form gipsowych do odlewania ceramiki,

Transkrypt

1 Grwerownie z pomocą lser CO 2 form gipsowych do odlewni cermiki ozdonej i specjlistycznej MGR INŻ. ROMAN GEBEL, MGR INŻ. BARBARA SYNOWIEC, DR INŻ. AGNIESZKA ANTOSIK ZAKŁAD DOŚWIADCZALNY ŚRODKÓW ZDOBNICZYCH, ODDZIAŁ CERAMIKI I BETONÓW INSTYTUTU CERAMIKI I MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH, UL. POSTĘPU 9, WARSZAWA mgr inż. Romn Geel Asolwent Wydziłu Chemicznego Politechniki Wrszwskiej n kierunku Technologi Chemiczn w 1995 r. Oecnie kierownik Zkłdu Środków Zdoniczych Instytutu Cermiki i Mteriłów Budowlnych. Zjmuje się m.in. oprcowywniem technologii pigmentów cermicznych do rwieni szkliw, emlii i ms gresowych. Pełni tkże funkcję Technolog i Specjlisty ds. Bdń i Kontroli Jkości. e-mil: r.geel@icim.pl SŁOWA KLUCZOWE cermik, formy gipsowe, zdoienie lserem KEYWORDS cermic, plster mold, lser decortion 1. Wstęp Gips, dzięki swym włściwościom znlzł szerokie zstosownie w wielu dziedzinch, tkich jk udownictwo, przemysł czy medycyn [1]. W przyrodzie spotykmy go pod postcią lstru, gipsu włóknistego, łuskowego, ścisłego i kmieni gipsowego [2]. Kżd z tych postci m różnego rodzju znieczyszczeni, które wpływją n włściwości uzysknego z niej gipsu. Do przygotowni form gipsowych wykorzystuje się gips przemysłowy [3], uzyskiwny z kmieni gipsowego zwierjącego 20,93% krystlicznie związnej wody, 32,56% tlenku wpni i 46,51 % ezwodnik kwsu sirkowego VI. Jest to uwodniony sirczn wpni o wzorze chemicznym CSO 4 2H 2 O. Wydoyw się go w koplnich głęinowych i odkrywkowych, nstępnie rozdrni, prży i miele n drony proszek w celu otrzymni gipsowego spoiw. Jego włściwością wykorzystywną w wielu dziedzinch jest możliwość ponownego łączeni się z wodą. Po nwodnieniu gipsu nstępuje jego rekrystlizcj z ponownym utworzeniem zwrtego mteriłu. Po wysuszeniu gips jest porowty i może wchłonąć do 40% wody w stosunku do swojej msy, co wykorzystuje się przy odlewniu wyroów cermicznych w formch gipsowych [4]. W rtykule przedstwiono wyniki dń mjących n celu stworzenie lterntywy dl powszechnie stosownych metod otrzymywni wyroów cermicznych z wypukłym wzorem n powierzchni (tkich jk: uzysknie ustrukturownych form gipsowych przez formę mtkę [5] czy mechniczną orókę gotowych form np. orirkmi CNC [6]), poprzez grwerownie form gipsowych do odlewów cermicznych z pomocą lser CO 2. Rys. 1. Połowy formy gipsowej do odlewni cermiki z zznczoną powierzchnią przeznczoną do zdoieni z pomocą lser (formy Cermiki Artystycznej w Bolesłwcu). STRESZCZENIE Zdno możliwość uzyskni grwerownych form gipsowych do odlewni cermiki, przez wykorzystnie rozkłdu termicznego dwuwodnego sircznu wpni z pomocą lser CO 2 model C fi rmy Coherent. Efektem zmierzonym mił yć możliwość szykiego uzyskni grwerownych form gipsowych z komputerowych projektów przygotownych progrmmi grfiki wektorowej 2D lu 3D typu CAD, pozwljąc n ntychmistowe regownie n potrzeę szykiego otrzymni wyroów w zleżności od potrze klient. Wstępnie zkłdno oprcownie przynjmniej jednego projektu 3D z rozłożeniem n wrstwy względem osi Z i przynjmniej jednego projektu, w którym głęokość w osi Z ędzie reprezentown przez odcienie szrości orzu. Jednk włściwości mteriłu pozwoliły n grwerowni tylko w jednym przeiegu lser. W wyniku otrzymno