專利名稱：球表面帶有永久性圖文的金屬制品的制備方法及金屬地球儀的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種球表面帶有永久性圖文的金屬制品的制備方法及金屬地球儀，尤其是金屬地球儀的制備方法，地球儀用于教學和觀賞。
背景技術(shù)：
球表面帶有永久性圖文的制品，如何使圖文準確地敷制球表面上，是一種不容易的事，以地球儀為例說明，當今人們使用的地球儀，按其球殼的材質(zhì)和表面圖形來分，有塑殼貼印刷紙面、塑殼貼印刷塑面、在球殼上貼金屬畫面、貝殼和彩石粘結(jié)磨光后局部網(wǎng)印圖文、木質(zhì)雕刻和整塊石料雕刻等。按其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來分，一般為繞著固定在底座上的，并與鉛垂線呈23°26’傾斜的球軸旋轉(zhuǎn)的，也有制作成雙軸萬向旋轉(zhuǎn)的。按其用途來分，絕大部分供室內(nèi)教學、辦公或家庭使用，少數(shù)為擺放在廳堂類公共場所供人們使用和觀賞。其規(guī)格大小，直徑范圍在110-2500mm。河北省有一家生產(chǎn)直徑為800mm的塑殼貼印刷紙面，木架萬向旋轉(zhuǎn)的；蘇州育龍科教設備有限公司曾制造直徑為1000mm、1200mm、1600mm、2500mm的塑殼貼印刷紙面，金屬架定軸旋轉(zhuǎn)的；青島天工銅苑有限公司生產(chǎn)的金屬地球儀是將圖形印刷并蝕刻在平面的銅板上，然后將銅板壓制成球缺面，再將球缺面裁剪成球面二角形(“橘瓣皮”形)，最后逐片將其貼在球殼上；濟南焱焱石材藝術(shù)發(fā)展中心在2000年曾選用一塊重23噸的大理石刻制出一具球直徑為1600mm，僅球體就重達6噸的定軸旋轉(zhuǎn)地球儀，置于濟南舜耕山莊露天供人游人觀賞。此外，人們所見到的沒有圖文內(nèi)容或只有經(jīng)緯線骨架的地球儀模型那就是室內(nèi)外雕塑了。
綜觀上述產(chǎn)品，球殼外貼印刷紙面或塑面者成本低，使用輕便，但是壽命短；貝殼或彩石粘結(jié)磨光后局部網(wǎng)印者，外形精美，但所印內(nèi)容及制造尺寸受限；先印刷再成形的金屬貼片式由于壓制過程中難免圖形拉伸時的畸變，造成貼片后“橘瓣皮”之間的接縫上的圖形錯位；手工木質(zhì)雕刻者圖形難以精密。大部分地球儀都只能在室內(nèi)擺放而不能置于露天，石雕者雖可供室外觀展，但是小型的圖文難以雕刻，其圖文的精密程度受限，而且制造、運輸、安裝的費用也高的驚人。如何快速、精確地制作這類包括地球儀在內(nèi)的球表面帶有永久性圖文的制品，是人們一直在關注和要致力解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種球表面帶有永久性圖文的金屬制品的制備方法及得到的金屬地球儀，制備方法快速、精確，而且成本低，易操作，適宜大小尺寸的各種產(chǎn)品，制作的地球儀結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，耐風候，壽命長。
本發(fā)明所述的球表面帶有永久性圖文的金屬制品的制備方法，是將設計好的圖文附到金屬球表面上，依次按下列步驟進行(1)根據(jù)球表面大小制作有相應圖案的球面圖，并打印到透明、吸濕后可延伸的曝光膜片上；(2)在球表面上全面涂敷感光耐腐蝕油墨；(3)在無紫外線的環(huán)境中，對油墨進行加熱固化；(4)在無紫外線的環(huán)境中，將曝光膜片貼敷到球表面的相應位置；(5)對貼敷曝光膜片的油墨進行曝光處理；(6)對曝光處理后的油墨進行顯影處理，清掉未感光的油墨，露出金屬球表面基底，形成圖文；(7)對露出的金屬球表面基底進行腐蝕處理形成凹陷，構(gòu)成圖案；(8)清除金屬球表面的曝光油墨，經(jīng)后整理得產(chǎn)品。
其中根據(jù)球表面大小制作有對應圖案的球面圖并打印，可以采用微機操作，已為成熟的技術(shù)，不再詳述。對于地球儀來說，根據(jù)球表面大小制作的有相應圖案的球面圖即為球面二角形圖。透明、吸濕后可延伸的曝光膜片可以保證透光曝光性能和能夠在球表面上延伸，密實地貼于球面。優(yōu)選的曝光膜片為硫酸紙，即工程上經(jīng)常使用的透明描圖紙。
