CN109748557A - 一种复杂形状混凝土制品的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂形状混凝土制品的3D打印方法，具体步骤如下：1)将混凝土制品模型切片程序输入到3D打印机上；2)称取干粉原料：42.5硅酸盐水泥或快硬硫铝酸盐水泥100份，早强剂0.1～2份、减水剂0.5～5份、增稠剂0.5～5份，按水胶比0.3～0.5配制得到水泥浆体；3)将骨料粉末铺平，将模型相应截面形状的水泥浆体喷出，层层叠加直至成型出混凝土制品模型，再将模型干燥、抛光、打磨得到混凝土制品。本发明采用选择性浸渍成形快速制造工艺，水泥浆体均匀渗透进骨料中再进行水化作用作为粘接剂将骨料紧密结合在一起，所得混凝土制品致密度高、性能好。

Description

一种复杂形状混凝土制品的3D打印方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种复杂形状混凝土制品的3D打印方法。

背景技术

自1980年以来，3D打印制造领域大幅增长，高分子材料、生物材料、金属材料、陶瓷材料等许多材料已经利用了这一技术。混凝土3D打印制造是一个有前途的替代传统施工方式的混凝土建筑行业新技术，3D打印制造的预制构件已经在实验室规模生产，这种技术可以用来制造墙壁或设计结构件。3D打印是通过逐层叠加材料，使工件成形的过程。

在混凝土施工中，将增材制造和混凝土材料结合，可以节约施工周期、降低施工成本、降低污染。增材制造领域使用在开放空间直接挤压混凝土的过程，被称为直写自由成型打印(Direct Ink Writing，DIW)。直写自由成型的优点是可以快速制造大型部件。这种增材制造必须处理一个问题：在打印过程中需要进行人工添加支撑，才能打印复杂的结构。另外一种三维打印成型技术((Three Dimensional Printing，3DP)，采用铺粉辊将水泥粉末预先铺平，然后将粘接剂溶液按零件截面形状从喷头中喷出，使粉末粘结在一起形成零件形状，层层叠加直至成型出设计的三维模型。但这样的成型过程中，没有骨料，只有水泥胶凝材料，不算是真正意义上的混凝土3D打印，并且黏结剂黏合强度受限导致部件强度有限，难以获得机械性能优良的产品。

本发明克服了以上3D打印技术应用领域的不足，提出了一种复杂形状混凝土制品的3D打印方法，无需支撑材料即可制备复杂结构的混凝土制品，同时获得优良的致密度和性能，实现真正意义上的混凝土复杂构件的打印。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种复杂形状混凝土制品的3D打印方法，采用该方法能够使浆料保持稳定，并能均匀持续挤出。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

本发明提供一种复杂形状混凝土制品的3D打印方法，具体步骤如下：

1)通过软件(Cura，Repetier，Slicer等)将复杂形状混凝土制品模型切片后，将所得切片程序输入到3D打印机上；

2)水泥浆体的制备：按以下重量份比例称取干粉原料：42.5硅酸盐水泥或快硬硫铝酸盐水泥100份，早强剂0.1～2份、减水剂0.5～5份、增稠剂0.5～5份，按水胶比0.3～0.5配制得到水泥浆体；

3)制备复杂形状混凝土制品：将步骤2)所得水泥浆体混合好后置于3D打印机挤出装置内部，采用铺粉辊将骨料粉末预先铺平，形成单层层高的骨料粉末，利用3D打印机的控制软件，将模型相应截面形状的水泥浆体从挤出装置喷头喷出，使相应区域的骨料粉末通过水泥浆料浸渍粘结在一起形成模型单层形状，单层打印完毕后再铺单层层高的骨料粉末并喷出模型相应截面形状的水泥浆体，层层叠加直至成型出混凝土制品模型，再将模型干燥、抛光、打磨得到混凝土制品。

按上述方案，步骤2)所述早强剂为无水硫酸钠或无水氯化钙。

按上述方案，步骤2)所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂或萘磺酸盐减水剂，固含量为20～40％。

按上述方案，步骤2)所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素或甲基纤维素。

按上述方案，步骤2)配制水泥浆体工艺条件为：先在50～60转/min速率下将干粉组分水泥、早强剂、减水剂、增稠剂混合2～5分钟，然后在行星运动混合器中将水以及干粉组分混合，混合阶段包括两个步骤：以50～150转/min运行2～5分钟，以100～300转/min运行2～5分钟。