reliefy jednowrstwowe. Oprcown metod może yć upowszechnin wśród producentów stosujących formy gipsowe w swoich technologich. Dotyczy to np. producentów nczyń stołowych i producentów kfl i piecowych. SUMMARY Appliction of lser CO 2 to otin relief plster mold for decortive nd specilized cermics csting The pper presents results concerning the ppliction of fr infrred lser with wvelength of nm to prepre the relief plster molds for cermic csting. The gol of the work ws to otin the relief plster molds from 2D nd 3D computer projects prepred in CAD llowing for immeditely response to customer needs. Primry, the uthor ssumed to prepre t lest one 3D project with lyers divided y the Z xis nd t lest one project in which the depth in the Z xis will e represented y shdes of gry imge. However, the properties of mteril llowed for relief in only one lser run. As result, the one-lyer reliefs were otined. The developed method cn e disseminted mong the producers pplying the plster molds in their technologies e.g. producers of tlewre nd stove tiles. 12 Szkło i Cermik ISSN _6 SiC v13.indd :55:14

2 W literturze nukowej znleźć możn przykłdy zstosowni lser do zdoieni zrówno cermiki, jk i szkł poprzez lserowe nnoszenie minerlnych wrstw rwnych n ich powierzchnię [7 13] lu też do oróki różnego typu mteriłów, tkich jk: metl [14 15], drewno [16] czy cermik [17 18]. Producenci urządzeń do grwerowni lserowego wymieniją również grwerownie prefrykownych tynków gipsowych, umożliwijące uzysknie specyfi cznych efektów świtłocieni. Ntomist producenci wyroów cermicznych wykorzystujący formy gipsowe, nie odnoszą się do możliwości zstosowni lser CO 2 do pośredniego wykńczni swoich wyroów. Prezentowne wyniki dń mją spekt plikcyjny. Zstosownie lser CO 2 do grwerowni form gipsowych pozwl n ntychmistowe regownie n potrzey klient i szykie otrzymnie wyroów. Dotyczy to szczególnie zmówień n wytwrznie wyroów w młej skli. Z pomocą metod lserowych możn w sposó opłclny wytwrzć nwet pojedyncze wyroy. 2. Bdnie włściwości gipsu cermicznego Prce yły prowdzone przy zstosowniu lser CO 2 model C fi rmy Coherent o mocy do 40 W i długości fli nm (prcujący w zkresie dlekiej podczerwieni), ze sknerem glwnometrycznym RLA-1504 niemieckiej fi rmy Rylse. System służący do dekorcji skłdł się z: komputer sterującego prcą urządzeń, tj. lser i skner glwnometrycznego, skner kierującego wiązkę n soczewkę F-thet i dlej n oriny oiekt. Położenie powierzchni rooczej względem płszczyzny ogniskowej soczewki mogło yć płynnie regulowne w osi Z (stół śruowy). Prmetrmi krytycznymi ył tu oecność znieczyszczeń (wtrąceni o innych niż gips prmetrch termicznych, tkich jk przewodnictwo cieplne i ciepło włściwe, mogą wytwrzć wdy reliefu) i nsiąkliwość gipsu, któr w przypdku form gipsowych wytwrznych przemysłowo, ył niższ. Oecność wd i wtrąceń oceniono też z pomocą lser poprzez wyplenie kwdrtowego wzoru. N gipsie używnym do dń zoserwowno oecność dronych czrnych wtrąceń innego mteriłu, prwdopodonie mielników z produkcji gipsu, orz rązowe plmki pochodzące od żelz. W gipsie przemysłowym jest mniej znieczyszczeń, ntomist lser otworzył większą liczę zmkniętych porów (rys. 3). Rys. 3. Porównnie próek gipsu po oróce lserowej: ) gips użyty w prcy doświdczlnej, ) gips