楊君之 黃海發(fā) 李炯志 皮小萌 吳芝雄

(1 佛山市簡一陶瓷有限公司 廣東 佛山 528000)(2 清遠市簡一陶瓷有限公司 廣東 清遠 511500)

前言

陶瓷磚發(fā)展到今天，其裝飾手法基本為磚面裝飾。磚面裝飾方法主要有2種工藝：即布料和釉面印刷。布料工藝主要用于微粉拋光磚，圖案紋理在壓制工序中實現(xiàn)；釉面印刷適用于仿古磚、內(nèi)墻磚、滲花磚等產(chǎn)品，利用釉線工序的施釉、印刷完成。

1 當前布料技術(shù)狀態(tài)

目前布料方式總體上分為一次布料和二次布料。一次布料適合于做通體磚，適合單一坯料，一般沒有裝飾紋理(需要通過釉線工藝裝飾)；二次布料主要針對微粉拋光磚，通過微粉布料過程，在坯料層中產(chǎn)生紋理效果，具有裝飾功能。

微粉拋光磚二次布料技術(shù)出現(xiàn)在2000年左右，到目前為止，經(jīng)歷過三代的技術(shù)創(chuàng)新：第一代為反打微粉，以“虎皮斑紋”為代表的產(chǎn)品；第二代為正打微粉，以“聚晶玉”為代表的產(chǎn)品，呈現(xiàn)“蛋花湯”的石紋效果；第三代為線條微粉，品種繁多，主要代表產(chǎn)品有“納福娜”、“布拉提”等，石紋效果更加逼真。

目前行業(yè)中多數(shù)屬于第三代線條布料產(chǎn)品，通過若干級數(shù)的皮帶、管道和輥筒，將多種(通常3～4種)不同顏色的粉料進行先后混合，并控制混合的次序、程度，形成各種不同的紋理效果的微粉層(面料層)，然后與基礎(chǔ)坯料(底料層)復(fù)合，壓制成一體的陶瓷磚坯，總體上有以下特點和局限。

1)磚坯體由底層(基礎(chǔ)料)和面層(微粉層)復(fù)合而成，不能形成通體紋理(底層沒有紋理)，而且圖案效果會隨拋光深度發(fā)生變化。

2)微粉由普通坯料(噴霧顆粒)經(jīng)過粉磨而成，細度約為80目(0.18 mm)篩上料20%～30%，因此，容易產(chǎn)生揚塵，而且粉料流動性極差。

3)坯體中，面料約占厚度1/3，底料約占厚度2/3，微粉層的厚度控制要求嚴格，太厚容易分層，太薄容易“露底”(拋光后)，因此，在回料時造成粉料浪費嚴重。

4)微粉布料時在4個邊容易形成紋理死角(紋理缺失)，因此，磚坯需預(yù)留量比較大，造成較多坯料浪費和固廢物的產(chǎn)生。以800 mm×800 mm規(guī)格磚為例，燒后預(yù)留尺寸為820～822 mm。

5)微粉圖案確定后，不能隨意調(diào)整裝飾紋理，往往某種型號的設(shè)備(布料車)只能滿足1種紋理圖案的生產(chǎn)，而且轉(zhuǎn)產(chǎn)程序復(fù)雜，耗費時間長，對生產(chǎn)的不穩(wěn)定性影響較大。傳統(tǒng)微粉二次布料原理圖見圖1。

圖1 傳統(tǒng)微粉二次布料原理圖

2 當前印刷技術(shù)狀態(tài)

在目前陶瓷行業(yè)中，釉面印刷裝飾工藝主要有平板絲網(wǎng)印刷、橡膠輥筒印刷和噴墨(打印)印刷3大類。

1)平板絲網(wǎng)印刷在陶瓷行業(yè)應(yīng)用最早，其技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣、顏色豐富飽滿，但分辨率低，另外容易產(chǎn)生色差。

2)橡膠輥筒印刷生產(chǎn)效率高、顏色豐富，能夠獲得連續(xù)而不重復(fù)的圖案，但轉(zhuǎn)產(chǎn)時間長，對釉漿性能要求高，不適用于干粉印刷。

3)噴墨印刷是近年來應(yīng)用于陶瓷行業(yè)的新技術(shù)，突出優(yōu)點是分辨率高、圖案清晰、色差小，且能夠適應(yīng)各種復(fù)雜圖案，可以通過電腦，隨時更換圖案，轉(zhuǎn)產(chǎn)方便，但設(shè)備投入大、對墨水要求高等。

