CN116177986A - 一种以多色彩天然粘土为原料的3d打印材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料及制备方法，包括以下重量份的组分：甲基混合溶液为28.6％‑37.5％、天然粘土A为16.7％‑21.4％、天然粘土B为16.7％‑21.4％、白水泥为12.5％‑15.5％、高岭土为12.1％‑17.8％，甲基混合溶液为31％、天然粘土A为20.7％、天然粘土B为20.7％、白水泥为15.5％、高岭土为12.1％，甲基混合溶液的配比为：羧甲基纤维素1份，水100份，配制溶液时应使用70‑90℃的蒸馏水，并加以搅拌辅助溶解，组分简单，制作方便，打印过程中材料性能稳定，使用效果好，易于推广。

Description

一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料及制备方法
技术领域
本发明属于3D打印材料技术领域，具体涉及一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料及制备方法。
背景技术
3D打印技术兴起于20世纪80年代，是一种通过构建连续的材料层来创建三维对象的技术。近几年，迅速发展并广泛应用于医疗器械、航空航天、汽车工业等领域。其优势不断显现：①节约原材料，能够实现“近净成型”；②降低设备成本；③可以制造形状复杂，难加工的产品；④设计生产空间灵活可控；⑤大大缩短生产时间。
传统的瓷塑制作，利用粘土进行塑造成型、晾干、开模、倒坯、烧制等，投入的时间，资本成本大，且不易修改。相比传统制作工艺，3D技术的运用更符合现代人的特点。
申请号为202010406299.6的发明专利3D打印火山坑状机理陶瓷及其加工方法，需要采用坯体光固化和碱凝固化增强坯体强度等手段提高陶瓷强度，上色需要先脱脂再进行浸釉处理，上述操作成本较高且流程繁琐。目前采用的传统方法的陶土配方进行3D打印得到的坯品硬度不足、易风化破损，而最终成为工艺品，还需要施釉的工艺流程。所以急需一种3D打印材料解决上述问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料及制备方法，能够解决目前采用的传统方法的陶土配方进行3D打印得到的坯品硬度不足、易风化破损，而最终成为工艺品，还需要施釉的工艺流程的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，包括以下重量份的组分：
甲基混合溶液为28.6％-37.5％、天然粘土A为16.7％-21.4％、天然粘土B为16.7％-21.4％、白水泥为12.5％-15.5％、高岭土为12.1％-17.8％。
可选的，甲基混合溶液为31％、天然粘土A为20.7％、天然粘土B为20.7％、白水泥为15.5％、高岭土为12.1％。
可选的，甲基混合溶液的配比为：羧甲基纤维素1份，水100份，配制溶液时应使用70-90℃的蒸馏水，并加以搅拌辅助溶解。
可选的，天然粘土A矿物成分包括以下重量份的组分：长石：38％、石英：24％、白云石：16％、白云母：15％、赤铁矿：4％、绿泥石：3％；天然粘土A研磨及过筛后得到150-200目的天然粘土A粉末，整体呈褐色。
可选的，天然粘土B矿物成分包括以下重量份的组分：石英：46％、白云母：36％、高岭石：14％、绿泥石：4％；天然粘土B研磨及过筛后得到150-200目的天然粘土B粉末，整体呈浅绿色。
本发明的另一方面提供了一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料制备方法，具体包括如下步骤：
步骤a、制备胚料：
使用70-90℃的蒸馏水与羧甲基纤维素粉末混合并搅拌均匀，得到甲基混合溶液；将天然粘土A、天然粘土B、高岭土和白水泥，使用球磨机将分别磨细，再使用150-200目筛网过筛，按照比例添加至搅拌缸中，再将其搅拌均匀，得到物料混合粉末；
步骤b、揉制泥饼：
将甲基混合溶液按照比例添加到步骤a中得到的物料混合粉末的搅拌缸中，搅拌、揉制原料，还可以通过添加陶瓷颜料从而调配不同颜色的原料，以此形成不同色彩的泥团，将制备好的泥团放置在涤纶丝材质的垫布中，再放入压面机中压成均匀的泥饼；
步骤c、3D打印：