曝光膜片可以通過透明吸濕粘結(jié)劑貼敷到球表面上，不同圖案的曝光膜片依次貼敷到相應的球表面位置上，實現(xiàn)平面圖形向球面圖形的轉(zhuǎn)化。優(yōu)選的透明吸濕粘結(jié)劑由透明膠水和吸濕劑如甘油等勾兌調(diào)制而成，透明膠水和吸濕劑有市售產(chǎn)品，直接購買即可，透明膠水可以選用木工用透明膠水或辦公用透明膠水等等，使用比例根據(jù)使用情況調(diào)節(jié)，組成簡單，成本低，使用性能好，既保證了曝光膜片與油墨層間的粘結(jié)力，又保證貼敷在球表面上的曝光膜片始終處于穩(wěn)定的濕潤狀態(tài)，使曝光膜片不會因自身的干燥而收縮“蠕動”導致圖象模糊，也不會因自身干燥而與油墨層的粘結(jié)力過大導致收縮時將已固化的油墨層拉裂，濕潤的曝光膜片確保曝光后很容易地從球表面上剝離。
金屬球表面基底的腐蝕處理可以采用通常的強酸加三氯化鐵等腐蝕液進行腐蝕處理，優(yōu)選快速的電化學處理法，采用電解處理法，利用在球表面噴灑電解水溶液的同時實施連電方式完成球表面的電解腐蝕，腐蝕均勻精致。
本發(fā)明球表面帶有永久性圖文的金屬制品，包括各種有圖文的球表面產(chǎn)品，可以是整個的球體，也可以是有部分球表面的產(chǎn)品，最突出的產(chǎn)品為金屬地球儀。地球儀的圖文復雜程度之高、精度要求之高列屬首位。
對于金屬地球儀產(chǎn)品，曝光膜片是以球面二角形的形式貼敷的，整個球表面曝光一致也是需要考慮的，可以在整個球表面的周圍設置全方位的曝光燈，實施球表面整體同時曝光，當?shù)厍騼x較大時，就需要配置較大的燈光設置，結(jié)構(gòu)龐大，占用空間大，成本高，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的方法是設置與地球儀的球面二角形對應的球面二角形曝光光源窗口，旋轉(zhuǎn)球體對球表面實施曝光。確定了球面二角形的角度后，通過設定曝光時間，只需確定球體的轉(zhuǎn)動總時間即可。旋轉(zhuǎn)的球體的同一條經(jīng)線上的各點，其角速度是相同的，因此保證了曝光的一致性。
金屬地球儀可以為實心的，也可以為空心的，也可以為夾心的，等等，只要是表面的金屬殼即可。最好是空心的，在強度和剛度有保證的情況下，壁層薄一些為好，減輕球體重量，節(jié)省材料，也便于支承，降低制作成本，一般地，球殼的厚度與外直徑之比為0.5/1000至3/1000為宜。優(yōu)選的是單層薄壁金屬地球儀，球殼外表面上有地文，其地球儀球殼為單層薄壁金屬球殼，球殼外表面上的地文由腐蝕凹陷構(gòu)成。金屬地球儀可以是不銹鋼、銅、低碳鋼等各種適宜的金屬材質(zhì)，既可以置于室內(nèi)，也可以置于室外，可以耐任何氣候，能夠經(jīng)受任何的風雨日曬，壽命長。
由本發(fā)明制備方法制得的產(chǎn)品規(guī)整，圖文與打印的一樣清晰、精致、準確。
本發(fā)明中，可以根據(jù)常識要求和其它要求進行相應的操作和調(diào)整，如油墨的涂敷厚度可以多試驗幾次確定，一般控制在0.03-0.05mm；油墨的加熱固化根據(jù)油墨的要求確定加熱溫度和保溫時間，加熱方式球殼直徑小于1600mm者可以在爐內(nèi)加熱，直徑更大者可以采用將蒸汽通入球殼內(nèi)腔中加熱的方法；顯影后，可以用碳酸鈉等弱堿溶液顯影劑清掉未感光的油墨；感光后的油墨用氫氧化鈉等強堿溶液清理，顯影和油墨的清理由油墨的性質(zhì)決定，按常規(guī)要求操作即可；在地球儀烘干后的油墨層上可以用黑墨水或刻刀劃出經(jīng)緯線；產(chǎn)品的后整理包括凈化處理、著色處理和表面防腐處理等等?？稍鲈O支承架，將制品置于支承架上，將地球儀置于地球儀支承架上，可以是定軸旋轉(zhuǎn)，也可以將地球儀安裝在旋轉(zhuǎn)框上，使地球儀球殼全方位旋轉(zhuǎn)，方便觀看使用。
可以看出，本發(fā)明球表面帶有永久性圖文的金屬制品，尤其是金屬地球儀的制備方法，快速、精確，而且成本低，易操作，適宜大小尺寸的各種規(guī)格產(chǎn)品，制作的產(chǎn)品耐風候，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，既可置于室內(nèi)，也可置于室外，可以作為教具，也可以觀賞，金屬材質(zhì)還大大增加了裝飾性能，直徑達3米乃至5米多的不銹鋼地球儀置于露天廣場中，雄偉壯觀。


圖1、球面二角形的數(shù)學定義示意圖。
圖2、與球殼面積相等的地球儀總面積球面二角形組合示意圖。