z zkłdu Cermik Artystyczn w Bolesłwcu. Nsiąkliwość gipsu zdno przez znurzenie zwżonej próki w zimnej wodzie, przetrzymnie w niej 10 minut i ponowne zwżenie. Otrzymne wyniki to: 33,30% dl form użytych w tych dnich i 24,27% dl form przemysłowych. Rys. 2. Schemtyczny rysunek przedstwijący system lserowy wykorzystywny w prcy. Do sterowni procesem oróki lserowej w ou systemch wykorzystno sknery optyczne typu glwnometrycznego prcujące n zie dwóch luster oprtych n wzjemnie do sieie prostopdłych osich orotu. Z pomocą dedykownego oprogrmowni możliwe jest sterownie wychodzącą ze skner wiązką, tym smym przeniesienie dowolnych wzorów n płszczyznę pod sknerem. W pierwszym etpie prcy wytworzono z gipsu cermicznego zczyn gipsowy przy stosunku 42% H 2 O i 58% gipsu i zlno nim formy stlowe o ksztłcie płskich dysków i średnicy 30 cm. Gruość wrstwy gipsu wynosił 15 mm. Formy z zczynem yły wirowne przez 2 minuty n wytrząsrce lortoryjnej w celu usunięci zwrtych w nim pęcherzyków powietrz. Nstępnie, formy z gipsem pozostwiono do jego związni. Po 24 godzinch gotowe gipsowe krążki zostły wyjęte z form. Powierzchnią rooczą dysków ył t, kontktując się z formą. Tym smym ył on głdk i nie wymgł dodtkowego przygotowni. W celu sprwdzeni jkości uzysknych ksztłtek, przeprowdzono porównnie przy zstosowniu gotowych form gipsowych uzysknych z zkłdu Cermik Artystyczn w Bolesłwcu. 3. Oprcownie prmetrów oróki gipsu lserem CO 2 Drugi etp prcy stnowiło oprcownie prmetrów żłoieni gipsu cermicznego z pomocą lser CO 2. Niezędny ył doór stosownej gęstości mocy lser, odległości ognisk wiązki lserowej od powierzchni orinego detlu i prędkości sknowni. Próy przeprowdzono przez sknownie płyt gipsowych wiązką lserową ze zmienijącą się mocą w zkresie W (ze zminą co 2 W) i prędkością sknowni w zkresie mm/s (ze zminą co 20 mm/s). Otrzymuje się w ten sposó tzw. sitkę gęstości mocy (rys. 4). Sknownie jest terminem związnym z ruchem zwiercideł skner. Jest to tzw. skner glwnometryczny, w którym promień lser jest rzutowny kolejno n dw zwiercidł o prostopdłych do sieie osich orotu. Kąt orotu zwiercideł jest sterowny oprogrmowniem dedykownym do lser. N rysunkch 4 i 5 przedstwiono otrzymne wrtości głęokości zgłęień powstłych po oróce lserem i odpowidjące im krzywe trendu, w zleżności od mocy i prędkości sknowni. Wrz ze spdkiem szykości sknowni, przy zchowniu stłej wrtości mocy, rośnie dwk energii przypdjąc n jednostkę powierzchni, co z tym idzie tkże głęokość reliefu. = [ ] gdzie E dwk energii [J/cm 2 ]; P moc promieniowni [W]; v prędkość sknowni [cm/s]; d średnic wiązki pdjącej n oriną powierzchnię [cm]. Podonie dzieje się w przypdku wzrstjącej mocy lser. Przy czym njwiększe różnice w zminie głęokości reliefu oserwuje się w przypdku zstosowni młych prędkości sknowni. N rysunku 6 przedstwiono wyrne zdjęci mikroskopowe powstłych zgłęień. Efektem zwiększjącej się gęstości mocy (dwki energii), przy (1) Nr 6/2018 Szkło i Cermik _6 SiC v13.indd :55:15

