CN109278154A

CN109278154A - 3d打印粘土实心砖快速成型控制方法

Info

Publication number: CN109278154A
Application number: CN201811179925.1A
Authority: CN
Inventors: 苏栋; 黄俊杰; 林泽烨; 揭英豪
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2019-01-29

Abstract

本发明提供了一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，包括以下步骤：S1:制备粘土浆体；S2:通过3D打印快速成型工艺将粘土浆体堆叠成粘土实心砖。本发明的有益效果是：给出了3D打印粘土实心砖快速成型的控制指标；粘土实心砖的成型过程不再进行高温烧结，具有环保的优点。

Description

3D打印粘土实心砖快速成型控制方法

技术领域

本发明涉及粘土实心砖，尤其涉及一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法。

背景技术

传统的粘土砖也被称烧结砖，是世界上最古老的建筑材料之一，目前，粘土砖仍在墙体材料中居主导地位。粘土砖以粘土（包括页岩、煤矸石等粉料）为主要原料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而成，形式主要有方形和长形砖等，具有价格便宜，经久耐用，还有防火、隔热、吸潮等优点，因此，其广泛运用于土木建筑工程中。粘土砖可分为实心砖和空心砖两大类，其中，实心砖多用于承重结构墙体，空心砖多用于非承重结构墙体。

但是，传统粘土砖也存在许多缺陷：

（1）自重大

作为砌筑承重结构墙体的实心砖，其重量大于其他墙体砌筑材料，使得结构需要承受较大自重，导致墙体尺寸增大，最终提高了工程造价。

（2）隔音效果较差

由于传统粘土砖空隙率较小，当声音传播到粘土砖中时，没有对声音进行隔离，声波能量无法有效地耗散，最终导致传入建筑内部的声音分贝降低很少，隔音效果较差。

（3）对环境破坏大

粘土砖需要在约1400℃的高温高压条件下烧结成型，会产生大量的废气和粉尘污染。

因此，如何成型自重小、隔音效果较好的粘土砖，并且成型过程对环境破坏较小是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法。

本发明提供了一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，包括以下步骤：

S1：制备粘土浆体；

S2：通过3D打印快速成型工艺将粘土浆体堆叠成粘土实心砖。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，通过筛分法去除颗粒粒径大于0.005mm的粗颗粒，并按照一定的含水率配置湿粘土，搅拌均匀，形成粘土浆体。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所用材料来自于建筑弃土或渣土。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，按照含水率区间为33～35%（液限+1%～液限+3%）制备粘土浆体。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，将3D打印快速成型工艺的挤出速度控制在4.5mm/s～5.5mm/s区间内。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，将3D打印快速成型工艺的打印层叠高度控制在1.0mm～1.8mm区间内。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，配置含水率为33%（液限+1%）的粘土浆体，在步骤S2中，将3D打印快速成型工艺的挤出速度控制为5mm/s，将3D打印快速成型工艺的打印层叠高度控制在1.5mm。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，通过检测粘土浆体的工作性能和可建造性能来衡量粘土浆体的成型效果好坏，从而来调整控制粘土浆体的含水率，粘土浆体的挤出速度、打印层叠高度。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，以制备好的粘土浆体为原料，通过3D打印快速成型工艺打印边长为30mm的粘土砖，通过检测粘土浆体的挤出连续性来衡量其工作性能；通过检测粘土浆体的粘稠度、试样砖的水平方向和竖直方向的变形量以及表观效果来评价其可建造性。

作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，利用游标卡尺测量试样砖在沉降稳定时水平方向和竖直方向的变形量来反映粘土浆体的强度；通过可连续挤出的粘土浆体长丝的长度来评定粘土浆体的挤出连续性的优劣；通过所需挤出压力大小和粘土砖的变形程度综合判定粘土浆体的粘稠度；通过观察打印完成的粘土砖表面是否有裂纹和粗糙程度来判定表面效果的好坏。

本发明的有益效果是：通过上述方案，可以快速成型自重小、隔音效果较好的粘土实心砖；粘土实心砖的成型过程不再需要进行高温烧结，具有环保的优点。

附图说明

图1是本发明一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法的含水率试验成型次数堆叠图。

图2是本发明一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法的打印速率试验成型次数堆叠图。

图3是本发明一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法的打印层叠高度试验成型次数堆叠图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，包括以下步骤：

