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摘要 数字技术和快速成形技术在陶瓷生产中的应用越来越广泛，快速成形技术可用于设计方案验证、快速制模、快速制造等。本文阐述了数字技术和快速成形技术在陶瓷设计中的应用特点, 并以熔融沉积快速成形为例，阐述了数字技术和快速成形技术在陶瓷设计中的应用过程，并运用一个典型的应用实例加以分析说明。
关键词 陶瓷，快速成形，熔融沉积
1前 言
陶瓷材料具有的优良的高温性能、高强度、高硬度、低密度、好的化学稳定性, 使其在各行各业得到广泛的应用。但陶瓷难以成形的特点又限制了它的使用, 尤其是复杂陶瓷件的成形均借助于复杂的模具来实现。而复杂模具需要较高的加工成本和较长的开发周期, 而且 模具加工完毕后, 就无法对其进行修改, 这种状况越来越不适应产品的改进及更新换代。采用快速成形技术可以克服上述缺点。快速成形(Rapid Prototyping, 简称RP技术),是20 世纪80 年代中期兴起的高新技术, 它先将设计结果成形，分析验证、确认设计方案后再进行模具制造，避免因设计方案造成的模具修改，可在一定程度上降低产品开发的成本与风险。
2快速成形技术的原理和分类[1]
快速成形技术的本质是采用层积法三维实体, 在成形过程中, 先用三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型, 然后用分层软件对其进行分层处理, 即将三维模型分成一系列的层, 将每一层的信息传送到成形机, 通过材料的逐层添加得到三维实体件。
2.1 快速成形的方法与类型
目前, 比较成熟的快速成形方法有以下几种: 分层实体制造(Laminated Objected Manufacturing,简称LOM)、熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling,简称FDM)、形状沉积成形(Shape Deposition Modeling,简称SDM)、立体光刻(Stereo Lithography,简称SLA)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)、喷墨打印法(Inkjet Methods)。
2.2 熔融沉积造型(FDM)快速成形的原理
熔融沉积制造过程中，在计算机的控制下，快速成形系统根据工件截面的轮廓信息，挤压头可作X、Y方向的填充运动，工作台作Z（高度）方向的层叠运动。丝状热塑性材料（ABS、尼龙丝等）从送丝机构送至挤压喷头，在喷头内将熔丝加热到熔点后挤出并沉积在工作台上，经自然凝固成形。一层截面填充完成后，工作台下降一个高度，再填充另一层，直到零件完成。熔融沉积成形的原理如图1所示。FDM不使用激光器，系统成本较低，但由于喷头口径比较大，与激光成形相比，成形精度稍低，成形精度可达±0.1mm。
2.3 FDM快速成形机
FDM熔融层积成形机将三维模型数模分层，生成每层的模型成形路径和必要的支撑路径。材料的供给分为模型材料卷和支撑材料卷；相应的热融头也分为模型材料喷头和支撑材料喷头。热融头会把ABS材料加热至220℃，成熔融状态喷出，由于成形室保持在70℃，该温度下熔融的ABS材料既可以有一定的流动性又能保证很好的精度。
本文采用Stratasys公司的FDM快速成形机进行实验，采用Stratasys公司提供的成形软件Catalyst进行成形分层处理。利用三维模型的STL数据，选用ABS塑料快速地制作出实体模型。成形结果可进行外形、装配及功能性测试。快速成形件也可以应用在快速制造以及快速模具应用等领域。成形机使用高性能的工程材料，可进行具有复杂的几何形状模型的制作，不会产生翘曲、收缩，也不会吸收湿气。FDM快速成形机可应用于工业设计，应用在汽车、电子、玩具、消费产品、医疗、陶瓷和制鞋等行业。
3 应用FDM快速成形技术来制备陶瓷件
3.1 陶瓷件的三维建模[2]
运用C A D 进行陶瓷产品的设计，包括概念设计、结构设计、工艺设计，能更方便地实现产品类型和产品结构的标准化。在这个过程中，可采用成熟的三维参数化软件，如UGNX、Pro/E、SOLIDWORKS等，都能进行陶瓷产品的CAD建模。