3 Rys. 6. Morfologi powierzchni zgłęień powstłych po jednokrotnym sknowniu wiązką lserową przy zróżnicownej mocy i prędkości sknowni (oznczeni: moc [W]/prędkości sknowni [mm/s]). Rys. 4. Mtryc zgłęień w powierzchni gipsu cermicznego: ) widok ogólny powstłej mtrycy orz ) jego trójwymirow interpretcj. Rys. 5. Zleżność tendencji zmin głęokości zgłęień od prmetrów oróki (wgłęieni nie oczyszczone z produktów rekcji). Rys. 7. Morfologi powierzchni zgłęień powstłych po dwukrotnym sknowniu wiązką lserową przy zróżnicownej mocy i prędkości sknowni (oznczeni: moc [W]/prędkości sknowni [mm/s]). zchowniu młej szykości sknowni, jest powstnie corz rdziej zwrtej i zeszklonej (w wyniku przetopieni dziłniem lser) wrstwy produktów rekcji rozkłdu dwuwodnego gipsu. Jeśli przy młych gęstościch mocy produkty rekcji o stosunkowo niewielkiej msie są w kontkcie z resztą mteriłu gipsowego, to podlegją ntychmistowemu schłodzeniu i tworzą luźny proszek. Przy większych gęstościch mocy, co z tym idzie większej głęokości rowków, proszkowe produkty rekcji stją się izolcją termiczną dl powierzchownych wrstw proszku, podgrzewnych do rdzo wysokiej tempertury. Powstje w ten sposó przetopion wrstw szkliw skłdjąc się głównie z ezwodnego sircznu wpni. Fzą topiącą się w njniższej temperturze jest tu ezwodny sirczn wpni o temperturze topnieni 1460 C. Przeprowdzono dodtkowo próę dwukrotnego sknowni wiązką lser. Niestety, jkość powstłych w ten sposó zgłęień pozostwił wiele do życzeni. Wszelkie defekty powstłe w pierwszym sknowniu yły tylko intensyfi kowne przez drugie. Poz tym, wspomniny wcześniej izolujący efekt produktów rekcji sprwi, że drugie sknownie jedynie niezncznie pogłęi miejsce po pierwszym. Drugie sknownie oddziłuje szczególnie n położoną n wrstwie proszku płytkę powstłą przy pierwszym sknowniu. Zintensyfi kowne efekty cieplne powodują wręcz lcję mteriłu uwidocznioną przez wykwity zestlonych gzowych produktów n rzegch zgłęieni (rys. 7). Szcowne tempertury przy njwiększych gęstościch mocy mogą osiągć 2850 C (tempertur wrzeni tlenku wpni). Widć wyrźnie, że nie możn zstosowć tk grwerownych form ez wstępnego ich oczyszczeni. Niezleżnie od prmetrów oróki w gotowym reliefi e pozostją odwodniony gips, tlenek wpni w postci proszku i w postci przetopionej. Istnienie zestlonego stopu świdczy o temperturze, jk chwilowo występuje w miejscu oróki. Dl lepszego uwidocznieni produktów rozkłdu gipsu i jednocześnie usunięci produktów rekcji z zgłęień, wykonno odciski silikonowe wykonnych reliefów. Sło związne z podłożem części przywrły do powierzchni silikonu i wrz z nim zostły usunięte. 14 Szkło i Cermik ISSN _6 SiC v13.indd :55:15

4 Rys. 8. ) widok wrstwy silikonu zdjętego z formy po jednokrotnym przejściu wiązki lser orz ) widok oczyszczonej formy. Rys. 12. Morfologi powierzchni czyszczonych zgłęień powstłych po jednokrotnym sknowniu wiązką lserową przy zróżnicownej mocy i prędkości sknowni (oznczeni: moc [W]/prędkości sknowni [mm/s]). Rys. 9. ) widok wrstwy silikonu zdjętego z formy po dwukrotnym przejściu wiązki lser orz ) widok oczyszczonej formy. Rys. 10. Zleżność tendencji zmin głęokości zgłęień od prmetrów oróki po jednokrotnym przejściu lser (wgłęieni oczyszczone z produktów rekcji). Rys. 13. Morfologi powierzchni czyszczonych zgłęień powstłych po dwukrotnym sknowniu wiązką lserową przy zróżnicownej mocy i prędkości sknowni (oznczeni: moc [W]/prędkości sknowni [mm/s]). Rys. 11. Zleżność tendencji zmin głęokości zgłęień od prmetrów oróki po dwukrotnym przejściu promieni lser (wgłęieni oczyszczone z