S1：制备粘土浆体；

S2：通过3D打印快速成型工艺将粘土浆体堆叠成粘土实心砖。

本发明为一种利用新兴的3D打印技术，生产周期短，制备、成型、加工一体化，可实现传统粘土砖的快速成型，也可满足多样化设计的批量生产。

本发明所用材料来自于建筑弃土或渣土，由于3d打印工艺对材料粘度和流动度都具有较高要求，因此，需通过筛分法去除颗粒粒径大于0.005mm的粗颗粒，并按照最佳的含水率配置湿粘土，搅拌均匀，通过软件程序将三维模型切片，并驱动喷头将材料精确堆积成结构复杂的粘土砖，本发明的3D打印粘土砖工艺步骤简单、生产周期短、可批量生产个性化结构构件。并且，原材料的利用率高，生产制造过程绿色环保，对人体健康无负面影响。而且，实现了建筑弃土的循环利用，有效解决了弃土堆放问题，降低了工程造价。

本发明提供的一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，从含水率、打印速率、打印层叠高度三方面解决了目前打印粘土砖难以成型的问题，提出了一套实用有效的成型控制方法，为3D打印粘土砖的推广使用奠定了基础，具体控制过程如下：

1、本发明通过检测粘土浆体的工作性能和可建造性能来衡量浆体的成型效果的好坏。

2、通过检测粘土浆体的挤出连续性来衡量其工作性能；通过检测粘土浆体的粘稠度、最终粘土砖体的变形量（水平方向或竖直方向）以及表观效果来评价其可建造性。

3、利用游标卡尺测量打印完成的粘土试样砖沉降稳定时水平方向或竖直方向变形来反映粘土的强度；通过可连续挤出的粘土长丝的长度评定材料挤出连续性的优劣；通过所需挤出压力大小和试件变形程度综合判定粘土浆体的粘稠度；通过观察打印完成的粘土试样砖表面是否有裂纹和粗糙程度来判定粘土试样砖的表面效果的好坏。

4、通过打印了125组不同含水率的边长为30mm的立方体试块（即粘土试样砖），最终将可成型试样个数与不可成型试样个数统计如图1所示。当含水率小于等于25%时，挤出的土样连续性极低，粘土浆体不具有挤出性，过压挤出时甚至会堵塞喷头，打印出的试件表面粗糙或产生轻微开裂，其打印综合性能极差；当含水率大于等于45%时，粘土具有极高的挤出性和流动度，但会导致打印的物件下部不具备足够的承重能力，导致打印物件坍塌，样品形变较大，无法成型，当含水率介于26%-31%和39%-44%时，打印成品可以成型，但是成型的概率较低，不适合作为最优含水率界限，故可确定该高岭土的较优成型含水率区间为33～35%，在该含水率区间内打印成品100%满足成型要求，即约为（ω_L+1%）～（ω_L+3%）, ω_L为粘土材料的液限。

5、通过在不同挤出速度的条件下打印出50组边长为30mm的立方体试块，记录并统计其中可成型和不可成型的试样个数，并将试验结果采用堆叠图的形式给出，如图2所示。当原料输出速率在1.0mm/s～3.5mm/s的低速区间时，由于打印机喷头的移动速度恒定，而原料输出速率过慢，从而使得粘土条打印不连续，造成粘土条与底层衔接效果差，最终导致试件断层扭曲，严重时甚至造成试样崩塌，因此，在该打印速率下，打印综合性能极差；当原料输出速率在7mm/s～10mm/s的高速区间时，打印出的粘土试块出现局部堆叠现象，对于堆叠区域的下部来说，局部堆叠粘土会导致其承受过大的压力，使其塌陷。对于堆叠的区域的上部来说，堆叠的粘土会令上层的粘土条高低不平，导致其脱节，最终打印的试件严重变形。当原料输出速率在4.5mm/s～5.5mm/s的区间内时，打印出来的粘土条连续性良好，每一层都可以保证连续不断节，也不会出现局部堆叠情况。