图2是采用UGNX构建的陶瓷包装盒的底壳，它包含两个方面，上盖联结结构和主体结构。三维设计的主要几何参数包括与产品有关的尺寸、形状、连接，其形状可根据要求设计成不同外形。
3.2 快速成形的数据处理[3]
（1） 成形过程的步骤如下：
Catalyst4.0为Stratasys公司提供的成形处理软件，其具备以下功能：1）模型输入、显示检查实体和边界；2）调整模型的成形放置方向和位置；3）选择成形体的结构模式；4）成形控制数据的输出等。
（2） 成形参数的选择、堆积
成形材料分模型实体材料、支撑材料。本次试验采用可溶性支撑材料。堆积结构有实心和稀疏两种，通常情况下三维模型采用实心堆积，支撑部分用稀疏结构，可以节省支撑材料。
分别在Catalyst4.0软件的工作界面中设定框里选择成形精度、模型结构、支撑结构，便可进行成形堆积。执行后得到每层的堆积控制结果，Catalyst4.0软件可逐层显示每层的堆积路径，逐层检查路径的正确性，见图4、图5。
（3） 成形控制
分层堆积计算结果检查无误后，通过网络线将成形控制文件传送到成形机。成形机执行后得到每层的堆积控制结果，见图6、图7。
（4） 模型修正
完成成形过程，得到成形的零件后，需将支撑件去除。由于使用水溶性支撑，将模型浸泡于70℃左右的碱性溶液中，支撑材料便会溶解。然后，对模型表面进行打磨后,便得到完整的模型。
4 结论
以计算机辅助设计技术为核心的制造技术，必定会对陶瓷行业产生重大的影响。借鉴在其它行业中的成功经验，可将这些先进制造技术应用于陶瓷行业的实际生产中。快速成形技术能增强陶瓷产品的研发能力，缩短产品开发周期，降低开发与生产成本，加快新产品的更新换代，提高产品质量，能在激烈的竞争市场中取得优势，从而推动整个行业的迅速发展。
FDM快速成形技术可用于陶瓷制造中能分析验证设计方案，避免因设计方案的更改而造成的模具修改，降低产品开发的成本与风险，同时快速成形模型也可用于快速模具的制造。
参考文献
1 莫健华主编.快速成型及快速制模[M].北京:电子工业出版社,2006
2 王金明，张 洪，熊汉伟，张湘伟.虹吸式坐便器排污过程的数值模拟[J].中国陶瓷,2006,7
3 Dimension SST Manual.Stratasys,Inc.2005,7
关键词 陶瓷，快速成形，熔融沉积
1前 言
陶瓷材料具有的优良的高温性能、高强度、高硬度、低密度、好的化学稳定性, 使其在各行各业得到广泛的应用。但陶瓷难以成形的特点又限制了它的使用, 尤其是复杂陶瓷件的成形均借助于复杂的模具来实现。而复杂模具需要较高的加工成本和较长的开发周期, 而且 模具加工完毕后, 就无法对其进行修改, 这种状况越来越不适应产品的改进及更新换代。采用快速成形技术可以克服上述缺点。快速成形(Rapid Prototyping, 简称RP技术),是20 世纪80 年代中期兴起的高新技术, 它先将设计结果成形，分析验证、确认设计方案后再进行模具制造，避免因设计方案造成的模具修改，可在一定程度上降低产品开发的成本与风险。
2快速成形技术的原理和分类[1]
快速成形技术的本质是采用层积法三维实体, 在成形过程中, 先用三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型, 然后用分层软件对其进行分层处理, 即将三维模型分成一系列的层, 将每一层的信息传送到成形机, 通过材料的逐层添加得到三维实体件。
2.1 快速成形的方法与类型
目前, 比较成熟的快速成形方法有以下几种: 分层实体制造(Laminated Objected Manufacturing,简称LOM)、熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling,简称FDM)、形状沉积成形(Shape Deposition Modeling,简称SDM)、立体光刻(Stereo Lithography,简称SLA)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,简称SLS)、喷墨打印法(Inkjet Methods)。