produktów rekcji). Po zdjęciu wrstwy silikonu z formy i oczyszczeniu rowków sprężonym powietrzem dokonno pomiru ich głęokości. Wyniki dl jedno- i dwukrotnego sknowni wiązką lser zestwiono n rysunkch Przeprowdzone prce wykzły, że otrzymną metodą nie uzyskuje się dużych różnic w głęokości wytwrznych zgłęień. Mło prwdopodone jest więc, y yło możliwe wykonnie w pełni trójwymirowych płskorzeź n powierzchni wyroów cermicznych. Relnie możliwe do wykonni zgłęieni (ez utrty jkości) nie przekrczją 0,6 mm. Ze względu n intensyfikcję wd powierzchni, wielokrotne sknownie nie może yć w tym przypdku rne pod uwgę. Wrto zuwżyć, że kżd wd powierzchni, jk zresztą i sm relief, zwiększją przylegnie odlewnego wyrou do gipsowej formy. Może to powodowć trudności z wyjęciem wyrou z formy. Wykonno zdjęci mikroskopowe oczyszczonych zgłęień. Ze względu n dużą ilość otrzymnych wyników dń n rysunkch 12 i 13 przedstwiono jedynie wyrne fotogrfie. 4. Prktyczne próy wykorzystni oprcowywnej metody Przeprowdzone dni pokzły, że jedyną metodą, któr przy oecnym stnie dń możliw jest do zstosowni, jest wytworzenie grwerownej formy gipsowej w jednym przeiegu lser przy głęokości reliefu ok. 0,5 mm i oczyszczenie wzoru z pomocą silikonu. Opierjąc się n tkich zsdch przeprowdzono kilk wstępnych pró otrzymni zdoionych detli, nstępnie Nr 6/ _6 SiC v13.indd 15 Szkło i Cermik :55:15

5 Rys. 15. Wektorowy wzór wykorzystny do prktycznych pró z formmi gipsowymi: ) wersj dl powierzchni płskiej i ) zkrzywionej. Rys. 14. Grwerowny wyró w formie ) iskwitu i ) poszkliwiony trnsprentnym szkliwem mngnowym. próę grwerowni gotowej formy wyrou cermicznego z zkłdu Cermik Artystyczn w Bolesłwcu. Prmetry mocy i prędkości sknowni dl otrzymnych wzorów ustlono korzystjąc ezpośrednio z otrzymnej wcześniej sitki mocy. Osttecznie próy wykonno przy ustwienich prędkości sknowni 160 mm/s i mocy lser 36 W. N rysunku 14 przedstwiono otrzymny relief n powierzchni formy gipsowej, wykonny z pomocą lser CO 2. Do końcowej próy grwerowni gotowej formy wyrou cermicznego ez użyci tzw. przystwki orotowej, konieczn ył pewn modyfi kcj wzoru, polegjąc n kompresji tych frgmentów, które ędą nnoszone n pochyłe powierzchnie. Wzór, który m mieć n wyroie jednolite odstępy, musił yć nnoszony tym rdziej gęsto, im większe jest zkrzywienie powierzchni (rys. 15). Oprcowną metodą grwerowno głdką formę gipsową przy ustwienich: prędkość sknowni 120 mm/s, moc lser 36 W. Proces dl dwustronnej formy trwł około 5 minut. W otrzymnej formie wykonno odlew z lejnej msy porcelitowej. Wyró poszkliwiono rwnym trnsprentnym szkliwem. Wzory uzyskne oprcowną metodą w formie gipsowej przed i po procesie wyplni przedstwiono n rysunku Podsumownie Przeprowdzone dni dziłni lser n płskich dyskch wykonnych z gipsu cermicznego wykzły możliwość otrzymywni w ten sposó form do produkcji zdoionych wyroów cermicznych i umożliwiły wytypownie optymlnych nstw mocy i prędkości dl posidnego przez Instytut Cermiki i Mteriłów Budowlnych lser. Prce z użyciem pojedynczych rysunków wektorowych przy wytypownych nstwch mocy i prędkości sknowni pozwoliły n otrzymnie początkowo form do zdoień n płskich elementch, w późniejszym etpie n wyroie o zkrzywionej powierzchni. Zkłdno oprcownie przynjmniej jednego projektu 3D