高强石膏3D打印材料流变特性与结构成型调控研究

发布时间：2020-06-28 08:38

【摘要】：3D打印(增材制造)技术是现代制造业重大变革的标志性技术,将带动全球制造业的升级发展。将3D打印技术应用于建筑装饰领域,在减少施工工序和降低劳动强度的同时,可实现施工技术的自动化和智能化,以及实现装饰效果的个性化和多样化。3D打印技术是引领未来建筑实现装饰便捷化、个性化、功能一体化的重要手段。石膏材料具有绿色环保、生产成本低等特点,是建筑室内装饰领域最具竞争力的材料之一。与金属、聚合物等打印材料不同,石膏材料硬化成型过程须历经水化反应,无法借助于温度、光照等外界条件实现瞬时固化成型。石膏材料应用于现有3D打印工艺存在浆体流动稳定性差,打印成型时间与石膏固化时间难以精确匹配等问题,导致打印成型体精度低、体积稳定性差、性能难以保证。本文依托“十三五”国家重点研发计划“功能型装饰装修材料3D打印关键材料成型工艺及核心装备研究”(2016YFC0700905-04)。针对石膏胶凝材料在建筑装饰3D打印领域面临的成型工艺与材料性能不匹配的问题,以高强石膏为主要原料,基于石膏材料的水化硬化理论,提出适用于石膏材料的3D打印工艺,对石膏基3D打印材料关键制备技术、材料特性和调控机理进行研究,突破现有3D打印工艺对石膏材料成型的制约。论文取得的主要创新成果有:首次提出适合于石膏材料的高流态稳态输送-快速固化-稳定成型3D打印工艺经时模型(High_fluidity_transport-Rapid_solidification-Stable_molding,HFT-RS-SM)。基于石膏材料水化硬化特征,提出了全新的适合于石膏材料的打印工艺;基于材料在工艺全过程的性能参数变化,划分工艺的高流态稳态输送-快速固化-稳定成型打印三阶段经时模型,建立与之匹配的材料制备技术;同时,基于所提出的石膏基3D打印工艺,建立高强石膏材料成型全过程粘度、强度发展特征模型,为进一步材料的制备以及性能调控提供理论基础。研发3D打印HFT阶段石膏浆体高流态、稳定输送特性调控方法。根据3D打印HFT-RS-SM工艺对材料高流态稳态输送的要求,制备3D打印HFT阶段高流态石膏浆体:流动度≥280 mm,稳定流动时间45 min,塑性粘度0.3 Pa·s。研究HFT阶段石膏材料的流变性能;探讨不同表面改性组分、温度对高流态石膏浆体的影响机制,解决3D打印浆体材料高流态与高稳定态的矛盾,揭示不同表面改性组分对α-石膏水化过程反应的控制机理:以吸附作用改善浆体的流动性能,不同表面改性组分之间还存在竞争吸附现象。研发实现3D打印IS阶段石膏浆体材料快速转变的化学固化组分。根据3D打印HFT-RS-SM工艺RS阶段对浆体材料快速固化的要求以及HFT阶段浆体材料的特性,探究快速固化组分对高流态浆体材料的固化转变特性,解决3D打印石膏材料稳定流动状态与快速固化之间的矛盾,实现高稳态流动浆体快速转化,转变时间1 min,并实现固化时间可调。基于化学固化本征特性,探究快速固化组分对石膏浆体快速固化的作用机理:快速固化组分提高了石膏溶解速率,增大了反应过程中离子过饱和度,加速了诱导结晶成核速率,促进石膏晶核的快速形成并长大。研究3D打印工艺参数对分层成型体的宏观和微观结构影响规律。针对3D打印分层成型特点,系统研究SM阶段分层成型石膏硬化体的力学性能、成型尺寸精度的变化规律,探究分层成型工艺对层间界面孔结构、界面强度、显微硬度、微观形貌的影响;结果表明:快速固化组分的加入提高了分层成型石膏硬化体早期力学性能,5 min时整体强度接近4 MPa;同时弥补了石膏水化硬化过程产生的微膨胀,线性膨胀率0.02%,提高了成型体的体积稳定性;3D打印分层成型工艺增加了界面区的孔结构缺陷,对打印成型体宏观性能产生了负面影响。本文研究成果对于促进3D打印石膏材料的理论研究,推动3D打印技术在建筑装饰领域的工程应用具有重要意义。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ177.36;TP391.73
【图文】：

快速成型技术

11]（Rapid Prototyping，RP）技术的一个分支（如图1-1所示），3D打印技术是一种融合了数字建模、机电控制、信息科学、材料科学等多学科领域前沿技术的一种应用型技术[12]；是一种以数字模型文件为基础，通过自动化成型控制，运用可粘合材料等打印材料，通过逐层叠加打印的方式进行实物成型的增材制造技术；是第三次工业革命的重要标志之一[13]。

打印技术,应用领域

图 1-1 快速成型技术的分类[14]Fig. 1-1 The classification of rapid prototyping technology 20 年里，快速成型技术发展迅速，且在诸多行业进行了统意义上来讲，3D 打印技术常用于生产低产量、小尺寸者高端消费品。据 2014 年 3D 打印技术市场应用份额统3D 打印技术主要应用于消费品和电子产品，占据市场份、商业，分别占据市场份额的 14.7%和 11.7%。其在建筑位，仅有 4.8%，该技术在实体建筑建造领域尚处于试验管如此，3D 打印在其他领域的成功应用也为 3D 建筑打印技术的开发与推广提供了良好的技术思路和研究基础。

【参考文献】