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摘要：本文主要论述了陶瓷装饰用高清三维胶辊印刷技术的研究，以及在凹凸釉面砖生产上的应用。通过不同材质和结构的胶辊对凹凸砖坯作用的有限元模型的比较分析，研究开发出新型软硬双层结构胶辊。配合凹凸釉面砖成形工艺、印花釉性能，以及其它工艺因素的集成优化，从而实现了采用胶辊印刷技术能够在凹凸有釉砖表面进行高清、高速印花装饰。并通过与喷墨打印及其它装饰技术的比较，进一步阐明了胶辊印刷技术的优越性。
关键词：陶瓷装饰；高清三维胶辊印刷；凹凸釉面砖；喷墨打印；优势
1 前言
釉面砖由于具有多色彩、多变化和更好的表面装饰效果等优势，已成为厨房、卫生间、阳台等空间装饰的主要选择。釉面砖的传统印刷生产技术主要有丝网印刷、辊筒印刷、胶辊印刷等，由于胶辊印刷的产品图案纹理清晰、连贯自然、仿石效果逼真，已经成为陶瓷砖主流印刷生产技术。但传统的釉面砖生产技术都只局限于平面印刷，新研发的喷墨打印技术，是一种非接触性的印刷模式，可在凹凸面上喷墨印刷，具有生产技术数字化，转换生产灵活简单，易于实现个性化等优点，把陶瓷釉面砖的艺术表现力与空间层次美感大大地推进了一步，但也存在以下不足：
(1)喷墨的核心设备喷头及墨水还要依赖进口；
(2)墨水的颜色单一，缺乏深红色；
(3)打印速度慢，生产效率低、成本高；
(4)喷墨打印设备的购置和维护费用相当高：
(5)其核心知识产权为发达国家所掌握。
为了突破传统印刷技术和喷墨打印技术的不足，笔者通过大胆技术创新，首创了高清三维胶辊印刷技术，突破了在瓷砖上实现立体高清、高速印刷的世界性难题，并开发出具有能工巧匠精雕细琢后的天然石材独有韵味的高清三维凹凸釉面砖产品。从而满足了人们对高品味和个性化生活环境的追求，已成为釉面砖产品中的新宠。
2 试验内容
2.1 印刷胶辊的结构分析和设计
对于普通的辊筒平面印刷，一般采用中等硬度的材料(SD橡胶)制作印刷胶辊，但如果采用这种材料制作的胶辊在凹凸表面印刷时，就会出现缺花现象(花纹在凹凸连接处不连续)，如图1所示。
为了实现高清三维胶辊印刷技术，笔者通过建立胶辊的有限元模型，从理论上探讨结构改进的路径和方法。当胶辊与砖坯接触时，胶辊和砖坯之间的移动导致受力变形。一般的凹凸胶辊印花可分为三阶段。第一阶段：胶辊进入凹槽的一个侧面接触，侧面与胶辊的运动方向相厂，胶辊与侧面相互离开，变形主要是由于胶辊自上而下的正压力导致：第二阶段：胶辊咬入凹槽内。主要特征是胶辊与凹槽底面接触，凹槽宽度和胶辊变形程度不同，如果充分变形并填充，会呈现三个面和两个面同时接触的情况：第三阶段：胶辊离开凹槽。胶辊与凹槽第二个侧面接触，胶辊与侧面相互的挤压除胶辊向下的垂直压力外，还有相对运动产生的水平压力。其中，最复杂的孤岛型凹槽(凸起)印花，凹凸的四个侧面都需要很好地贴合。为了观察贴合效果，简化计算复杂度，在建立胶辊有限元模型时做了一些必要的假设和近似，如图2所示。取胶辊局部进行分析，分为橡胶层和钢筒层，胶辊弹性模量取8MPa，泊松比为0.45。钢筒采用A3钢材料参数。在胶辊表面取一定面积给定位移约束，考察胶辊变形和受力情况。其计算结果如图3、图4所示。
通过分析发现，在这种结构下胶辊要达到规定位移量。其底部的应力应达到11.7MPa。随着位移量增加，最大应力值将迅速增加。在实际应用中，硬胶辊缺花是因为原有的胶辊支撑结构提供的胶辊压力偏小，不能使胶辊产生足够的变形。但如果加大压力，会破坏砖坯的表面。因此，考虑以软胶代替硬胶，使其在较小胶辊压力下可以产生足够的变形，就可以解决这些问题。