将不同色彩的泥饼叠放在垫布上，切除掉不平整部分，卷起泥饼放入3D打印机的料筒中，3D打印得到的样品拥有多色彩拉丝效果，在打印时可通过改变外部环境使其加速风干变硬，减少形变与塌陷；
步骤d、养护：
打印得到的多色彩样品在20-30℃下密封养护72h，之后使用水雾喷头加水保湿，再在20-30℃下密封养护72h，之后解除密封，在通风环境下脱水，在20-30℃下静置168h；
步骤e、烧成：
烧制24h烧成。
可选的，步骤e中煅烧的温度为1150℃-1160℃。
有益效果
本发明的实施例中所提供的一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料及制备方法，有效避免了产品硬度不够，易风化受损的问题，同时采用多色彩配比原料，省去了浸釉上色再烧制的过程。有鉴于现有工艺的复杂工序，研究开发一种可供3D打印使用的多色彩陶土配方，打印制作多色彩产品，变得非常有必要。采用本发明的多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，解决了因非线性挤出和胚胎变形导致的坍塌的问题，成品精美，可用作室内陈设品。
本发明组分简单，制作方便，粘土材料取自天然环境，成本低廉，甲基混合溶液和白水泥具备良好的粘结性、柔韧性和硬度。打印过程中材料性能稳定，打印性好，不会造成打印喷头堵塞，且工作性保持时间长，易于推广，达到了在3D没有出料打印之前既有一定的存放成膏状时间，从3D打印头挤出在出料后能够快速的干燥并固化成型，使膏状材料不至于塌落而无法完成堆积、叠加而形成高强度、高附着力的3D打印效果，不泌水，吸水率低，侧向变形可控，可建造性好。与现有工艺相比，本发明所使用的原料更易获取，价格更低。通过3D打印得到的样品可用作室内陈设品。
本发明实施例中提供的制备方法，包括步骤b和步骤d等预处理与打印后养护步骤，可以在基本不改变原有材料组分的基础上，有效提升样品的挤出性和建造性。在预处理过程中，调整不同色彩泥饼的叠放就可以在后续打印中产生不同的多色彩拉丝效果，提升样品观赏性。在原料制备阶段，还可以通过添加不同颜色的陶瓷颜料，进一步丰富材料的颜色组合，使得打印材料在制备阶段就拥有更加均匀、稳定的颜色变化，同样提升了打印过程中的结合性和稳定性。相较于现有工艺，没有复杂的上色工艺，也不会在后期风化中被剥离掉色；同时，因为没有过多添加粘结剂，成本更低，无污染。
附图说明
图1为本发明实施例的3D打印进行的过程图；
图2为本发明实施例的3D打印结束的效果图；
图3为本发明实验过程中探讨粘土-蒸馏水-羧甲基纤维素间不同配比方案的三元图；
图4为本发明实验过程中探讨粘土-甲基混合液-白水泥间不同配比方案的三元图；
图5为本发明实验过程中探讨粘土-甲基混合液-高岭土间不同配比方案的三元图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，包括以下重量份的组分：甲基混合溶液为31％、天然粘土A为20.7％、天然粘土B为20.7％、白水泥为15.5％、高岭土为12.1％。
以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、制备胚料：
使用70-90℃的蒸馏水与羧甲基纤维素粉末混合并搅拌均匀，得到甲基混合溶液。将天然粘土A、天然粘土B、高岭土和白水泥，使用球磨机将分别磨细，再使用150-200目筛网过筛，按照比例添加至搅拌缸中，再将其搅拌均匀，得到物料混合粉末；
步骤b、揉制泥饼：
将甲基混合溶液按照比例添加到步骤a中得到的物料混合粉末的搅拌缸中，搅拌、揉制原料，还可以通过添加陶瓷颜料从而调配不同颜色的原料，以此形成不同色彩的泥团。将制备好的泥团放置在涤纶丝材质的垫布中，再放入压面机中压成均匀的泥饼；
步骤c、3D打印：
将不同色彩的泥饼叠放在垫布上，切除掉不平整部分，卷起泥饼放入3D打印机的料筒中，3D打印得到的样品拥有多色彩拉丝效果。在打印时可通过改变外部环境使其加速风干变硬，减少形变与塌陷；
步骤d、养护：
打印得到的样品在20-30℃下密封养护72h，之后使用水雾喷头加水保湿，再在20-30℃下密封养护72h，之后解除密封，在通风环境下脱水，在20-30℃下静置168h；
步骤e、烧成：
在1150-1160℃的烧成温度下烧制24h烧成。
应用及性能检测：
