CN111015895A

CN111015895A - 一种用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置与方法

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Publication number: CN111015895A
Application number: CN202010135122.7A
Authority: CN
Inventors: 陈勃生; 陈叶
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2020-04-17
Also published as: CN110936466A; CN109732741A

Abstract

本发明公开了一种用于无机胶凝材料制品增材制造的装置与方法。该装置设置了不少于两组喷头或喷头阵列，分别用于向无机胶凝材料平面喷射凝结剂和阻渗剂，结合相应方法，用以制造结构形状复杂、尺寸精度及表面质量要求高的无机胶凝材料制品和特殊陶瓷制品。凝结剂与无机胶凝材料反应并固化为一整体。阻渗剂与无机胶凝材料形成阻渗层，在制品与其周围的粉末材料之间形成阻隔凝结剂渗透的隔离带，保证制品有更好的表面质量和更高的尺寸精度，并使未参与制品成形的粉末材料不被污染。

Description

一种用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置与方法

技术领域

本发明涉及无机胶凝材料制品成形技术领域，尤其是一种用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置与方法。

背景技术

无机胶凝材料制品广泛用于社会生产、生活的各个领域。传统的水泥(粉状水硬性无机胶凝材料)及新兴的地质聚合物制品都是其中的典型代表。

常见的无机胶凝材料制品成形方法主要包括：预混浇铸法、直接喷射法、喷射真空脱水法、预混加压法、预混挤出法、层铺法等。其中：预混浇铸法，主要适于制造壁厚较厚的小型异型制品；直接喷射法，主要适于制造平板、波瓦等外形简单、面积较大的制品；喷射真空脱水法，主要适于制造要求立即脱模的制品；预混加压法，主要适于制造复杂的表面图案的制品；预混挤出法，主要适于制造表面较复杂的异形细长制品；层铺法，主要适于制造形状简单的制品。

上述方法的共同之处在于：必须预先按照成形后产品的形状制作相应的模型，然后以不同的方式将混合好的无机胶凝浆料灌注进模型，待浆料凝固后再脱去模型，获得产品。上述方法适于制造形状不太复杂，尺寸精度要求不很高（毫米级），表面较为粗糙的制品，如：大型构件（构筑物）、井盖、涵管、波瓦及面砖等。

受现有制模与脱模技术的约束，无机胶凝材料制品的形状不可能设计得十分复杂，从而大大限制了其应用范围，难以制造表面光滑、尺寸精度较好的无机材料的精细制品。

现有的相关增材制造技术可制作形状或结构相对复杂，尺寸精度要求相对较高的制品。但对无机胶凝材料的粉末床打印而言，由于凝结剂在松散多孔的无机胶凝材料中渗透，导致成形产品在成形过程中，与其周边的无机粉末材料界线模糊，从而严重影响产品的表面质量和尺寸精度。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术存在的问题，提供一种用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置及其方法，可用于制造形状或者结构复杂、表面光滑、尺寸精度高的无机胶凝材料制品。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置，成形装置包括超声振动铺粉装置、喷射装置、成形缸和升降台，所述超声振动铺粉装置用于将无机胶凝材料在升降台上表面均匀铺展并振实成平面，所述喷射装置包括至少两组喷头或两组喷头阵列，其中一组喷头或喷头阵列用于向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域轮廓外缘喷射阻渗剂,另一组喷头或喷头阵列用于向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域喷射凝结剂，所述升降台置于成形缸内，沿成形缸内壁面进行升降运动，用于承载铺展的无机胶凝材料。

进一步的，所述超声振动铺粉装置工作时，将以高于20KHz的超声频率振动。

进一步的，所述喷射装置的喷头或喷头阵列的喷射频率f范围:

1KHz＜ f ＜20KHz。

进一步的，用于喷射阻渗剂的喷头或喷头阵列，其所喷射的液体的粘度η范围:1CP＜ η ＜150CP。

本法明还提供了一种用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置的成形方法，包括以下步骤：

a) 超声振动铺粉装置将粉末状无机胶凝材料在平面上铺展并振实成指定厚度的材料层；

b)一组喷头或喷头阵列向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域轮廓外缘喷射阻渗剂；

c) 另一组喷头或喷头阵列向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域喷射凝结剂；

d)依次重复上述步骤，直至完成制品的成形；

其中，所述无机胶凝材料与凝结剂固化反应形成所对应的材料层上的制品层，阻渗剂阻止凝结剂与制品在水平截面实体区域外的胶凝材料发生反应，并最终在制品表面形成阻渗透包裹层，完成制品的成形后破除阻渗透包裹层即获得所需制品。阻渗透包裹层能有效防止凝结剂在非对应实体区域的粉末状材料中渗透，从而保证制品的精度和表面光洁度。