软胶辊的有限元模型中，使胶辊弹性模量变为2MPa，其分析结果如图5、图6所示。
由图5、图6分析可知，改变材料参数后，同样的变形量，其最大应力约为2MPa。即在同样压力下。软质材料能更好地贴近凹凸面。但从变形效果上看，软质材料和硬质材料胶辊的变形效果接近，变形的斜面倾角度在600-630之间。当凹凸面倾角度超过此范围，胶辊与凹凸侧面就不能较好地贴合。
为了增大变形斜面倾角，研究采用软硬组合胶辊结构。建立了如图7所示的双层胶辊有限元模型。采用同样的加载方式，得到的变形效果和应力分布如图8所示。
由图8分析可知，在相同变形情况下，其最大应力约为3.25MPa，而变形侧面倾角变大为65°-680°结果表明：双层胶辊结构与软质胶辊相比其压力略有增加，但变形倾角明显加大，有利于胶辊与凹凸侧面的贴合。
基于以上理论分析，选择了软硬双层胶辊结构的同时，对胶辊支撑系统也做了相应调整。进一步研究发现，双层胶辊厚度比、凹凸高度差、胶辊外径等参数与软硬胶辊的体积比相关。在相同厚度比的情况下，凹凸高度差越大，软胶体积比越大，有利于改善胶辊应力分布。当凹凸高度差超过软胶厚度时，体积比与胶辊直径和凹凸高度的关系如图9所示，胶辊直径与体积比关系如图10所示。
由图9、图10可知，当胶辊直径越小，在相同变形情况下，软硬胶的体积比增大。因此在满足其它工艺条件的基础上可尽量减小胶辊直径。
由于理论分析模型对胶辊做了适当的简化，同时在试验的基础上进一步对胶辊结构进行了优化。优化和改良后的印刷胶辊，不仅适应凹凸表面高度差达到6mm的釉面砖，而且在凹凸变化面上都能保证纹路的清晰和连续。
2.2 印花釉的试制
为了达到高清三维凹凸釉面砖的印花效果。笔者将市场上现用的各种印油、基础釉粉、色料按一定比例混合球磨，用所确定的高清三维软硬双层专用胶辊分别在凹凸位高度达6mm的砖面上进行印花，发现现有的印油由于聚合力、润滑性不好，不能够在凹凸不平的砖面上印刷出完整清晰的图案。
通过分析，发现高清三维凹凸釉面砖由于凹凸位高度差较大、胶辊的材质软，辊筒与砖面的摩擦力大、印刷的图案网点在不受外力的作用下会变形。且胶辊上的网孔因外力的挤压会变形，这一系列原因造成花釉难于填充。要克服这些缺陷，要求花釉必须要有较高的聚合力和弹性，以确保在外力作用下不变形不软蹋。同时，花釉还要具有较好的润滑性、较强的渗透力，以确保花釉能够填充到胶辊因受外力作用而变形的网孔内。并在与釉坯接触瞬间，将网孔内的花釉印在砖面上而形成清晰完整的图案。从花釉的构成来看，它是由釉粉、色料、印油组成，因此，印油的性能非常关键。
通过笔者多次试验，结合现有印油的性能，采用复合有机材料代替了传统单一的有机材料，试制出适合高清三维凹凸釉面砖生产所需的专用印油，并按一定比例与釉粉、色料调配出润滑性能好、聚合力强的印花釉。高清三维凹凸釉面砖生产专用印油的配方组成、不同印油的工艺参数、不同花釉配比见表1～表3，不同花釉的印花效果见图11～图16。