挤出性指的是材料通过设定出口的一个能力，如果能在小出口的条件下被挤出，那换成大口的喷头，自然也可以被顺利地挤出来，在挤出性评价选用小出口1.5mm×1.5mm的打印喷头进行测试。本实施例在3D打印机的打印参数为打印喷头尺寸1.5mm×1.5mm，挤出速度为6.3L/min，水平打印速度为300m/h，喷头打印高度5mm的条件下能持续地、连续地、打印宽度为2mm的细丝，无中断和堵塞发生，挤出流速在0.8～1.1cm/s，挤出的泥料无气泡，且打印浆料可以稳定承载下一层打印，如图1所示。
建造性表征的是材料被堆积起一定的高度而不发生坍塌的能力，选用尺寸为2.5mm×2.5mm的打印喷头进行打印，使材料堆积，进行建造性评价(建造性是指打印材料在垂直方向堆积的能力或者性质)。本实施例中，在3D打印机的打印参数为打印喷头尺寸2.5mm×2.5mm，挤出速度为6.3L/min，水平打印速度为300m/h，喷头打印高度10mm的条件下，垂直打印100mm无中断、垮塌、形变，所得结构体的高宽比为2:1，每打印层的竖向变形仅为0.8％，打印泥料在3min内风干变硬，对烧成的样品通过划痕法测得莫氏硬度介于6和7之间，如图2所示，说明本实施例表现出优异的建造性和结构稳定性。
实施例2
一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，包括以下重量份的组分：甲基混合溶液37.5％、天然粘土A16.7％、天然粘土B16.7％、高岭土16.7％、白水泥12.5％。
本实施例泥料的制备方法同实施例1，陶瓷颜料配比为最优选。将本实施例所得的打印材料运输至打印机的打印喷头内，打印喷头尺寸1.5mm×1.5mm，挤出速度6.3L/min，水平向打印速度300m/h，喷头打印高度5mm。按照以上打印设置参数，打印过程进行顺利，挤出流速在1.4～1.8cm/s，挤出的泥料有少量气泡，但气泡较大，打印泥料在5min内风干变硬，风干速度较慢，容易导致塌陷。对烧成的样品通过划痕法测得莫氏硬度介于5和6之间。所打印结构的整体性和稳定性良好。
实施例3
一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，包括以下重量份的组分：甲基混合溶液28.6％、天然粘土A 21.4％、天然粘土B 21.4％、高岭土14.3％、白水泥14.3％。
本实施例泥料的制备方法同实施例1，陶瓷颜料配比为最优选。将本实施例所得的打印材料运输至打印机的打印喷头内，打印喷头尺寸1.5mm×1.5mm，挤出速度6.3L/min，水平向打印速度300m/h，喷头打印高度5mm。按照以上打印设置参数，打印过程进行顺利，挤出流速在0.7～1.2cm/s，挤出的泥料无气泡，打印泥料在3min内风干变硬，拐点处易断料。对烧成的样品通过划痕法测得莫氏硬度介于6和7之间。所打印结构的整体性和稳定性良好。
实施例4
一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，包括以下重量份的组分：甲基混合溶液33.3％、天然粘土A17.8％、天然粘土B17.8％、高岭土17.8％、白水泥13.3％。
本实施例泥料的制备方法同实施例1，陶瓷颜料配比为最优选。将本实施例所得的打印材料运输至打印机的打印喷头内，打印喷头尺寸1.5mm×1.5mm，挤出速度6.3L/min，水平向打印速度300m/h，喷头打印高度5mm。按照以上打印设置参数，打印过程进行顺利，挤出流速在1.1～1.5cm/s，挤出泥料有少量气泡，打印泥料在3min内风干变硬，无塌陷、形变。对烧成的样品通过划痕法测得莫氏硬度介于5和6之间。所打印结构的整体性和稳定性良好。
实施例5：本实施例阐述天然粘土A、天然粘土B的不同质量份数占比所带来外观色彩上的影响，其余各组份相同。除天然粘土A、天然粘土B外的各组份占比如下：
甲基混合溶液31.0％、白水泥15.5％、高岭土12.1％。
实验例：
按照上述实施例进行实验打印后，得到不同颜色变化效果如下表所示：
天然粘土A 天然粘土B 外观颜色 打印效果
实验例1 31.0％ 10.4％ 浅褐色 可流畅打印
实验例2 20.7％ 20.7％ 灰褐色 可流畅打印
实验例3 10.5％ 30.9％ 暗绿色 可流畅打印
