在Binder Jet 3D打印實(shí)驗(yàn)中使用貝殼和石膏粉

在海洋之旅中，我將不可避免地從海灘上拾起并欣賞一些貝殼，并考慮將它們帶回家，在帶有沙子的花瓶中展示，盡管我很少跟進(jìn)。除了它們的美妙程度之外，構(gòu)成貝殼的粉末實(shí)際上是一種天然的生物陶瓷材料，以前用作生產(chǎn)輕質(zhì)低強(qiáng)度混凝土的成分，用于攤鋪機(jī)等應(yīng)用。我們自己的3DPrint.com作家Carmen Brio以前甚至在3D打印中使用海貝殼，將它們用作她制作的FDM燈絲的填充物。后來，學(xué)生們也用肌肉彈制成細(xì)絲�，F(xiàn)在，來自奧克蘭理工大學(xué)（AUT），Scion和德國Beckmann-InstitutfürTechnologieentwicklung的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)很好奇，如果貝殼粉末可以用于3D打印，并發(fā)表了一篇題為“貝殼粉末粘合機(jī)理”的論文基于陶瓷復(fù)合材料用于Binder-Jet 3D打印”，詳細(xì)介紹了他們的工作。

摘要中寫道：“考慮到材料固結(jié)機(jī)理和機(jī)械特性，已對海殼粉末基陶瓷復(fù)合材料的Binder-jet 3D打印響應(yīng)進(jìn)行了評估。手動(dòng)完成初始實(shí)驗(yàn)印刷試驗(yàn)，將復(fù)合粉末的組成從貝殼粉末和其余灰泥的5％至50％變化�？偟膩碚f，貝殼和石膏組合在粘合劑噴射工藝條件下獲得必要的生坯強(qiáng)度方面表現(xiàn)良好。掃描電子顯微鏡和3點(diǎn)彎曲結(jié)果表明，在較低水平的貝殼組分下沒有明顯的性能損失，但強(qiáng)度降低超過25％。就最佳壓縮強(qiáng)度而言，貝殼粉末的最佳含量為15-20％（重量）。然而，純凈的海貝殼粉末在與粘合劑液體相互作用后立即變得太粘，并且沒有顯示任何可以加速的結(jié)合機(jī)制的證據(jù)。

由于粘合劑噴射是陶瓷的一種流行的AM技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)評估了各種貝殼粉末組合物如何對其作出反應(yīng)，注意到民用建筑混凝土與使用粘合劑噴射3D打印產(chǎn)生復(fù)雜形式之間的“設(shè)置機(jī)制的巨大差異”。。如果我們能夠更好地制造具有復(fù)雜幾何形狀的多孔部件，那么在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量管理中的應(yīng)用可能會(huì)開放。


“雖然傳統(tǒng)的水泥設(shè)置需要更長時(shí)間才能運(yùn)行數(shù)天，但3D打印需要瞬間設(shè)置，因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)獲得一定量的綠色強(qiáng)度是必不可少的，粉末掃描臂會(huì)隨之進(jìn)行。研究人員寫道，必須加速顆粒固結(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)保持先前固結(jié)層完好所需的快速生坯強(qiáng)度，同時(shí)掃描擴(kuò)散下一層粉末。本文的重點(diǎn)是確定貝殼粉末在這些條件下的表現(xiàn)。”

打印有不同成分的樣品

該團(tuán)隊(duì)完成了基于純貝殼粉末的初步試驗(yàn)，但它在水分周圍是惰性的，這肯定是行不通的 - 水分是基于石膏的3D打印材料的基本觸發(fā)機(jī)制。因此，他們創(chuàng)造了具有不同成分的石膏——貝殼陶瓷粉末材料，并基于機(jī)械和微觀結(jié)構(gòu)特征評估了它們。