从表3可以看出，在所有条件不变的情况下，只改变基础釉粉的含量，其花釉比重随基础釉粉的量降低而降 低，其流速也发生一定的改变。再由图11-图16中可以看出。1号花釉印花效果很差，凹位完全没有图案，纹理不清，且有大量白点；2号花釉印花效果不理想，凹位可见少量图案，但纹理不清晰，有大量白点；3号花釉印花效果不太理想，凹凸位连接处图案不连续，纹理图案模糊，且有白点：4号花釉印花效果较好，凹凸位高度差小的产品凹凸位连接处图案连续，纹理清晰，但凹凸位高度差大的产品凹位印不到花；5号花釉印花效果较好，凹凸位高度差小的产品凹凸位连接处图案连续，纹理清晰，但凹凸位高度差大的产品凹位图案模糊且有白点；6号花釉印花效果好，凹凸位高度差达6mm的砖面上图案清晰，凹凸位连接处图案连续不间断，仿石效果逼真，完全达到高清三维凹凸釉面砖所预定的效果。
2.3 成形工艺及模具的研究
由于凹凸釉面砖坯表面设计成凹凸图案(砖面凹凸位高度差达到6mm)，若采用传统的表面朝下，背面朝上的反打成形工艺，会造成脱模困难。压制好的产品在推出模具时易将凸位的边角位推变形，甚至产生破损，影响冲压质量，并且产品在压机运输平台的辊棒上运行时，会因凹凸不平而产生震动，从而造成裂坯、烂坯等问题。同时，模具的磨损快，且冲压速度不能快，制约了生产。为了保证产品的凹凸效果及提高冲压成品率，笔者通过反复试验，突破传统反打工艺，采用了砖表面朝上的正打成形工艺。
由于本技术研制的高清三维凹凸釉面砖，其表面有凹凸，成形工艺设定为“正打”工艺，这样必须对成形模具进行改进。模框不改变，正打的砖坯出模时会出现正面大，底面小的情形。坯体在出模时，一方面其正面边角在模框侧板作用下容易被崩烂，影响坯体成形效率；另一方面产品正面的倒角容易在坯体上模边形成倒钩形，倒角越大，倒钩也越大。倒钩一方面影响砖坯脱模；另一方面影响排气。通过实验，对产品正面的倒角进行了优化，将“正打”产品的倒角设计为R5，将倒钩减到最小，保证了气体的排出，使凹凸砖坯密度均匀，且有较高的成形效率。
2.4 粉料粒度及模具压胶硬度的优化
半干压成形的粉料具有一定的颗粒级配，由于布料器来回运动产生振动，会使较细的粉料通过大颗粒的间隙向下运动。因此砖坯的下表面光滑平整，这也是一般半干压成形采用反打的原因之一。但凹凸釉面砖采用正打工艺，试验发现成形的坯体经素烧后，砖面有明显的大颗粒，特别粗糙。淋釉后，釉面不平，有皱纹釉、桔釉等缺陷。因此笔者通过对喷雾塔喷片、旋流片及柱塞泵压力进行调整，从而对粉料的颗粒级配进行了优化，并将成形模具的压胶硬度提高，进而保证了素烧后砖坯表面的光滑。
3 结果分析与比较
采用上述高清三维胶辊印刷技术生产的凹凸釉面砖产品，图案清晰，凹凸位连接处石材天然纹理连贯自然、颜色丰富，该产品具有能工巧匠、精雕细琢天然石材独有的韵味，增强浮雕的表现力，极大地丰富了釉面砖的装饰效果。经检测，产品各项指标与正常生产的釉面砖一样，完全符合GBfr4100-2006附录L、GB6566-2011中A类装修材料和HJ／T297-2006标准要求。高清三维胶辊印刷技术通过对普通胶辊印刷技术的研究，解决了胶辊印刷技术无法在凹凸釉面砖上进行高清三维印花装饰的重大技术难题。实现了通过在凹凸釉面砖表面进行一次性印刷装饰，就可达到目前国外最新喷墨打印技术所具有的高清三维印刷效果。为了进一步分析该技术的优越性，笔者将目前市场上的各种装饰技术在生产效率、适应性、图案分辨率、性价比方面进行了比较，其结果见表4～表6。
从表6可知，高清三维胶辊印刷技术具有更高的性价比和更适合大规模生产的经济性。
4 结论
(1)高清三维胶辊印刷技术突破了建筑陶瓷行业广泛应用的胶辊印刷技术不能在凹凸釉面砖表面进行快速高清印刷装饰的难题，打破了国外对瓷砖立体印刷技术的垄断。
(2)本技术在表面凹凸有釉陶瓷砖胶辊印刷技术领域，综合技术经济指标和产业化规模，与国内外同类技术相比，具有明显的优越性。