圖3、地球儀在萬向轉(zhuǎn)向架上的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4、地球儀旋轉(zhuǎn)曝光結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5、圖4的側(cè)視圖。
圖6、圖4的俯視圖。
圖7、不銹鋼地球儀示意圖。
圖8、球軸安裝在旋轉(zhuǎn)框上可全方位旋轉(zhuǎn)的金屬地球儀示意圖。
圖9、圖8的俯視圖。
圖10、金屬地球儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、球殼 2、支承架 3、液體盆 4、直流電源 5、噴頭 6、輸液管 7、水泵 8、曝光燈 9、球面二角形曝光窗口 10、曝光罩 11、單層薄壁金屬球殼 12、腐蝕凹陷圖文 13、色層 14、旋轉(zhuǎn)定軸 15、底座。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及金屬地球儀制品的制作實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1所示，設O為球殼的中心，OA為球殼的球半徑，兩大圓弧的交點A和A’，交點A上的相應大圓的切線(AB’、ACB’)間的夾角稱謂這兩大圓弧的夾角，它也可用兩平面OAB和OAC所構(gòu)成的二面角來度量。球面二角形AB A’C(圖中陰影部分)的面積SA＝2R2A(A為兩大圓弧夾角，單位為弧度)。
如圖10所示，本發(fā)明所述的金屬地球儀，地球儀球殼為單層薄壁金屬球殼11，球殼外表面上有腐蝕凹陷圖文12，圖文12上附著有色層13，金屬球殼11支承在底座15上，由定軸14支承旋轉(zhuǎn)。
金屬地球儀的制備方法是將設計好的圖文附到金屬球表面上，依次按下列步驟進行(1)地球儀球面圖樣的制作確定3mm厚不銹鋼球殼的直徑為3140mm后，通過球面幾何與球面三角的基本公式計算，應用微機制圖，以經(jīng)線為界，作出總面積與球殼面積相等的若干個球面二角形，再將這些具有示意圖樣和文字的球面二角形以黑白圖形文件“鏡象”翻版，再輸出打印到均勻、柔軟、吸水、透明且被涂抹粘結(jié)劑后可以按任意比例均勻延伸的硫酸紙上形成曝光膜片。
(2)在球殼設定的地球儀南、北極點的位置上，沿法線方向，分別焊接與球殼內(nèi)腔相通的空心軸，并使其架設在球殼萬向轉(zhuǎn)向架上(也可以用繩索吊起)。
(3)在球殼的外表面上，全面噴涂厚度為0.04mm的購置的由杭州科旺特種油墨廠生產(chǎn)的LPR-800感光耐腐蝕油墨。
(4)在無紫外線的環(huán)境中，向球殼空腔中通入蒸汽對油墨進行加熱固化，根據(jù)購置油墨的使用要求，控制溫度為80度(要求75-85度)，保溫時間45分鐘(要求15-50分鐘)，使油墨形成一定硬度的“油墨膜”牢固地附著在球殼表面上。
(5)在無紫外線的環(huán)境中，在烘干后的油墨膜上，用刻刀劃出地球儀的經(jīng)緯線。
(6)在無紫外線的環(huán)境中，將曝光膜片用透明膠水和甘油以1.5∶1的重量比配制成的粘結(jié)劑逐片均勻、密實地貼敷于球殼表面的相應位置上，漲緊拉伸，實現(xiàn)平面圖形向球面圖形的轉(zhuǎn)化。
(7)如圖4所示，將貼敷好曝光膜片的球殼球表面對應置于球面二角形曝光光源窗口處，旋轉(zhuǎn)球殼，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)曝光。
(8)對已經(jīng)曝光的油墨進行顯影處理，用濃度為1％的碳酸鈉水溶液的顯影劑進行沖洗顯影，時間為2分鐘左右。
(9)對通過顯影顯現(xiàn)出來的金屬光澤的圖形進行整體電化學加工，如圖3所示，可以向球殼表面噴灑氯化鈉水溶液，對球體連電，如將球殼和噴頭分別接電源的正、負極，完成電解腐蝕，圖形被加工的深度應滿足著色要求。此時，世界地圖的圖形即成為永久性的圖形留在球殼表面上。
(10)用濃度為4％的氫氧化鈉水溶液浸泡，除去球殼上被曝光已經(jīng)無用的油墨層。
(11)后處理按照地圖的“四色定理”對球殼圖形上的各相鄰區(qū)域進行著色，最后經(jīng)過清洗和防腐處理得金屬地球儀成品。