z rozłożeniem n wrstwy względem osi Z i przynjmniej jednego projektu, w którym głęokość w osi Z ędzie reprezentown przez odcienie szrości orzu. Jednk włściwości mteriłu pozwoliły n grwerownie tylko w jednym przeiegu lser. W wyniku otrzymno reliefy jednowrstwowe. Oprcown metod może yć upowszechnin wśród producentów stosujących formy gipsowe w swoich technologich. Dotyczy to np. producentów nczyń stołowych i producentów kfl i piecowych. LITERATURA [1] W. Brylicki, A. Derdck-Grzymek, M. Gwlicki, J. Młolepszy, J. Olejrz, Technologi udowlnych mteriłów wiążących: wpno i gips, cz. 1, Wydwnictw Szkolne i Pedgogiczne, 1986 [2] O. Medench, C. Sussieck-Fornefeld, Minerły (Gips), Świt Książki, 1996 [3] W. N. Jung, J. M. Butt, W. F. Żurwlew, S. D. Okorokow, Technologi mteriłów wiążących, Budownictwo i Architektur, Wrszw, 1957 Rys. 16. Wzory uzyskne oprcowną metodą w formie gipsowej ) przed i ) po procesie wyplni. [4] A. Kempf, Cement wpno gips, Polskie Wydwnictw Gospodrcze, 1955 [5] H. Fuld, Ozdoy i sztukterie z gipsu, Wydwnictwo RM, 2006 [6] D. Huson, S. Hoskins, P. Thirkell, Photo Cermic Relief Imging, Society for Imging Science nd Technology, Digitl Friction 2005, Finl Progrm nd Proceedings, s , (4) 2005 [7] M. Strzelec, J. Mrczk, D. Chmielewsk, A. Srzyński, A. Olszyn, K. Szmłek, Activtion of colour chnges in cermic glzer y mens of the Nd:YAG picosecond lser, Photonics Letters of Polnd, s , (5) 2013 [8] D. Chmielewsk, R. Geel, J. Mrczk, A. Olszyn, A. Srzyński, M. Strzelec, B. Synowiec, Lserow dekorcj wyroów cermicznych, Szkło i Cermik, s , (2) 2011 [9] D. Chmielewsk, A. Olszyn, K. Szmłek, R. Geel, J. Mrczk, A. Srzyński, M. Strzelec, Metody dekorcji wyroów cermicznych i szklnych z pomocą promieniowni lserowego, Inżynieri Mteriłow, s , (35) 2014 [10] D. Chmielewsk, R. Geel, J. Mrczk, A. Olszyn, A. Srzyński, M. Strzelec, B. Synowiec, Anliz zjwisk zchodzących w procesie lserowego zdoieni wyroów porcelnowych, Mteriły Cermiczne, s , (63) 2011 [11] A. Srzyński, D. Chmielewsk, J. Mrczk, R. Geel, M. Strzelec, K. Szmłek, Aktywcj rwnego szkliw cermicznego z pomocą promieniowni lserowego, Prce Instytutu Elektrotechnik, s , (266) 2014 [12] A. Srzyński, D Chmielewsk, J. Mrczk, M. Strzelec, A. Olszyn, R. Geel, Utrwlnie wrstw rwnych n podłożch szklnych z pomocą promieniowni lserowego, Prce Instytutu Elektrotechnik, s , (266) 2014 [13] A. Srzyński, D. Chmielewsk, R. Geel, J. Mrczk, A. Olszyn, M. Strzelec, S. Trczyk, Lserowe nnoszenie minerlnych wrstw rwnych n podłoż cermiczne, Prce Instytutu Elektrotechniki, s , (59) 2012 [14] M. Pczkowsk, Wpływ prmetrów oróki lserowej n udowę wrstwy powierzchniowej żeliw sferoidlnego, Inżynieri Mteriłow, s , (30) 2009 [15] E. Feldshtein, I. Komn, Wycinnie lserowe elementów o dużej gruości w lchch ze stli nierdzewnej, Przegląd Mechniczny, s , (4) 2010 [16] G. Wieloch, W. Klit, J. Hoffmn, Pró zstosowni lser do cięci drewn zmodyfi kownego styrenem, Krzepnięcie Metli i Stopów, s , (36) 1998 [17] J. Borkowski, W. Piestrzyńsk-Dziedziejko, Wykorzystnie lcji lserowej w zdoniczym grwerowniu płytek cermicznych, Inżynieri Mteriłow, s , (35) 2014 [18] R. Jóźwicki, Technik lserow i jej zstosowni, Ofi cyn Wydwnicz Politechniki Wrszwskiej, Szkło i Cermik ISSN _6 SiC v13.indd :55:16