(3)高清三维胶辊印刷技术的成功，提升了我国建筑陶瓷砖的生产技术水平和装饰技术水平，促进了建筑陶瓷产品市场的多元化发展，社会效益显著。
(4)本技术的核心创新之处，在于研制出具有特定性能的印刷专用釉。
(5)为配合砖坯正打工艺，必须对粉料颗粒级配进行调整。
关键词：陶瓷装饰；高清三维胶辊印刷；凹凸釉面砖；喷墨打印；优势
1 前言
釉面砖由于具有多色彩、多变化和更好的表面装饰效果等优势，已成为厨房、卫生间、阳台等空间装饰的主要选择。釉面砖的传统印刷生产技术主要有丝网印刷、辊筒印刷、胶辊印刷等，由于胶辊印刷的产品图案纹理清晰、连贯自然、仿石效果逼真，已经成为陶瓷砖主流印刷生产技术。但传统的釉面砖生产技术都只局限于平面印刷，新研发的喷墨打印技术，是一种非接触性的印刷模式，可在凹凸面上喷墨印刷，具有生产技术数字化，转换生产灵活简单，易于实现个性化等优点，把陶瓷釉面砖的艺术表现力与空间层次美感大大地推进了一步，但也存在以下不足：
(1)喷墨的核心设备喷头及墨水还要依赖进口；
(2)墨水的颜色单一，缺乏深红色；
(3)打印速度慢，生产效率低、成本高；
(4)喷墨打印设备的购置和维护费用相当高：
(5)其核心知识产权为发达国家所掌握。
为了突破传统印刷技术和喷墨打印技术的不足，笔者通过大胆技术创新，首创了高清三维胶辊印刷技术，突破了在瓷砖上实现立体高清、高速印刷的世界性难题，并开发出具有能工巧匠精雕细琢后的天然石材独有韵味的高清三维凹凸釉面砖产品。从而满足了人们对高品味和个性化生活环境的追求，已成为釉面砖产品中的新宠。
2 试验内容
2.1 印刷胶辊的结构分析和设计
对于普通的辊筒平面印刷，一般采用中等硬度的材料(SD橡胶)制作印刷胶辊，但如果采用这种材料制作的胶辊在凹凸表面印刷时，就会出现缺花现象(花纹在凹凸连接处不连续)，如图1所示。
为了实现高清三维胶辊印刷技术，笔者通过建立胶辊的有限元模型，从理论上探讨结构改进的路径和方法。当胶辊与砖坯接触时，胶辊和砖坯之间的移动导致受力变形。一般的凹凸胶辊印花可分为三阶段。第一阶段：胶辊进入凹槽的一个侧面接触，侧面与胶辊的运动方向相厂，胶辊与侧面相互离开，变形主要是由于胶辊自上而下的正压力导致：第二阶段：胶辊咬入凹槽内。主要特征是胶辊与凹槽底面接触，凹槽宽度和胶辊变形程度不同，如果充分变形并填充，会呈现三个面和两个面同时接触的情况：第三阶段：胶辊离开凹槽。胶辊与凹槽第二个侧面接触，胶辊与侧面相互的挤压除胶辊向下的垂直压力外，还有相对运动产生的水平压力。其中，最复杂的孤岛型凹槽(凸起)印花，凹凸的四个侧面都需要很好地贴合。为了观察贴合效果，简化计算复杂度，在建立胶辊有限元模型时做了一些必要的假设和近似，如图2所示。取胶辊局部进行分析，分为橡胶层和钢筒层，胶辊弹性模量取8MPa，泊松比为0.45。钢筒采用A3钢材料参数。在胶辊表面取一定面积给定位移约束，考察胶辊变形和受力情况。其计算结果如图3、图4所示。
通过分析发现，在这种结构下胶辊要达到规定位移量。其底部的应力应达到11.7MPa。随着位移量增加，最大应力值将迅速增加。在实际应用中，硬胶辊缺花是因为原有的胶辊支撑结构提供的胶辊压力偏小，不能使胶辊产生足够的变形。但如果加大压力，会破坏砖坯的表面。因此，考虑以软胶代替硬胶，使其在较小胶辊压力下可以产生足够的变形，就可以解决这些问题。
软胶辊的有限元模型中，使胶辊弹性模量变为2MPa，其分析结果如图5、图6所示。