由上表可知，通过调配天然粘土A、天然粘土B的不同质量份数占比，可以得到不同颜色变化的打印样品。天然粘土A、天然粘土B的颜色受由矿物组成影响，例如赤铁矿、绿泥石、白云母等。本实施例所展现的多色彩变化不仅仅在于颜色差异，也可以在预处理过程中，调整不同色彩泥饼的叠放从而在后续打印中产生不同的多色彩拉丝效果，提升样品观赏性。此外，在原料制备阶段，还可以通过添加不同颜色的陶瓷颜料，进一步丰富材料的颜色组合，使得打印材料在制备阶段就拥有更加均匀、稳定的颜色变化，同样提升了打印过程中的结合性和稳定性，相较于现有的技术工艺，工艺更加简便，并且不会出现在后期风化中被剥蚀掉色。
对比例1
除甲基混合溶液42％、天然粘土A15.1％、天然粘土B15.1％、白水泥15.7％、高岭土12.1％，其他的搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。测试结果显示：打印过程可进行顺利，但因浆料流动性较强，打印的结构发生了倾斜以至于坍塌，结构无法成型。
对比例2
除将浆料搅拌完成后的静置30min，其他的材料种类、添加量、制备方法以及打印参数均与实施例1相同。测试结果显示：由于静置时间过长，混凝土材料由流态转化为塑形状态，从打印喷头挤出时经常出现中断的现象，打印过程无法顺利进行。
对比例3
将甲基混合溶液调制的比例(甲基/水)从1:100调整至1:70，其他的材料种类、添加量、制备方法以及打印参数均与实施例1相同。测试结果显示：由于羧甲基纤维素的掺入量较大，导致泥料拌合物中的纤维出现了抱团现象，从而在打印过程中，喷头处出现了堵塞的现象，打印过程无法顺利进行。
对比例4
除甲基混合溶液37.2％、天然粘土A10.1％、天然粘土B10.1％、白水泥12.1％、高岭土30.2％，其他的搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。测试结果显示：由于高岭土的掺入量较大，导致制作制备胚料时拌合物中的高岭土难以均匀搅拌，需要更长的时间进行揉制；并且在打印过程中，3D打印的泥料相较于实施例1更加紧致，导致喷头处出现了堵塞的现象，打印过程无法顺利进行。
对比例5
除挤出速度为5.8L/min，水平打印速度为270m/min，其他的材料种类、添加量、搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。测试结果显示：泥料可以顺利从打印头挤出，但是由于泥料挤出速度较快，而打印速度较慢，导致被打印出的泥料在喷头附近出现了堆积现象，可能导致打印样品形变，以及打印的平面出现了褶皱现象。
对比例6
在进行材料制备时，不进行“步骤d养护”，即3D打印后晾干便直接进行烧成，其他的材料种类、添加量、搅拌混合方式以及打印参数均与实施例1相同。测试结果显示：泥料可以顺利打印得到样品，但是由于缺乏水养护，可能导致烧制的样品出现形变、开裂的现象，从而影响样品机械强度。
按照下述对应的不同比例配方制成的坯料3D打印直径为5cm高为10cm花瓶，通过以上4个实施例制作获得管件均能够满足高精度、机械强度的要求，并且实施例1的挤出性评价和建造性评价最优异，实施例1为最佳实施例。
表1不同比例配方对3D打印样品的影响
Figure BDA0004141345380000081
参照图3-图5，本发明实验过程中探讨不同配方方案(粘土-蒸馏水-羧甲基纤维素、粘土-甲基混合液-白水泥、粘土-甲基混合液-高岭土)带来的实验效果。
参照图3，当蒸馏水与羧甲基纤维素质量比例在100:1左右时，粘土质量占比多少对于挤出性与建造性的影响。羧甲基纤维素水溶液具有增稠、成膜、黏接、水分保持、乳化、胶体保护等作用，增加材料的粘结性能。当粘土-蒸馏水-羧甲基纤维素的质量比接近于125:100:1左右时，物料接触更为充分，易于物料混合，能够更好地溶解陶瓷颜料以此提升上色效果，不易结块、起气泡，打印挤出时更为流畅，可以支持2.5mm、2.0mm、1.5mm、1.0mm等不同口径喷口使用，挤出性与建造性良好。
参照图4，白水泥作为添加剂对打印的影响，并实验探索一个优选的粘土-甲基混合液-白水泥配比方案。白水泥可以提高材料的抗裂和抗剪性能，提高了材料的可塑性。例如，当甲基混合液的占比基本不变时，粘土：白水泥质量比为1.9:1的实验例相较于粘土：白水泥质量比为2.4:1的实验例，打印材料中气泡更少，且打印过程中样品不易塌陷，粘土：白水泥质量比为2.4:1的实验例的莫氏硬度介于5和6之间，粘土：白水泥质量比为1.9:1的实验例的莫氏硬度介于6和7之间，说明白水泥作为添加剂提升了打印样品的硬度和可塑性；当甲基混合液的占比基本不变时，粘土：白水泥质量比为1.8:1的实验例相较于粘土：白水泥质量比为1.9:1的实验例，打印材料不易从料筒中压出，且打印样品过脆。实验表明，粘土-甲基混合液-白水泥质量比接近于1.9:1.8:1左右时配比最为合适，打印样品有足够的硬度，打印材料也能满足3D打印的挤出性与建造性要求。
