CN116217206A - 一种打印用固废粉料制备方法及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种打印用固废粉料制备方法，包括：将固废颗粒原粉、造粒粘结剂和溶剂以预设质量比混合；使用混料装置将所形成的固废混合物搅拌成均匀固废浆料；使用造粒装置将固废浆料制备成粒径大小不同的固废颗粒物；筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料。本申请还涉及一种3D打印方法。本方案能够解决现有工业排放出的固废颗粒物长期堆积无法回收利用并对环境造成污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及打印方法技术领域，特别是涉及一种打印用固废粉料制备方法及3D打印方法。
背景技术
粉煤灰、气化渣、煤矸石颗粒等工业固体废弃物是燃煤电厂排出的主要固体废弃物，其粒径一般在亚微米到微米之间，又称飞灰或烟灰。随着对于固废综合利用产业技术的发展，目前我国对于固废材料的综合利用率达到56.8％。然而，仍然有大量未处理利用的固废颗粒对我国的大气、水资源和生物安全造成威胁。另外，我国目前对于固废颗粒的利用还主要集中在低值化利用领域，如：建筑、农业等行业，产品主要为水泥、混凝土、环保砖等。而这种低值化、低层次的利用对于固废颗粒综合利用率进一步提升难度较高。
增材制造技术(也称3D打印)是近二十年内快速发展的先进制造技术，其通过累加成形的原理能够实现复杂结构零件的制造。目前该技术正在应用到航空航天、生物医疗等多个领域。粘结剂喷射作为一种基于粉末床的增材制造技术，具有自动化程度高、成本低、效率高等优势。其特有的粘结成形方式几乎适合于各类材料(金属、陶瓷、树脂等)的成形。因此，基于上述问题和现状，提出了一种打印用固废粉料制备方法及3D打印方法，所打印产品可应用到文创艺术、园林景观个性化定制等领域，这样将3D打印技术应用到各类固废颗粒处理过程，有望提高对固废颗粒的高值化利用，变废为宝，最终进一步提高固废颗粒的综合利用率。
发明内容
基于此，有必要针对现有工业排放出的固废颗粒物长期堆积无法回收利用并对环境造成污染的问题，提供一种打印用固废粉料制备方法及3D打印方法。
为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明实施例公开一种打印用固废粉料制备方法，包括：
将固废颗粒原粉、造粒粘结剂和溶剂以预设质量比混合；
使用混料装置将所形成的固废混合物搅拌成均匀固废浆料；
使用造粒装置将固废浆料制备成粒径大小不同的固废颗粒物；
筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料。
在其中一种实施例中，所述固废颗粒原粉与造粉粘结剂的质量比为70：30至99.5:0.5。
在其中一种实施例中，所述造粉粘结剂包括聚乙烯醇、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂中的一者或多者组合。
在其中一种实施例中，所述固废浆料的固相含量为10-60vol％。
在其中一种实施例中，所述使用造粒装置将固废浆料制备成粒径大小不同的固废颗粒物具体包括：
固废浆料在气压作用下以雾状颗粒形态输送至造粒装置内；
经过150-200℃烘干以获得干燥的固废颗粒物。
在其中一种实施例中，所述筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料具体包括：
筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料和其他颗粒物；
将其他颗粒物回收并通过固废粉料制备方法重新制备。
第二方面，本发明实施例公开一种3D打印方法，包括上文所述的打印用固废粉料制备方法。
在其中一种实施例中，还包括：
将得到的满足打印要求的固废粉料与固化剂混合并置入3D打印设备打印以得到固废打印生坯；
在固废打印生坯表面通过渗胶粘结剂进行渗胶工艺。
在其中一种实施例中，所述渗胶粘结剂为热固性树脂，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂，热固性聚酰亚胺中的一者。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
本发明实施例公开的打印用固废粉料制备方法中，通过固废颗粒造粒、造粒粉筛分等改性处理工艺，从而将固废颗粒原粉制备成满足3D打印材料标准的粉料，以应用于3D打印领域中。此方法一方面降低了固废颗粒的治理费用，另一方面使得固废颗粒变废为宝，提高了固废材料的综合利用率，具有更高层次的应用价值，且对粉煤灰、气化渣、煤矸石等固体废物处理和环境改善都具有十分重要的意义。
附图说明
无
具体实施方式
本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例公开一种打印用固废粉料制备方法，所公开的打印用固废粉料制备方法可以应用于3D打印领域中，从而通过3D打印方法实现了固废颗粒物的回收利用，本发明实施例所提到的固废颗粒物一般为粉煤灰、气化渣、煤矸石等，此打印用固废粉料制备方法具体包括：
S100、将固废颗粒原粉、造粒粘结剂和溶剂以预设质量比混合。
S200、使用混料装置将所形成的固废混合物搅拌成均匀固废浆料。混料装置可以为常规的混料机构，也可以为专用的混料机构，此混料机构可以集成于3D打印设备上，以实现实时混料，从而提高生产效率。