6、通过改变不同的打印层叠高度（即打印粘土条直径）打印出80组边长为30mm的立方体试块，将可成型与不可成型的试样个数用堆叠图的形式表示，具体如图3所示。最终可得出结论：打印层叠高度对材料的可建造性具有十分显著的影响，若打印层叠高度设定不合理，在打印过程中就会使得粘土条出现错位现象，甚至导致打印的粘土条无法层叠。当打印层叠高度在1.9mm以下时，打印的试件成型效果佳。而打印层叠高度从1.9mm开始，随着打印层叠高度的增加，试样不成型的概率不断增加，当打印层叠高度增大至2.5mm时，由于下部粘土条承载能力不足，会出现局部扭曲的现象。在局部扭曲的部位附近，粘土条偏移软件设定的模型位置，使得上层的粘土条打印出来时，下部无法承受上部的自重荷载，另外，局部扭曲也会令打印的试件失去稳定性和重心偏移，最终导致试件无法成型。因此，根据试验结果可得出，1.0mm～1.8mm为最优打印层叠高度。

7、结合试验所得最优参数区间，配置含水率33%的粘土，调整原料输出速率为5mm/s，设定层叠高度为1.5mm，然后进行试块打印。试件的单层堆积形变量小，浆体单层堆积成型状态稳定，其受到上层浆体堆叠时对结构整体的影响小，流动度较高，浆体表观效果较优，无明显裂缝且表面光滑，浆体的综合性能显著。

本发明提供的一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，具有以下优点：

（1）成型原材料取于建筑弃土或渣土，实现废弃资源再利用，是解决弃土填埋问题最经济有效的方法，并且3D打印技术令材料的利用效率提高高，大幅度降低了工程造价，带来了巨大的经济效益。

（2）采用3D打印工艺相比于传统粘土砖工艺步骤简单，无需在高温高压环境下烧结，同时保护了国家本就稀缺的良田资源，具有广阔的应用前景。

（3） 3D打印粘土实心砖可以满足不同风格现代建筑对结构构件形式的要求，高精度的生产模式可以很好地实现复杂的结构构件批量化、自动化生产，提高了生产效率，缩短了施工工期。

（4）本发明在含水率、打印速率、打印层叠高度三个方面提出来成型控制方法，并给出了三个方面的最优可成型范围，为后续3D打印粘土研究提供了数据支持和理论基础，给出了3D打印粘土实心砖快速成型的控制指标，可指导3D打印粘土砖在实际工程中的生产和应用。

本发明提供的一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，所成型的粘土实心砖可广泛应用于各类建筑物及构筑物中，可作为各类结构复杂的建筑物承重构件和围护构件，并具有广阔的应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:制备粘土浆体；

S2:通过3D打印快速成型工艺将粘土浆体堆叠成粘土实心砖。

2.根据权利要求1所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S1中，通过筛分法去除颗粒粒径大于0.005mm的粗颗粒，并按照一定的含水率配置湿粘土，搅拌均匀，形成粘土浆体。

3.根据权利要求1所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：步骤S1中所用材料来自于建筑弃土或渣土。

4.根据权利要求1所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S1中，按照含水率区间为33～35%或者液限+1%～液限+3%制备粘土浆体。

5.根据权利要求1所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S2中，将3D打印快速成型工艺的挤出速度控制在4.5mm/s～5.5mm/s区间内。

6.根据权利要求1所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S2中，将3D打印快速成型工艺的打印层叠高度控制在1.0mm～1.8mm区间内。

7.根据权利要求1所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S1中，配置含水率为33%或者液限+1%的粘土浆体，在步骤S2中，将3D打印快速成型工艺的挤出速度控制为5mm/s，将3D打印快速成型工艺的打印层叠高度控制在1.5mm。

8.根据权利要求1所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S1中，通过检测粘土浆体的工作性能和可建造性能来衡量粘土浆体的成型效果好坏，从而来调整控制粘土浆体的含水率，粘土浆体的挤出速度、打印层叠高度。

9.根据权利要求8所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S1中，以制备好的粘土浆体为原料，通过3D打印快速成型工艺打印成型试样砖，通过检测粘土浆体的挤出连续性来衡量其工作性能；通过检测粘土浆体的粘稠度、试样砖的水平方向或竖直方向的变形量以及表观效果来评价其可建造性。

10.根据权利要求9所述的3D打印粘土实心砖快速成型控制方法，其特征在于：在步骤S1中，利用游标卡尺测量试样砖在沉降稳定时水平方向或竖直方向的变形量来反映粘土浆体的强度；通过连续挤出的粘土浆体长丝的长度评定粘土浆体的挤出连续性的优劣；通过所需挤出压力大小和试样砖的变形程度综合判定粘土浆体的粘稠度；通过观察打印完成的试样砖表面是否有裂纹和粗糙程度来判定表面效果的好坏。