参照图5，高岭土作为添加剂对打印的影响，并实验探索一个优选的粘土-甲基混合液-高岭土配比方案。高岭土可以提高材料的稳定性，增加材料的稠度，提高材料的拉伸粘结强度。例如，当甲基混合液的占比基本不变时，粘土：高岭土质量比为2.7:1的实验例相较于粘土：高岭土质量比为3.2:1的实验例粘结性更好，物料接触更充分，不易结块，基础更顺滑、流畅；当甲基混合液的占比基本不变时，粘土：高岭土质量比为2.1:1的实验例相较于粘土：高岭土质量比为2.7:1的实验例粘结度过高，打印材料韧性过高，打印过程中需要更高的气压才能流程打印，且打印材料容易堵塞喷口。实验表明，粘土-甲基混合液-高岭土质量比接近于2.7:2.4:1左右时，整体的挤出性与建造性良好。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

Claims (7)

1.一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：
甲基混合溶液为28.6％-37.5％、天然粘土A为16.7％-21.4％、天然粘土B为16.7％-21.4％、白水泥为12.5％-15.5％、高岭土为12.1％-17.8％。
2.根据权利要求1所述的以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，甲基混合溶液为31％、天然粘土A为20.7％、天然粘土B为20.7％、白水泥为15.5％、高岭土为12.1％。
3.根据权利要求1所述的以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，其特征在于，甲基混合溶液的配比为：羧甲基纤维素1份，水100份，配制溶液时应使用70-90℃的蒸馏水，并加以搅拌辅助溶解。
4.根据权利要求1所述的以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，其特征在于，天然粘土A矿物成分包括以下重量份的组分：长石：38％、石英：24％、白云石：16％、白云母：15％、赤铁矿：4％、绿泥石：3％；天然粘土A研磨及过筛后得到150-200目的天然粘土A粉末，整体呈褐色。
5.根据权利要求1所述的以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料，其特征在于，天然粘土B矿物成分包括以下重量份的组分：石英：46％、白云母：36％、高岭石：14％、绿泥石：4％；天然粘土B研磨及过筛后得到150-200目的天然粘土B粉末，整体呈暗绿色。
6.根据权利要求1-5所述的一种以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤a、制备胚料：
使用70-90℃的蒸馏水与羧甲基纤维素粉末混合并搅拌均匀，得到甲基混合溶液；将天然粘土A、天然粘土B、高岭土和白水泥，使用球磨机将分别磨细，再使用150-200目筛网过筛，按照比例添加至搅拌缸中，再将其搅拌均匀，得到物料混合粉末；
步骤b、揉制泥饼：
将甲基混合溶液按照比例添加到步骤a中得到的物料混合粉末的搅拌缸中，搅拌、揉制原料，通过添加陶瓷颜料调配不同颜色的原料，从而形成不同色彩的泥团，将制备好的泥团放置在涤纶丝材质的垫布中，再放入压面机中压成均匀的泥饼；
步骤c、3D打印：
将不同色彩的泥饼叠放在垫布上，切除掉不平整部分，卷起泥饼放入3D打印机的料筒中，3D打印得到的多色彩样品；
步骤d、养护：
打印得到的多色彩样品在20-30℃下密封养护72h，之后使用水雾喷头加水保湿，再在20-30℃下密封养护72h，之后解除密封，在通风环境下脱水，在20-30℃下静置168h；
步骤e、烧成：
烧制24h烧成。
7.根据权利要求6所述的以多色彩天然粘土为原料的3D打印材料制备方法，其特征在于，步骤e中煅烧的温度为1150℃-1160℃。
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