隨著近年的技術(shù)進步，噴墨印刷技術(shù)不斷得到完善和提高，但總體上仍然存在一些局限，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)印刷厚度比較薄，著色能力比較弱，圖案視覺效果浮于表面、輕薄，不夠厚重，裝飾風(fēng)格比較單調(diào)。

2)目前主要著色材料仍然是液態(tài)墨水，墨水種類相對較少，而且還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)粉體、半固體狀等材料的噴墨打印。

3 技術(shù)創(chuàng)新設(shè)想

針對以上技術(shù)分析，我們大膽提出了技術(shù)創(chuàng)新設(shè)想，即一種突破磚面裝飾的局限，能夠?qū)崿F(xiàn)有全通體裝飾效果的新技術(shù)。第一，將行業(yè)外的打印成形原理應(yīng)用于布料技術(shù)中，創(chuàng)新一種三維打印布料(成形)技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微粉布料，實現(xiàn)磚坯全通體紋理效果；第二，將布料裝飾與釉面印刷裝飾相結(jié)合，并通過建立“素材數(shù)據(jù)庫”和開發(fā)操作系統(tǒng)，讓噴墨印刷和打印布料同時獲得關(guān)聯(lián)的圖案效果。

3.1 項目技術(shù)路線

本項目的技術(shù)創(chuàng)新路線為從布料(成形工序)和印刷(釉線工序)2條路線著手。第一條技術(shù)路線是將打印成形原理應(yīng)用于粉體布料中，通過多管道打印裝置，將粉料在布料過程中預(yù)設(shè)圖案，以實現(xiàn)磚坯全通體紋理效果；第二條路線是通過預(yù)先建立的設(shè)計素材數(shù)據(jù)庫，在電腦操作系統(tǒng)支持下，將具有與布料相同紋理的圖案，運用噴墨印刷技術(shù)進行表面同步裝飾。項目創(chuàng)新的技術(shù)路線圖見圖2；項目技術(shù)創(chuàng)新原理圖見圖3。

圖2 項目創(chuàng)新的技術(shù)路線圖

3.2 項目主要研究內(nèi)容

本項目技術(shù)創(chuàng)新是一項系統(tǒng)工程，其研究內(nèi)容涉及到工藝全過程，以及包括工藝流程、素材收集、產(chǎn)品設(shè)計、原料選擇、配方研制、工藝參數(shù)、布料方法、電腦程序、干燥燒成、噴墨印刷、操作規(guī)程等多項工作內(nèi)容，重點突出以下幾個方面的工作。

3.2.1 產(chǎn)品設(shè)計

根據(jù)市場的消費需求，結(jié)合本項目技術(shù)的特點，產(chǎn)品具有全通體紋理的效果，對產(chǎn)品的外型、顏色圖案、性能及功能、鋪貼安裝、應(yīng)用效果等方面進行系統(tǒng)的設(shè)計，突破了以往只有表面效果的局限，充分利用紋理效果進行設(shè)計，并形成30多個花式品種。

3.2.2 坯釉配方研制

根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用材料的需要，本項目須在坯料基礎(chǔ)配方、顏色坯料配方、面釉配方等方面進行研發(fā)，以及對印刷墨水(成品)進行篩選，并針對花式品種需要，研制了近100個配方條目，成為數(shù)據(jù)庫的重要數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3.2.3 素材數(shù)據(jù)庫的建立

素材數(shù)據(jù)庫是打印布料和噴墨印刷操作系統(tǒng)的重要支持，通過聯(lián)動操作系統(tǒng)，產(chǎn)品可獲得打印布料、噴墨印刷表里一致的裝飾效果，素材數(shù)據(jù)庫的建立，包括素材收集、圖案數(shù)據(jù)化、顏色分解、色坯配方研制、色釉配方研制等工作，數(shù)據(jù)庫同時具有編輯、設(shè)計功能。

3.2.4 聯(lián)動操作軟件設(shè)計

打印布料與噴墨印刷均由同一電腦系統(tǒng)控制，當更換圖案紋理時能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外同步調(diào)整，使布料效果與噴墨印刷效果相一致，即裝飾效果一體化，因此，需要設(shè)計專用的電腦操作軟件，包括能夠?qū)崿F(xiàn)顏色(粉料、墨水)選擇、圖案深淺、線條粗細等指令。