由图5、图6分析可知，改变材料参数后，同样的变形量，其最大应力约为2MPa。即在同样压力下。软质材料能更好地贴近凹凸面。但从变形效果上看，软质材料和硬质材料胶辊的变形效果接近，变形的斜面倾角度在600-630之间。当凹凸面倾角度超过此范围，胶辊与凹凸侧面就不能较好地贴合。
为了增大变形斜面倾角，研究采用软硬组合胶辊结构。建立了如图7所示的双层胶辊有限元模型。采用同样的加载方式，得到的变形效果和应力分布如图8所示。
由图8分析可知，在相同变形情况下，其最大应力约为3.25MPa，而变形侧面倾角变大为65°-680°结果表明：双层胶辊结构与软质胶辊相比其压力略有增加，但变形倾角明显加大，有利于胶辊与凹凸侧面的贴合。
基于以上理论分析，选择了软硬双层胶辊结构的同时，对胶辊支撑系统也做了相应调整。进一步研究发现，双层胶辊厚度比、凹凸高度差、胶辊外径等参数与软硬胶辊的体积比相关。在相同厚度比的情况下，凹凸高度差越大，软胶体积比越大，有利于改善胶辊应力分布。当凹凸高度差超过软胶厚度时，体积比与胶辊直径和凹凸高度的关系如图9所示，胶辊直径与体积比关系如图10所示。
由图9、图10可知，当胶辊直径越小，在相同变形情况下，软硬胶的体积比增大。因此在满足其它工艺条件的基础上可尽量减小胶辊直径。
由于理论分析模型对胶辊做了适当的简化，同时在试验的基础上进一步对胶辊结构进行了优化。优化和改良后的印刷胶辊，不仅适应凹凸表面高度差达到6mm的釉面砖，而且在凹凸变化面上都能保证纹路的清晰和连续。
2.2 印花釉的试制
为了达到高清三维凹凸釉面砖的印花效果。笔者将市场上现用的各种印油、基础釉粉、色料按一定比例混合球磨，用所确定的高清三维软硬双层专用胶辊分别在凹凸位高度达6mm的砖面上进行印花，发现现有的印油由于聚合力、润滑性不好，不能够在凹凸不平的砖面上印刷出完整清晰的图案。
通过分析，发现高清三维凹凸釉面砖由于凹凸位高度差较大、胶辊的材质软，辊筒与砖面的摩擦力大、印刷的图案网点在不受外力的作用下会变形。且胶辊上的网孔因外力的挤压会变形，这一系列原因造成花釉难于填充。要克服这些缺陷，要求花釉必须要有较高的聚合力和弹性，以确保在外力作用下不变形不软蹋。同时，花釉还要具有较好的润滑性、较强的渗透力，以确保花釉能够填充到胶辊因受外力作用而变形的网孔内。并在与釉坯接触瞬间，将网孔内的花釉印在砖面上而形成清晰完整的图案。从花釉的构成来看，它是由釉粉、色料、印油组成，因此，印油的性能非常关键。
通过笔者多次试验，结合现有印油的性能，采用复合有机材料代替了传统单一的有机材料，试制出适合高清三维凹凸釉面砖生产所需的专用印油，并按一定比例与釉粉、色料调配出润滑性能好、聚合力强的印花釉。高清三维凹凸釉面砖生产专用印油的配方组成、不同印油的工艺参数、不同花釉配比见表1～表3，不同花釉的印花效果见图11～图16。
从表3可以看出，在所有条件不变的情况下，只改变基础釉粉的含量，其花釉比重随基础釉粉的量降低而降 低，其流速也发生一定的改变。再由图11-图16中可以看出。1号花釉印花效果很差，凹位完全没有图案，纹理不清，且有大量白点；2号花釉印花效果不理想，凹位可见少量图案，但纹理不清晰，有大量白点；3号花釉印花效果不太理想，凹凸位连接处图案不连续，纹理图案模糊，且有白点：4号花釉印花效果较好，凹凸位高度差小的产品凹凸位连接处图案连续，纹理清晰，但凹凸位高度差大的产品凹位印不到花；5号花釉印花效果较好，凹凸位高度差小的产品凹凸位连接处图案连续，纹理清晰，但凹凸位高度差大的产品凹位图案模糊且有白点；6号花釉印花效果好，凹凸位高度差达6mm的砖面上图案清晰，凹凸位连接处图案连续不间断，仿石效果逼真，完全达到高清三维凹凸釉面砖所预定的效果。