按上述方案，步骤2)所述水泥浆体流动度为90～120mm(按照GBT 8077-2012测试)，保水性为90～99％(按照JGJ/T70-2009测试)。

按上述方案，步骤3)所述骨料粉末为0.5～3.5mm的天然砂、人工砂中的至少一种，所述天然砂包括砂或碎卵石，所述人工砂包括石英砂或矿渣。

按上述方案，步骤3)单层层高为1～5mm。

本发明还包括根据上述方法制备得到的复杂形状混凝土制品。

本发明的有益效果在于：1、本发明采用选择性浸渍成形快速制造工艺，水泥浆体均匀渗透进骨料中再进行水化作用作为粘接剂将骨料紧密结合在一起，所得混凝土制品致密度高、性能好，用全新的方式实现了真正意义上的混凝土3D打印。2、本发明不需要特殊的原材料，打印材料成本低易获取，并且成型周期短，产品精度高，由于骨料可以作为支撑，不需要支撑材料，可以实现更加复杂形状的混凝土制品打印制备。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的混凝土制品照片；

图2为实施例2制备的混凝土制品照片；

图3为实施例3制备的混凝土制品照片。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例所用减水剂固含量为40％。

实施例1

一种复杂形状混凝土制品的3D打印制备方法，所述的原料包括42.5硅酸盐水泥、1mm粒径石英砂、外加剂(无水硫酸钠、甲基纤维素、聚羧酸系高性能减水剂)和水，制备步骤如下：

1)通过软件(Repetier)将直径40mm高10mm的圆柱镂空形状切片后，将切片程序输入到3D打印机上；

2)水泥浆体的混合搅拌：按以下重量份比例称取干粉原料：42.5硅酸盐水泥100份，无水硫酸钠2份、聚羧酸系高性能减水剂1份、甲基纤维素1份，按水胶比0.35配制得到水泥浆体(按照GBT 8077-2012测试流动度为100mm，按照JGJ/T70-2009测试保水性为96％)，配置过程中先在60转/min速率下将干粉组分(42.5硅酸盐水泥、外加剂)混合2分钟，然后在行星运动混合器中将水以及干粉组分混合，混合阶段包括两个步骤：以140转/min运行2分钟，以280转/min运行3分钟；

3)制备复杂形状混凝土制品：将步骤2)所得水泥浆体混合好后置于3D打印机挤出装置内部，挤出装置通过气压或者螺杆的压力，使水泥浆体能够稳定的从挤出头挤出，采用铺粉辊将石英砂粉末预先铺平，形成单层层高3.5mm的石英砂粉末。将模型相应截面形状的水泥浆体从挤出装置喷头中喷出，利用3D打印机的控制软件输出打印代码进行运动控制，使相应区域的骨料粉末通过水泥浆料选择性浸渍粘结在一起形成直径为40mm圆形镂空单层形状。单层打印完毕后再铺单层层高的骨料粉末并喷出模型相应截面形状的水泥浆体，层层叠加直至成型出直径40mm高10mm的圆柱体镂空形状制品，将模型放置干燥箱干燥24小时后对模型进行抛光打磨得到外观整齐的圆柱镂空形状制品，照片如图1所示。

28天后测本实施例制备的混凝土制品材料抗压强度达到37.2MPa。

实施例2

一种复杂形状混凝土制品的3D打印制备方法，所述的原料包括42.5硅酸盐水泥、1.5mm粒径石英砂、外加剂(无水硫酸钠、甲基纤维素、聚羧酸系高性能减水剂)和水，制备步骤如下：

1)通过软件(Repetier)将边长40mm的正方体切片后，将切片程序输入到3D打印机上；

2)水泥浆体的混合搅拌：按以下重量份比例称取干粉原料：42.5硅酸盐水泥100份，无水硫酸钠1份、聚羧酸系高性能减水剂1份、甲基纤维素0.5份，按水胶比0.38配制得到水泥浆体(按照GBT 8077-2012测试流动度为120mm，按照JGJ/T70-2009测试保水性为90％)，配置过程中先在60转/min速率下将干粉组分(42.5硅酸盐水泥、外加剂)混合2分钟，然后在行星运动混合器中将水以及干粉组分混合，混合阶段包括两个步骤：以100转/min运行2分钟，以200转/min运行3分钟；

3)制备复杂形状混凝土制品：将步骤2)所得水泥浆体混合好后置于3D打印机挤出装置内部，挤出装置通过气压或者螺杆的压力，使水泥浆体能够稳定的从挤出头挤出，采用铺粉辊将石英砂粉末预先铺平，形成单层层高3mm的石英砂粉末。将模型相应截面形状的水泥浆体从挤出装置喷头中喷出，利用3D打印机的控制软件输出打印代码进行运动控制，使相应区域的骨料粉末通过水泥浆料选择性浸渍粘结在一起形成边长40mm正方形形状。单层打印完毕后再铺单层层高的骨料粉末并喷出模型相应截面形状的水泥浆体，层层叠加直至成型出边长40mm的正方体形状制品，将模型放置干燥箱干燥24小时后对模型进行抛光打磨得到外观整齐的正方体形状制品，照片如图2所示。该混凝土制品7天保养后抗压强度为43.7MPa。