3.2.5 3D打印布料技術(shù)研制

通過打印方式將多種顏色粉料按預(yù)設(shè)圖案紋理形成三維的布料效果，是本項目的核心技術(shù)之一，也是本項目的技術(shù)創(chuàng)新點。包括3項重點工作：①如何保證粉料良好的流動性，以滿足打印的流暢；②如何保證粉料成形中的排氣效果，避免坯體分層現(xiàn)象的出現(xiàn)；③如何疊層打印，且確保每個疊層的紋理連續(xù)。

圖3 項目技術(shù)創(chuàng)新原理圖

3.2.6 打印設(shè)備研制

打印布料設(shè)備是“多管道3D打印布料技術(shù)”實施的重要保障，也是本項目的另一個技術(shù)創(chuàng)新點。“無塵預(yù)混打印頭”是裝備研制的核心內(nèi)容，主要包括打印頭的功能結(jié)構(gòu)、打印頭三維運動軌跡、粉料傳輸與預(yù)混合裝置等的設(shè)計和制造。

3.3 項目關(guān)鍵技術(shù)

本項目對一系列的傳統(tǒng)工藝進行了技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)新面廣、程度深、科技含量高，突出在“多管道3D打印布料技術(shù)”、“無塵預(yù)混打印頭”、“釉坯同步復(fù)合裝飾工藝”三大技術(shù)創(chuàng)新點上。

3.3.1 多管道3D打印布料技術(shù)

“三維打印成形”是當今科技發(fā)展的前沿技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天、軍事、制造、醫(yī)療、藝術(shù)等領(lǐng)域，結(jié)合產(chǎn)品特征，如何進行實用性推廣，成為了各行業(yè)工程技術(shù)人員高度關(guān)注的熱點。

本項目正是“三維打印成形”技術(shù)在陶瓷磚生產(chǎn)中的實踐應(yīng)用。嚴格講，本項目還不是通過三維打印直接成形陶瓷磚，而是成形前的布料，或者稱為“預(yù)成形”，其目的是實現(xiàn)具有三維圖案紋理的粉料堆積，即“三維多管道打印布料技術(shù)”。

“多管道3D打印布料技術(shù)”的原理是同時實現(xiàn)多個打印頭的三維打印。通過設(shè)置6個打印頭在三維方向的運動，將最多6種單色(或預(yù)混顏色)的粉料，按照預(yù)設(shè)程序逐層打印在布料格柵(布料車)內(nèi)，無需刮平回作料。布料完成后，再將布料車送入壓磚機模腔內(nèi)壓制成形，從而獲得全通體、三維立體圖案(紋理)的坯體。多管道打印布料技術(shù)原理圖見圖4。

圖4 多管道打印布料技術(shù)原理圖

3.3.1.1 粉料的工藝設(shè)定

粉料沒有底料和面料之分，由多種性能相同、而顏色(單色或混合色)不同的粉料按設(shè)計圖案規(guī)律構(gòu)成坯體。為了獲得良好的流動性，同時又使磚坯獲得清晰的圖案效果，粉料選擇細顆粒噴霧造粒粉料。

3.3.1.2 粉料輸送與混合

依據(jù)布料裝置的設(shè)計，設(shè)置6支打印頭，并分為2組，可同時最多打印6種粉料，每種粉料可以選擇1個顏色或1種混合顏色。根據(jù)產(chǎn)品樣式的設(shè)計要求，分為前期混合和布料車混合2種方式。

所謂前期混合是指2種或多種不同顏色的粉料在進入布料車前已經(jīng)進行混合，并可按照產(chǎn)品樣品要求確定混合程度，粉料之間沒有紋理過渡；所謂布料車混合是指粉料通過打印頭，按照樣品規(guī)律打印在布料車上自然過渡的方式，不同的粉料能夠形成一定的紋理圖案。

表2 粉料工藝指標比較

3.3.1.3 打印頭運動軌跡

依據(jù)布料裝置的設(shè)計，分2組共6支打印頭設(shè)置，每排(組)3支。打印頭之間的位置通過相對固定連接。打印頭可實現(xiàn)上下、前后、左右3個自由度的運動，以實現(xiàn)打印具有三維(3D)紋理效果。

