原料(改性)青铜粉的粗糙度测定

对实施例1~7的改性青铜粉,对比例1的初级青铜粉,对比例2的次级青铜粉,对比例4~10的改性青铜粉分别进行粒度分布、比表面积测定,以此判断各自的原料的粗糙程度。若粒度分布d50与d90相差越大,说明原料的粒度分布越不均匀,对3d打印质量将会有明显不良影响;若比表面积越大,说明原料粉末的表面粗糙程度越大,存在的沟壑、凹凸结构越多,对石墨粉的吸附性以及对反射激光的重复吸收效果也更好。结果如下表1所示。

表1实施例和对比例的青铜粉的粗糙度

通过上表的数据对比可知,实施例1~3中,普通青铜金属粉先与多角型陶瓷颗粒进行碰撞,然后再用氢氟酸处理,最后涂覆石墨粉。最终制备的改性青铜粉,对比d50和d90可知其粒径分布均匀统一,比表面积相对明显增加,由此证明了改性青铜粉表面的粗糙度显著增强,粉末表面经碰撞和腐蚀产生的沟壑结构更多,对石墨粉的吸附性更强,对激光能量的吸收率更高。

对比例1只采用多角型陶瓷颗粒碰撞处理的初级青铜粉,由于碰撞大多只是简单改变了青铜粉表面的形状,形成了少量凹凸结构,但青铜粉的总体积和粒径并未产生较大变化,因此其粒度分布、比表面积远不如实施例。

对比例2选用的次级青铜粉,由于缺少石墨的包裹涂覆,其粗糙程度相对更明显,比表面积与实施例的改性青铜粉相当,甚至略强于实施例,但对激光吸收率会有一定影响(见应用例2)。

对比例3、4改变了改性青铜粉制备的工艺步骤的顺序,对比例3制备的原料由于石墨包裹涂覆在表面,影响了后期的多角型陶瓷颗粒碰撞和氢氟酸处理,最终导致比表面积较低。对比例4制备的原料由于先进行氢氟酸处理,在青铜粉表面产生了较多沟壑结构,青铜粉强度下降,在多角型陶瓷颗粒碰撞时容易碎裂形成粒径更小的青铜粉,这造成了粒径不统一,d50和d90相差过大,造成不同粒径原料对激光能量的吸收率不同,不利于后期3d打印效果,影响打印精度。

对比例5和6则由于氢氟酸的浓度和超声搅拌时间不同,制备的原料粒径和比表面积也不如实施例。

应用例2:对实施例1~7、对比例1~10的原料(改性)青铜粉的激光吸收率进行测定

取石棉板,将实施例1~7的改性青铜粉,对比例1的初级青铜粉,对比例2的次级青铜粉,对比例4~10的改性青铜粉分别均匀铺设在石棉板上形成青铜粉层,铺设厚度约3mm。对青铜粉层的激光反射率和吸收率进行测定,结果如下表2。

表2实施例和对比例的青铜粉层的激光反射率和吸收率

从上表可知,通过对比实施例1、对比例1、对比例2的数据可知,选用初级青铜粉(只采用多角型陶瓷颗粒进行青铜粉表面处理)和次级青铜粉(先后采用角型陶瓷颗粒和氢氟酸进行青铜粉表面处理)的效果明显不如改性青铜粉。

通过对青铜粉表面进行高温碰撞,然后腐蚀,使石墨能够深入到表面的沟壑中,三个步骤的共同作用,使改性青铜粉对激光的吸收率达到90%以上。

通过对比实施例1、对比例3、对比例4的数据可知,调整对青铜粉进行包裹石墨和表面糙化的先后顺序,或者调整对青铜粉表面糙化时用多角型陶瓷颗粒碰撞和用氢氟酸腐蚀的顺序,都会对最终的激光吸收率有明显影响。

通过对比实施例1~7、对比例6~10的数据可知,氢氟酸的浓度和超声搅拌的时间,石墨混合液的石墨浓度,搅拌的参数,都对最终的改性青铜粉的激光吸收率性能有显著影响。

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