实施例3

一种复杂形状混凝土制品的3D打印制备方法，所述的原料包括42.5硅酸盐水泥、1mm粒径石英砂、外加剂(无水硫酸钠、甲基纤维素、聚羧酸系高性能减水剂)和水，制备步骤如下：

1)通过软件(Repetier)将边长40mm高10mm的方形镂空形状切片后，将切片程序输入到3D打印机上；

2)水泥浆体的混合搅拌：按以下重量份比例称取干粉原料：42.5硅酸盐水泥100份，无水硫酸钠2份、聚羧酸系高性能减水剂2份、甲基纤维素1份，按水胶比0.36配制得到水泥浆体(按照GBT 8077-2012测试流动度为100mm，按照JGJ/T70-2009测试保水性为97％)，配置过程中先在50转/min速率下将干粉组分(42.5硅酸盐水泥、外加剂)混合3分钟，然后在行星运动混合器中将水以及干粉组分混合，混合阶段包括两个步骤：以140转/min运行4分钟，以200转/min运行2分钟；

3)制备复杂形状混凝土制品：将步骤2)所得水泥浆体混合好后置于3D打印机挤出装置内部，挤出装置通过气压或者螺杆的压力，使水泥浆体能够稳定的从挤出头挤出，采用铺粉辊将石英砂粉末预先铺平，形成单层层高3.3mm的石英砂粉末。将模型相应截面形状的水泥浆体从挤出装置喷头中喷出，利用3D打印机的控制软件输出打印代码进行运动控制，使相应区域的骨料粉末通过水泥浆料选择性浸渍粘结在一起形成边长为40mm正方形镂空单层形状。单层打印完毕后再铺单层层高的骨料粉末并喷出模型相应截面形状的水泥浆体，层层叠加直至成型出直径40mm高10mm的方形镂空形状制品，将模型放置干燥箱干燥24小时后对模型进行抛光打磨得到外观整齐的方型镂空形状制品，照片如图3所示。

28天后测本实施例制备的混凝土制品材料抗压强度达到31.3MPa。

上述的事例仅为本发明的几个实施例，并不用于限制本发明，并代表本发明的全部内容，凡在本发明的框架和思想结构内的任何修改、替换及改进均应包含在本的阐述范围之内。

Claims (9)

1.一种复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)通过软件将复杂形状混凝土制品模型切片后，将所得切片程序输入到3D打印机上；

2)水泥浆体的制备：按以下重量份比例称取干粉原料：42.5硅酸盐水泥或快硬硫铝酸盐水泥100份，早强剂0.1～2份、减水剂0.5～5份、增稠剂0.5～5份，按水胶比0.3～0.5配制得到水泥浆体；

3)制备复杂形状混凝土制品：将步骤2)所得水泥浆体混合好后置于3D打印机挤出装置内部，采用铺粉辊将骨料粉末预先铺平，形成单层层高的骨料粉末，利用3D打印机的控制软件，将模型相应截面形状的水泥浆体从挤出装置喷头喷出，使相应区域的骨料粉末通过水泥浆料浸渍粘结在一起形成模型单层形状，单层打印完毕后再铺单层层高的骨料粉末并喷出模型相应截面形状的水泥浆体，层层叠加直至成型出混凝土制品模型，再将模型干燥、抛光、打磨得到混凝土制品。

2.根据权利要求1所述的复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，步骤2)所述早强剂为无水硫酸钠或无水氯化钙。

3.根据权利要求1所述的复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，步骤2)所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂或萘磺酸盐减水剂，固含量为20～40％。

4.根据权利要求1所述的复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，步骤2)所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素或甲基纤维素。

5.根据权利要求1所述的复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，步骤2)配制水泥浆体工艺条件为：先在50～60转/min速率下将干粉组分水泥、早强剂、减水剂、增稠剂混合2～5分钟，然后在行星运动混合器中将水以及干粉组分混合，混合阶段包括两个步骤：以50～150转/min运行2～5分钟，以100～300转/min运行2～5分钟。

6.根据权利要求1所述的复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，步骤2)所述水泥浆体流动度为90～120mm，保水性为90～99％。

7.根据权利要求1所述的复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，步骤3)所述骨料粉末为0.5～3.5mm的天然砂、人工砂中的至少一种，所述天然砂包括砂或碎卵石，所述人工砂包括石英砂或矿渣。

8.根据权利要求1所述的复杂形状混凝土制品的3D打印方法，其特征在于，步骤3)单层层高为1～5mm。

9.一种权利要求1-8任一所述方法制备得到的复杂形状混凝土制品。