表3 打印頭運動主要參數(shù)

表4 打印布料與傳統(tǒng)二次布料效果比較

*注：以上參數(shù)是900 mm×1 200 mm規(guī)格產(chǎn)品的布料參數(shù)。

打印頭從前往后、從左往右、從下往上逐層打印，磚坯厚度方向上最多可打印6層。由于磚坯的厚度尺寸相對平面較薄，而且粉料具有比微粉料更優(yōu)越的流動性，從而可獲得層面之間的圖案連續(xù)而無分界的效果，并且基本消除周邊死角位置。

3.3.2 無塵預(yù)混打印頭

布料裝置是“多管道3D打印布料技術(shù)”的基礎(chǔ)硬件，其中打印頭的結(jié)構(gòu)是布料裝備裝置的核心技術(shù)。據(jù)有關(guān)資料報道，曾有佛山企業(yè)在二次布料(微粉)領(lǐng)域中，采用與本項目技術(shù)相似的噴粉打印，但由于使用的是微粉料，流動性極差，無法通過狹小的噴嘴而自然流下，為此必須以輔助壓縮空氣，即噴粉布料，其實質(zhì)與本項目的技術(shù)有明顯不同之處。這種工藝存在2方面的明顯缺陷：①由于壓縮空氣的作用，粉塵擴散嚴重影響職業(yè)環(huán)境；②噴粉氣流作用，會破壞原有布料紋理，影響圖案的精度，會造成紋理模糊。

本項目采用的是噴霧干燥粉料(較普通噴霧料顆粒更細一些)，具有良好的流動性，不需要壓縮空氣輔助，完全是利用粉料自身重力作用而實現(xiàn)自然下行。粉料可多可少，紋理可粗可細，圖案可大可小，調(diào)整自如。

圖5 打印頭結(jié)構(gòu)示意圖

打印頭是由一個錐形的筒體、電磁閥、工頻震動器、連接管道等部件組成，電磁閥安裝在打印頭入料口，用于控制粉料流量，按預(yù)先設(shè)定的紋理圖案通過操作系統(tǒng)進行程序控制，操作系統(tǒng)根據(jù)所選擇的產(chǎn)品花式圖案，自動從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)的執(zhí)行參數(shù)指令，通過控制粉料的多少實現(xiàn)紋理線條的粗細；工頻震動器安裝在每個打印頭的前端，主要用于防止粉料的堵塞。打印頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

目前打印頭出料口徑設(shè)有8 mm、20 mm、50 mm 3種規(guī)格，可以根據(jù)圖案紋理的粉料用量，選擇不同出料口徑的打印頭。實際上，根據(jù)產(chǎn)品花式的需要，還可以設(shè)定更多規(guī)格口徑的打印頭。打印頭采用易裝卸式安裝，便于生產(chǎn)線的花式品種轉(zhuǎn)換。

表5 打印頭主要工作參數(shù)

3.3.3 釉坯同步復(fù)合裝飾工藝

如前面所述，在目前行業(yè)中，主要有2類裝飾工藝。即布料和釉面印刷，布料工藝主要用于微粉拋光磚，圖案紋理在壓制工序中實現(xiàn)；釉面印刷適用于仿古磚、內(nèi)墻磚、滲花磚等產(chǎn)品，利用釉線工序的施釉、印刷完成。

目前應(yīng)用布料工藝必須相應(yīng)使用拋光工藝(拋光磚)，因為布料后的紋理在磚坯表層的內(nèi)部，必須通過拋光、剝?nèi)ケ砻?.5～1 mm厚度后才能獲得裝飾紋理，否則圖案無法顯示。為此不但造成了能耗的增加，水資源、原材料的浪費，而且產(chǎn)生了大量的固體廢物(拋光廢渣)，造成環(huán)境污染。微粉布料(拋光磚)圖案顯示原理圖見圖6。

圖6 微粉布料(拋光磚)圖案顯示原理圖

本項目創(chuàng)新性地在行業(yè)中，第一次同時采用布料與釉面印刷進行復(fù)合裝飾——釉坯同步裝飾工藝。實現(xiàn)產(chǎn)品釉和坯(表和里)同時獲得圖案紋理效果，該技術(shù)不但避免了必須采用后期拋光切削才能獲得布料紋理的局限，而且有效地避免了大量固廢物的產(chǎn)生，使磚坯表面獲得了更加精細、準確、逼真的圖案效果(見圖7)。