其它試驗情況用高度為球直徑1/2的球臺，在其球臺的球表面部分上進行人物圖形的裝飾，用微機制圖，“鏡象”翻版輸出、打印到硫酸紙上備用，在球表面上噴涂厚度為0.03mm的杭州科旺特種油墨廠生產(chǎn)的LPR-800感光耐腐蝕油墨，在爐內(nèi)加熱固化，溫度為78度，保溫時間30分鐘，在無紫外線的環(huán)境中，將帶圖樣的硫酸紙用透明膠水和甘油以1.5∶1的重量比配制成的粘結(jié)劑逐片貼敷于球表面的相應位置上，漲緊拉伸，進行曝光處理，用濃度為2％的碳酸鈉水溶液的顯影劑進行沖洗顯影，未曝光的油墨被沖掉后，對顯現(xiàn)出來的金屬光澤的圖形進行電化學加工，向球殼表面噴灑氯化鈉電解溶液，對球體連電，完成電解腐蝕，用濃度為3％的氫氧化鈉水溶液浸泡，除去球表面上已經(jīng)無用的油墨層，經(jīng)后處理得制品。
另外試驗的有關參數(shù)數(shù)值有粘結(jié)劑分別由透明膠水和甘油以1∶1，2∶1的重量比配制而成，備用溶液有濃度為2％、3％、4％碳酸鈉水溶液、濃度為3.5％、5％、6％的氫氧化鉀強堿水溶液，效果也很好。
權(quán)利要求
1.一種球表面帶有永久性圖文的金屬制品的制備方法，其特征在于將設計好的圖文附到金屬球表面上，依次按下列步驟進行(1)根據(jù)球表面大小制作有相應圖案的球面圖，并打印到透明、吸濕后可延伸的曝光膜片上；(2)在球表面上全面涂敷感光耐腐蝕油墨；(3)在無紫外線的環(huán)境中，對油墨進行加熱固化；(4)在無紫外線的環(huán)境中，將曝光膜片貼敷到球表面的相應位置；(5)對貼敷曝光膜片的油墨進行曝光處理；(6)對曝光處理后的油墨進行顯影處理，清掉未感光的油墨，露出金屬球表面基底；(7)對露出的金屬球表面基底進行腐蝕處理形成凹陷，構(gòu)成圖案；(8)清除金屬球表面的曝光油墨，經(jīng)后整理得產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于曝光膜片為硫酸紙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于曝光膜片通過透明吸濕粘結(jié)劑貼敷到球表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于透明吸濕粘結(jié)劑由透明膠水和吸濕劑勾兌調(diào)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的制備方法，其特征在于金屬球表面基底的腐蝕處理采用電化學處理法。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于電化學處理法為電解處理法。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于球表面帶有永久性圖文的金屬制品為金屬地球儀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于對貼敷曝光膜片的油墨曝光采用的是設置與地球儀的球面二角形對應的球面二角形曝光光源窗口，旋轉(zhuǎn)球體對球表面實施曝光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于金屬地球儀為單層薄壁金屬地球儀。
10.一種金屬地球儀，球殼外表面上有地文，其特征在于地球儀球殼為單層薄壁金屬球殼，球殼外表面上的地文由腐蝕凹陷構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明球表面帶有永久性圖文的金屬制品的制備方法，首先根據(jù)球表面大小制作有相應圖案的球面圖打印到透明、吸濕后可延伸的曝光膜片上備用，在球表面上全面涂敷感光耐腐蝕油墨，在無紫外線的環(huán)境中對油墨進行加熱固化，然后將曝光膜片貼敷到球表面的相應位置上，對貼敷曝光膜片的油墨進行曝光處理，再對曝光后的油墨進行顯影處理，清掉未感光的油墨，露出金屬球表面基底，對露出的金屬球表面基底進行腐蝕處理形成凹陷構(gòu)成圖案，最后清除金屬球表面的曝光油墨，再經(jīng)后整理得產(chǎn)品。本發(fā)明球表面帶有永久性圖文的金屬制品，尤其是金屬地球儀的制備方法，快速、精確，而且成本低，易操作，適宜大小尺寸的各種規(guī)格產(chǎn)品，制作的產(chǎn)品耐風候，壽命長。
文檔編號G03F7/20GK1673865SQ20041002382
公開日2005年9月28日 申請日期2004年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月22日
發(fā)明者趙文賢 申請人:趙文賢