2.3 成形工艺及模具的研究
由于凹凸釉面砖坯表面设计成凹凸图案(砖面凹凸位高度差达到6mm)，若采用传统的表面朝下，背面朝上的反打成形工艺，会造成脱模困难。压制好的产品在推出模具时易将凸位的边角位推变形，甚至产生破损，影响冲压质量，并且产品在压机运输平台的辊棒上运行时，会因凹凸不平而产生震动，从而造成裂坯、烂坯等问题。同时，模具的磨损快，且冲压速度不能快，制约了生产。为了保证产品的凹凸效果及提高冲压成品率，笔者通过反复试验，突破传统反打工艺，采用了砖表面朝上的正打成形工艺。
由于本技术研制的高清三维凹凸釉面砖，其表面有凹凸，成形工艺设定为“正打”工艺，这样必须对成形模具进行改进。模框不改变，正打的砖坯出模时会出现正面大，底面小的情形。坯体在出模时，一方面其正面边角在模框侧板作用下容易被崩烂，影响坯体成形效率；另一方面产品正面的倒角容易在坯体上模边形成倒钩形，倒角越大，倒钩也越大。倒钩一方面影响砖坯脱模；另一方面影响排气。通过实验，对产品正面的倒角进行了优化，将“正打”产品的倒角设计为R5，将倒钩减到最小，保证了气体的排出，使凹凸砖坯密度均匀，且有较高的成形效率。
2.4 粉料粒度及模具压胶硬度的优化
半干压成形的粉料具有一定的颗粒级配，由于布料器来回运动产生振动，会使较细的粉料通过大颗粒的间隙向下运动。因此砖坯的下表面光滑平整，这也是一般半干压成形采用反打的原因之一。但凹凸釉面砖采用正打工艺，试验发现成形的坯体经素烧后，砖面有明显的大颗粒，特别粗糙。淋釉后，釉面不平，有皱纹釉、桔釉等缺陷。因此笔者通过对喷雾塔喷片、旋流片及柱塞泵压力进行调整，从而对粉料的颗粒级配进行了优化，并将成形模具的压胶硬度提高，进而保证了素烧后砖坯表面的光滑。
3 结果分析与比较
采用上述高清三维胶辊印刷技术生产的凹凸釉面砖产品，图案清晰，凹凸位连接处石材天然纹理连贯自然、颜色丰富，该产品具有能工巧匠、精雕细琢天然石材独有的韵味，增强浮雕的表现力，极大地丰富了釉面砖的装饰效果。经检测，产品各项指标与正常生产的釉面砖一样，完全符合GBfr4100-2006附录L、GB6566-2011中A类装修材料和HJ／T297-2006标准要求。高清三维胶辊印刷技术通过对普通胶辊印刷技术的研究，解决了胶辊印刷技术无法在凹凸釉面砖上进行高清三维印花装饰的重大技术难题。实现了通过在凹凸釉面砖表面进行一次性印刷装饰，就可达到目前国外最新喷墨打印技术所具有的高清三维印刷效果。为了进一步分析该技术的优越性，笔者将目前市场上的各种装饰技术在生产效率、适应性、图案分辨率、性价比方面进行了比较，其结果见表4～表6。
从表6可知，高清三维胶辊印刷技术具有更高的性价比和更适合大规模生产的经济性。
4 结论
(1)高清三维胶辊印刷技术突破了建筑陶瓷行业广泛应用的胶辊印刷技术不能在凹凸釉面砖表面进行快速高清印刷装饰的难题，打破了国外对瓷砖立体印刷技术的垄断。
(2)本技术在表面凹凸有釉陶瓷砖胶辊印刷技术领域，综合技术经济指标和产业化规模，与国内外同类技术相比，具有明显的优越性。
(3)高清三维胶辊印刷技术的成功，提升了我国建筑陶瓷砖的生产技术水平和装饰技术水平，促进了建筑陶瓷产品市场的多元化发展，社会效益显著。
(4)本技术的核心创新之处，在于研制出具有特定性能的印刷专用釉。
(5)为配合砖坯正打工艺，必须对粉料颗粒级配进行调整。