圖7 本項目“釉坯同步裝飾”產(chǎn)品原理圖

坯層裝飾采用了本項目的“三維打印布料技術(shù)”進行布料，釉面裝飾則采用具有“簡一”獨特優(yōu)勢的釉中彩印刷，根據(jù)圖案需要可以采用噴墨印刷，也可以采用輥筒印刷或者平面絲網(wǎng)印刷。

如何使印刷的圖案與坯體布料的紋理在風(fēng)格、顏色、粗細等方面相一致和相連續(xù)，是“釉坯同步裝飾工藝”需攻克的核心難題(見圖8)。

本項目通過建立一個“素材數(shù)據(jù)庫”，以及開發(fā)一個能夠同時支持布料和印刷控制的電腦操作程序軟件，實現(xiàn)布料與印刷程序的聯(lián)動。當生產(chǎn)調(diào)度輸入某個花式產(chǎn)品時，系統(tǒng)會自動選擇布料參數(shù)(色坯種類、打印頭軌跡、布料電磁閥開度等)，系統(tǒng)還會同時選擇相對應(yīng)的印刷參數(shù)(墨水種類、噴墨量等)，從而獲得釉(表)與坯(里)相一致的裝飾效果。

表6 素材數(shù)據(jù)庫收錄內(nèi)容

3.4 項目產(chǎn)品特征

運用本項目的創(chuàng)新技術(shù)，我們成功地設(shè)計和研發(fā)出“全通體大理石瓷磚”(“簡一”的第七代、第八代、第九代大理石瓷磚)系列花式30多款，產(chǎn)品在應(yīng)用性能、裝飾效果上也有重大的突破。

3.4.1裝飾效果創(chuàng)新

圖8 本項目“釉坯復(fù)合裝飾”控制原理圖

“全通體大理石瓷磚”的裝飾效果完全有別于目前市場上的陶瓷磚產(chǎn)品，主要的創(chuàng)新表現(xiàn)在2個方面。

1)由于采用了坯體布料、釉層印刷的同步復(fù)合裝飾，整個陶瓷磚里外，以及各個方向都獲得了圖案紋理，而且紋理是相同的、連續(xù)的，與天然石材完全一樣。

2)由于釉面采用的是釉下彩，面釉采用透明釉，因此，從表面上可以同時看到坯體紋理(里層)和釉層紋理(表層)，因此，立體感更強、更逼真。

3.4.2 產(chǎn)品平整度提升

由于“全通體大理石瓷磚”不需要采用二次布料工藝，其坯層結(jié)構(gòu)為通體同一配方材料，在高溫煅燒時，不存在層間應(yīng)力的產(chǎn)生，因此，產(chǎn)品的平整度得到較大提高。

表7 “全通體大理石瓷磚”與其他產(chǎn)品平整度比較

*注：表中"微粉拋光磚"數(shù)值為煅燒后、拋光加工前的數(shù)值。

3.4.3 應(yīng)用功能突破

對于傳統(tǒng)的普通陶瓷磚，只有1個表面具有裝飾圖案紋理，無法利用側(cè)面裝飾。而“全通體大理石瓷磚”卻具有三維通體紋理效果，所有的邊面均具有裝飾效果，在應(yīng)用功能上有了重大突破。

因此，“全通體大理石瓷磚”可通過切邊、拉槽、倒角或雕刻等加工，形成三維立體造型，有效地拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，提高產(chǎn)品的表現(xiàn)功能，任何剖面都有裝飾紋理(見圖9)。

圖9 全通體大理石瓷磚加工處理圖片

5 結(jié)語

本項目在“多管道3D打印布料技術(shù)”、“無塵預(yù)混打印頭”、“釉坯同步復(fù)合裝飾工藝”三大技術(shù)創(chuàng)新點上取得了重大突破，通過了省級科技成果鑒定，達到國際領(lǐng)先水平。

應(yīng)用該技術(shù)，設(shè)計和研制出“全通體大理石瓷磚”系列產(chǎn)品30多款，獲得了良好的經(jīng)濟效益。

項目的實施，也創(chuàng)造了良好的社會效益，不但有力地推動了行業(yè)的技術(shù)進步，而且為行業(yè)的清潔生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展提供了新的路徑、措施和技術(shù)支持。