研究人員解釋說，“作為當(dāng)前研究的一部分，所有3D打印試驗(yàn)采用了粘合劑噴射3D打印方法。商業(yè)Z-Corp系統(tǒng)通常是進(jìn)行此類研究的平臺。這些系統(tǒng)目前被3D系統(tǒng)項(xiàng)目版本所取代，但工作原理是相同的，特別是粘合劑解決方案或多或少保持不變�？紤]到改變粘合劑溶液的復(fù)雜性，我們采用了與市售相同的解決方案，這相當(dāng)于以前的Z-Corp材料選項(xiàng)的Zb60。作為本研究的一部分而建造的所有樣品均基于相同的Zb60粘合劑流體�？紤]到需要生產(chǎn)大量材料以便使用實(shí)際的打印機(jī)，所有的試驗(yàn)都是在模擬的粘合劑噴射印刷方法中進(jìn)行的，其中粉末在塑料容器中一層一層地手動(dòng)分散，同時(shí)噴射粘合劑。通過注射器。可以注意到，所有樣品都是基于制造移位印刷裝置并手動(dòng)分散粘合劑而制備的。這很難校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)主要是為了評估新粉末復(fù)合材料對粘合劑噴射法加工的初步反應(yīng)�！�

測試了貝殼粉末——石膏復(fù)合材料的組成。

任何3D打印粉末的主要屬性是良好的擴(kuò)散特性，反應(yīng)速率和潤濕角度。該團(tuán)隊(duì)首先對貝殼粉末進(jìn)行了評估，注意到材料會(huì)迅速吸收材料并變成塊狀，因此不能擴(kuò)散到粘合劑噴射所需的薄層中。他們通過用計(jì)算量的液體膠水處理粉末樣品來觀察反應(yīng)速率，并確定該組合具有“無反應(yīng)機(jī)制”。膠水在表面上的潤濕角度也取決于它與粉末的相互作用，如膠水粉末表面的流動(dòng)無法控制。


“基于所有這些結(jié)果，很明顯貝殼粉本身不能成為通過粘合劑噴射方法進(jìn)行3D打印的候選材料，”研究人員確定地說。

“顯然，用于3D打印的材料候選者所需的所有三個(gè)基本方面都不能自然地與貝殼粉末一起使用，并且需要通過添加其他成分來固定。在嘗試了幾種替代品之后，石膏粉被認(rèn)為是形成貝殼粉末 - 陶瓷復(fù)合材料的良好組合，符合所有這三項(xiàng)測試的要求�！�

研究人員還嘗試通過將貝殼粉末與各種重量比例的石膏相結(jié)合來表征貝殼粉末。

“將粘合劑膠注入注射器中并手動(dòng)沉積在各層上。研究人員寫道，矩形樣品可用于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)�！睂τ诿恳粚樱�所需量的粉末沉積在基材上，然后使用木制刮刀均勻鋪展，保持層厚度約為1mm。然后將計(jì)算量的粘合劑流體添加到以Z字形光柵路徑圖案移動(dòng)注射器的層中。重復(fù)該過程以構(gòu)建十層，并且一旦所有層被印刷，將樣品固化至少6小時(shí)，然后取出它們。

拍攝3D打印樣品的SEM顯微照片，完成EDS分析以“證實(shí)觀察”石膏晶體和貝殼粉末分散體的生長和形成，研究人員還進(jìn)行了點(diǎn)分析以“確定分散體周圍的預(yù)測”石膏晶體網(wǎng)絡(luò)中的貝殼粉末�！白詈螅�他們將3D打印的矩形塊，用各種成分制成，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，以確定機(jī)械性能，并發(fā)現(xiàn)3D打印的純石膏樣品具有最佳的最大抗壓性。有趣的是，添加貝殼粉實(shí)際上有助于惡化這種阻力，這顯然不是目標(biāo)。

“總的來說，貝殼粉末和石膏組合被證明適用于粘合劑噴射工藝的3D打印。然而，貝殼粉末沒有固有的反應(yīng)性或機(jī)制來提高粘合強(qiáng)度，“研究人員總結(jié)道�！八鼘⒈Ａ粼谑�膏相的晶體網(wǎng)絡(luò)中，并且不會(huì)使機(jī)械性能惡化至15-20％（重量）。除此之外，壓縮強(qiáng)度太低，印刷樣品太脆弱。含有高達(dá)20％（重量）貝殼粉末的能力本身就是一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榉勰��?fù)合材料將生物學(xué)風(fēng)格帶入材料系統(tǒng)，并使盒子具有可持續(xù)性。

來源： 廣西增材制造協(xié)會(huì)