2.2 熔融沉积造型(FDM)快速成形的原理
熔融沉积制造过程中，在计算机的控制下，快速成形系统根据工件截面的轮廓信息，挤压头可作X、Y方向的填充运动，工作台作Z（高度）方向的层叠运动。丝状热塑性材料（ABS、尼龙丝等）从送丝机构送至挤压喷头，在喷头内将熔丝加热到熔点后挤出并沉积在工作台上，经自然凝固成形。一层截面填充完成后，工作台下降一个高度，再填充另一层，直到零件完成。熔融沉积成形的原理如图1所示。FDM不使用激光器，系统成本较低，但由于喷头口径比较大，与激光成形相比，成形精度稍低，成形精度可达±0.1mm。
2.3 FDM快速成形机
FDM熔融层积成形机将三维模型数模分层，生成每层的模型成形路径和必要的支撑路径。材料的供给分为模型材料卷和支撑材料卷；相应的热融头也分为模型材料喷头和支撑材料喷头。热融头会把ABS材料加热至220℃，成熔融状态喷出，由于成形室保持在70℃，该温度下熔融的ABS材料既可以有一定的流动性又能保证很好的精度。
本文采用Stratasys公司的FDM快速成形机进行实验，采用Stratasys公司提供的成形软件Catalyst进行成形分层处理。利用三维模型的STL数据，选用ABS塑料快速地制作出实体模型。成形结果可进行外形、装配及功能性测试。快速成形件也可以应用在快速制造以及快速模具应用等领域。成形机使用高性能的工程材料，可进行具有复杂的几何形状模型的制作，不会产生翘曲、收缩，也不会吸收湿气。FDM快速成形机可应用于工业设计，应用在汽车、电子、玩具、消费产品、医疗、陶瓷和制鞋等行业。
3 应用FDM快速成形技术来制备陶瓷件
3.1 陶瓷件的三维建模[2]
运用C A D 进行陶瓷产品的设计，包括概念设计、结构设计、工艺设计，能更方便地实现产品类型和产品结构的标准化。在这个过程中，可采用成熟的三维参数化软件，如UGNX、Pro/E、SOLIDWORKS等，都能进行陶瓷产品的CAD建模。
图2是采用UGNX构建的陶瓷包装盒的底壳，它包含两个方面，上盖联结结构和主体结构。三维设计的主要几何参数包括与产品有关的尺寸、形状、连接，其形状可根据要求设计成不同外形。
3.2 快速成形的数据处理[3]
（1） 成形过程的步骤如下：
Catalyst4.0为Stratasys公司提供的成形处理软件，其具备以下功能：1）模型输入、显示检查实体和边界；2）调整模型的成形放置方向和位置；3）选择成形体的结构模式；4）成形控制数据的输出等。
（2） 成形参数的选择、堆积
成形材料分模型实体材料、支撑材料。本次试验采用可溶性支撑材料。堆积结构有实心和稀疏两种，通常情况下三维模型采用实心堆积，支撑部分用稀疏结构，可以节省支撑材料。
分别在Catalyst4.0软件的工作界面中设定框里选择成形精度、模型结构、支撑结构，便可进行成形堆积。执行后得到每层的堆积控制结果，Catalyst4.0软件可逐层显示每层的堆积路径，逐层检查路径的正确性，见图4、图5。
（3） 成形控制
分层堆积计算结果检查无误后，通过网络线将成形控制文件传送到成形机。成形机执行后得到每层的堆积控制结果，见图6、图7。
（4） 模型修正
完成成形过程，得到成形的零件后，需将支撑件去除。由于使用水溶性支撑，将模型浸泡于70℃左右的碱性溶液中，支撑材料便会溶解。然后，对模型表面进行打磨后,便得到完整的模型。
4 结论
以计算机辅助设计技术为核心的制造技术，必定会对陶瓷行业产生重大的影响。借鉴在其它行业中的成功经验，可将这些先进制造技术应用于陶瓷行业的实际生产中。快速成形技术能增强陶瓷产品的研发能力，缩短产品开发周期，降低开发与生产成本，加快新产品的更新换代，提高产品质量，能在激烈的竞争市场中取得优势，从而推动整个行业的迅速发展。
FDM快速成形技术可用于陶瓷制造中能分析验证设计方案，避免因设计方案的更改而造成的模具修改，降低产品开发的成本与风险，同时快速成形模型也可用于快速模具的制造。
参考文献
1 莫健华主编.快速成型及快速制模[M].北京:电子工业出版社,2006
2 王金明，张 洪，熊汉伟，张湘伟.虹吸式坐便器排污过程的数值模拟[J].中国陶瓷,2006,7
3 Dimension SST Manual.Stratasys,Inc.2005,7