进一步的，所述凝结剂与无机胶凝材料的类型相匹配，由水、水玻璃、速凝剂、碱激发溶液中的一种或多种组成。

进一步的，所述无机胶凝材料为水泥、骨水泥或地质聚合物，也包括以无机胶凝材料为基料的水泥基复合材料或地质聚合物基复合材料；当所述无机胶凝材料为地质聚合物时，可按比例直接将细粉状碱激发剂与之匀混，凝结剂成分中则相应去除碱激发溶液。

进一步的，所述水泥基复合材料为水泥基材混合填充料或增强料而成，地质聚合物基复合材料为地质聚合物基材混合填充料或增强料而成。

进一步的，所述填充料为骨粉、羟基磷灰石粉、药物粉、石粉、陶瓷粉、有机高分子聚合物粉中的一种或多种；所述增强料为碳纤维、玻璃纤维、矿物纤维中的一种或多种。

进一步的，所述填充料粒径分布为D10=30微米，D50=50微米，D90=80微米，所述增强料长度不大于120微米，不小于40微米，且长度不超过90微米的比例不小于90% 。

进一步的，当所述水泥基复合材料为骨水泥、羟基磷灰石、和相关药物粉时，可用于人体硬骨组织工程支架的制作。

进一步的，当所述水泥为高铝水泥，所述填充料为粘土矿物、石英、长石或氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷粉中的一种或多种，用于制作陶瓷精制品。

进一步的，当所述填充料为有机高分子聚合物粉末时，制品成形后，需置于加温装置内加温至该聚合物的熔点，再缓冷至室温。

更进一步的，当无机胶凝材料为高铝水泥，所述填充料为陶瓷粉，且陶瓷粉粒径不超过20微米，将所成形的制品作为生坯件放入烧结炉，按陶瓷烧结工艺进行烧结，获得以陶瓷相为主的陶瓷精细制品。在开始陶瓷烧结前，可根据需要对生坯件进行高精度加工，提高生坯件的尺寸精度。

粉末状的水泥或骨水泥，在与水基凝结剂作用时，将产生水化反应而固化为具有相应机械强度的整体；粉末状的地质聚合物，在与碱激发溶液作用时，将形成以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体，该胶凝体具有相应的机械强度。本发明利用无机胶凝材料与凝结剂混合后发生化学反应并产生原位固化的特性，将“分层制造，叠加成形”的增材制造（3D打印）技术原理应用于无机胶凝材料制品的成形。与现有传统无机材料成形技术和增材制造无机胶凝材料成形技术相比，本发明的有益效果是：

1、实现了从数字化设计到数字化直接制造的转变，可较好解决无机胶凝材料精细制品的成形问题，实现现有技术难于甚至无法制作的具有复杂外形、复杂内腔、镂空或叠套结构，表面光滑的精细制品的直接成形，其中尺寸精度可达百微米级，甚至百微米以下级。

2、本发明所采用的成形装置，未使用激光器、激光振镜系统，无温度场、真空度及气氛保护等方面严格控制的要求，与其它相关的3D打印成形方式相比，无论设备、材料，还是产品制造过程的能源消耗都极具价格优势。

3、本发明中阻渗透包裹层的设置，阻断了凝结剂向成形件表面周围无需成形的粉末状无机胶凝材料渗透的路径，一方面使成形件表面不致粘附其周围的无机胶凝粉末，保证成形件表面光滑；另一方面，也使未参与成形的无机胶凝材料不被凝结剂污染，确保原材料的重复使用。

4、超声振动铺粉装置有助于提高粉料层的密实度。

5、采用三氧化二铝含量高达80%以上的高铝水泥为基料，再添加纯三氧化二铝为填充料，以二者充分混匀后形成的复合材料与水基凝结剂产生水泥水化反应所获得的高三氧化二铝含量水泥制品作为生坯件制作陶瓷制品：a)以高铝水泥+纯三氧化二铝粉末的均匀混合物为陶瓷原材料，b) 固化机理为水泥水化反应，c)陶瓷制品生坯件的制作遵循水泥成形工艺；其有益效果在于：因为所述材料的凝结是基于无机胶凝材料与凝结剂间化学反应所产生的原位固化，可大大减少干燥和烧结过程中，陶瓷坯件内水分、胶合物等占位脱除物对陶瓷成形件尺寸的影响。此工艺过程完全异于现有陶瓷生产技术。

6、陶瓷坯件生成后，还可根据需要对其进行高精度加工，提高生坯件的尺寸精度，实现陶瓷产品冷加工的前移，有效减少加工成本。

7、采用骨水泥、羟基磷灰石等生物相容性材料，以本发明提供的技术方案成形，且形状与人体硬骨组织相对应的组织工程支架，可用于人体硬骨组织损害的修复。在材料中添加相关粉末类药物，有助于以缓释方式应对术后炎症或促进骨组织恢复。

8、当所述填充料为有机高分子聚合物粉末时，制品成形后，需添加一个热处理过程：将成形件置于加温装置内加温至该有机聚合物的熔点，再缓冷至室温。这时，成形件内的有机高分子聚合物粉末被加热熔融，在其周围的无机胶凝材料水化结构内形成具有强化相作用的有机聚合物网格，可防止承载时应力集中裂纹的产生，提高材料的综合机械性能。

附图说明

图1表示的是一个实施例中本发明的装置示意图：（1）超声振动铺粉装置；（2）成形工件；（3）喷头或喷头阵列；（4）成形缸；（5）升降台；（6）无机胶凝材料；

图2表示的是制作地质聚合物材料精制品的工艺过程；

图3表示的是制作陶瓷精制品的工艺过程。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例仅是本申请的特定实施例，而不是全部。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他形式的实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

图1给出了一个实施例中本发明的成形装置示意图：成形装置包括超声振动铺粉装置1、喷头或喷头阵列3、成形缸4和升降台5，超声振动铺粉装置1用于将无机胶凝材料6在升降台5上表面均匀铺展并振实成平面，喷射装置3包括至少两组喷头或两组喷头阵列，其中一组喷头或喷头阵列3用于向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域轮廓外缘喷射阻渗剂,另一组喷头或喷头阵列3用于向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域喷射凝结剂，升降台5置于成形缸4内，沿成形缸4内壁面进行升降运动，用于承载铺展的无机胶凝材料。

实施例二

本发明提供了一个实施例的用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置的成形方法，通过该方法实现地质聚合物材料精制品成形。

请参阅图2，所述成形方法包括以下步骤：

1、将待制品的三维设计图形离散成为一系列二维的水平截面图形，并输入成形装置控制电脑；

2、将粉末状地质聚合物材料、阻渗剂（虫胶清漆）和凝结剂（NaOH溶液）等原材料载入成形装置；

3、成形装置内的超声振动铺粉机构将粉末状原材料摊铺并振实成平整且厚度约0.1mm左右的均匀薄层；

4、成形装置内的阻渗剂喷头组，向上述粉料薄层上对应于待制品特定高度的水平截面实体部分的轮廓外缘喷射阻渗剂；

5、成形装置内的凝结剂喷头组，向被上述轮廓包围的区域内喷射凝结剂,被凝结剂浸润的粉末材料产生化学反应，短时间内凝结并原位固化，形成待制品某一高度上相应截面的实体薄层；

上述3、4、5、三步骤将重复进行，直至待制品成形过程全部完成；

6、从成形装置内取出成形工件；

7、除去成形工件表面的阻渗透包裹层，根据需要对成形工件表面作进一步加工或其它后处理；

8、完成制作过程。

成形过程中，包裹于成形产品周围未凝结，且因阻渗层的设置而不曾被凝结剂污染的无机胶凝材料，经筛选等适当处理后，可再用于新工件的制作。

实施例三

本发明还提供了另一实施例的用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置的成形方法，通过该方法实现陶瓷精制品成形。

请参阅图3，所述的方法包括以下步骤：

2、将高铝水泥与三氧化二铝的均匀混合料、阻渗剂（虫胶清漆）和水基凝结剂等原材料装载入成形装置；

3、成形装置内的超声振动铺粉机构将粉末状原材料摊铺并振实成平整且厚度约0.1mm的均匀薄层;

6、从成形装置内取出成形完毕的陶瓷坯件；

7、除去陶瓷坯件表面的阻渗透包裹层，根据需要对其表面作进一步加工或其它后处理；

8、将陶瓷坯件置于潮湿处，使之继续后固化以达到预期强度；

9、可根据需要对生坯件进行高精度加工，提高生坯件的尺寸精度；

10、将已达到预期强度的陶瓷坯件放入陶瓷烧结炉内烧结，最终完成陶瓷精制品的制造。

成形过程中，包裹于成形产品周围未凝结，且因阻渗层的设置而不曾被凝结剂污染的高铝水泥与三氧化二铝的均匀混合粉末材料，经筛选等适当处理后，可再用于新工件的制作。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置，其特征在于，所述成形装置包括超声振动铺粉装置、喷射装置、成形缸和升降台；所述超声振动铺粉装置用于将无机胶凝材料在升降台上表面均匀铺展并振实成平面；所述喷射装置包括至少两组喷头或两组喷头阵列，其中一组喷头或喷头阵列用于向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域轮廓外缘喷射阻渗剂,另一组喷头或喷头阵列用于向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域喷射凝结剂；所述升降台置于成形缸内，沿成形缸内壁面进行升降运动，用于承载铺展的无机胶凝材料。

2.根据权利要求1所述的成形装置，其特征在于，所述超声振动铺粉装置工作时，将以高于20KHz的超声频率振动；所述喷射装置的喷头或喷头阵列的喷射频率f范围：1KHz＜ f＜20KHz。

3.根据权利要求1或2所述的成形装置，其特征在于，用于喷射阻渗剂的喷头或喷头阵列，其所能喷射的液体的粘度η范围：1CP＜η＜150CP。

4.一种权利要求1至3任一项所述用于无机胶凝材料制品增材制造的成形装置的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)超声振动铺粉装置将粉末状无机胶凝材料在平面上铺展并振实成指定厚度的材料层；

c)另一组喷头或喷头阵列向该材料层上制品所对应的水平截面实体区域喷射凝结剂；

d)依次重复上述步骤，直至完成制品的成形；

其中，所述无机胶凝材料与凝结剂固化反应形成所对应的材料层上的制品层，阻渗剂阻止凝结剂与制品在水平截面实体区域外的胶凝材料发生反应，并最终在制品表面形成阻渗透包裹层，完成制品的成形后破除阻渗透包裹层即获得所需制品。

5.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，所述凝结剂与无机胶凝材料的类型相匹配，由水、水玻璃、速凝剂、碱激发溶液中的一种或数种组成。

6.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，所述无机胶凝材料为水泥、骨水泥或地质聚合物，也包括以无机胶凝材料为基料的水泥基复合材料或地质聚合物基复合材料；当所述无机胶凝材料为地质聚合物时，可按比例直接将细粉状碱激发剂与之匀混，凝结剂成分中则相应去除碱激发溶液。

7.根据权利要求6所述的成形方法，其特征在于，所述水泥基复合材料为水泥基材混合填充料或增强料而成，地质聚合物基复合材料为地质聚合物基材混合填充料或增强料而成。

8.根据权利要求7所述的成形方法，其特征在于，所述填充料为骨粉、羟基磷灰石粉、药物粉、石粉、陶瓷粉、有机高分子聚合物粉中的一种或多种；所述增强料为碳纤维、玻璃纤维、矿物纤维中的一种或多种。

9.根据权利要求7-8任一所述的成形方法，其特征在于，所述填充料粒径分布为D₁₀=30微米，D₅₀=50微米，D₉₀=80微米，所述增强料长度不大于120微米，不小于40微米，且长度不超过90微米的比例不小于90%。

10.根据权利要求7-9任一所述的成形方法，其特征在于，当所述水泥基复合材料为骨水泥、羟基磷灰石、和相关药物粉时，可用于人体硬骨组织工程支架的制作；当所述水泥为高铝水泥，所述填充料为陶瓷粉，且陶瓷粉粒径不超过20微米，所成形的制品作为生坯件经烧结后获得以陶瓷相为主的陶瓷制品；当所述填充料为有机高分子聚合物粉末时，制品成形后，需置于加温装置内加温至该聚合物的熔点，再缓冷至室温。