S300、使用造粒装置将固废浆料制备成粒径大小不同的固废颗粒物。此时，通过造粒装置能够将固废浆料制备成符合打印要求的粉料，以便于后续的打印需求。
S400、筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料。由于造粒好的固废颗粒的粒径分布较宽，因此需要对其进行分级筛分来满足不同精度的3D打印技术要求。一般情况下，可以采用具有50目、140或200目、500目的筛网的振动筛分机对固废颗粒进行筛分分类，最终获得0.5-30μm，30-100μm、100-300μm以及300μm以上等多个粒度范围的固废颗粒粉，然后选用使用于适合打印的固废颗粒物用于后续打印。
通过上述内容可知，本发明实施例公开的打印用固废粉料制备方法中，通过固废颗粒造粒、造粒粉筛分等改性处理工艺，从而将固废颗粒原粉制备成满足3D打印材料标准的粉料，以应用于3D打印领域中。此方法一方面降低了固废颗粒的治理费用，另一方面使得固废颗粒变废为宝，提高了固废材料的综合利用率，具有更高层次的应用价值，且对粉煤灰、气化渣、煤矸石等固体废物处理和环境改善都具有十分重要的意义。
本发明公开的实施例中，固废颗粒原粉与造粉粘结剂的质量比可以为70：30至99.5:0.5，从而能够更好地实现固废颗粒造粒效果，以使得所形成的固废颗粒物更容易满足打印要求。
在一种可选的实施例中，造粉粘结剂可以包括聚乙烯醇、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂中的一者或多者组合。即造粉粘结剂可以包括聚乙烯醇、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂中的其中一者；造粉粘结剂可以包括聚乙烯醇、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂中的多者组合的混合物。相比于其他造粉粘结剂，聚乙烯醇、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂中的一者或多者组合能够使得颗粒的成型效果较好，以方便后续的打印工作。当然，可以根据具体的打印情况，选用聚乙烯醇、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂中的一者或多者进行随意组合，本发明实施例对此不做限制。
本发明公开的实施例中，固废浆料的固相含量可以为10-60vol％，以满足具体的造粒要求。
可选地，使用造粒装置将固废浆料制备成粒径大小不同的固废颗粒物具体可以包括：
固废浆料在气压作用下以雾状颗粒形态输送至造粒装置内，从而更加便于造粉装置进行造粉。
经过150-200℃烘干以获得干燥的固废颗粒物，以便于后续的筛分工作。
本发明实施例中，筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料的步骤具体可以包括：筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料和其他颗粒物；将其他颗粒物回收并通过固废粉料制备方法重新制备。具体地，在筛分过程中，所得到的一部分固废颗粒物的粒径满足打印标准，另一部分不满足打印标准，从而需要再次采用上文所述的固废粉料制备方法进行制备，以实现对固废颗粒的100％利用。
在具体的实施例中，可以采用具有50目、140或200目、500目的筛网的振动筛分机对固废颗粒进行筛分分类，最终获得0.5-30μm，30-100μm、100-300μm以及300μm以上等多个粒度范围的固废颗粒粉，其中：30-100μm和100-300μm的固废颗粒粉可满足不同分层厚度的粘结剂喷射3D打印的要求。而对于0.5-30μm以及300μm以上的固废颗粒粉末，由于粒径太细或粒径太粗，打印过程中扬尘严重影响3D打印精度与质量，因此将这两类固废超细粉与粗粉回收并重新造粒。
基于本发明实施例公开的打印用固废粉料制备方法，本发明实施例还公开一种3D打印方法，包括上文任意实施例所述的打印用固废粉料制备方法。
此3D打印方法还可以包括：
将得到的满足打印要求的固废粉料与固化剂混合并置入3D打印设备打印以得到固废打印生坯。
将筛分后的固废颗粒粉混合打印固化剂后置入粘结剂喷射铺粉器中，通过铺粉压实装置在3D打印粉床上中铺设一层均匀平整的固废颗粒粉末。然后打印喷头按照零件分层截面，将树脂粘结剂均匀地喷涂在工作箱粉床上，然后粉末床下降一层再重复上述步骤至完成固废坯体的3D打印。其中所述粘结剂可以包括：呋喃树脂、酚醛树脂、无机粘结剂、聚乙烯醇等。打印工艺结束后，将粉末床移至烘箱或微波烘干炉中进行干燥固化工艺，具体需要按照实际选择的粘结剂体系来确定是否进行烘干工艺，呋喃树脂无需加热烘干、酚醛树脂、无机粘结剂需要加热干燥。最后，将粉末床移至清粉台将固废生坯表面和内部多余的粉末清除，获得固废打印生坯。
在固废打印生坯表面通过渗胶粘结剂进行渗胶工艺。
粘结剂喷射3D打印的固废打印生坯虽然在粘结剂的作用下，具有一定的强度，但仍不能完全满足应用需求。需在固废打印生坯表面进行渗胶工艺以提高其强度与美观度。
渗胶粘结剂可以为热固性树脂，热固性树脂可以包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂，热固性聚酰亚胺中的一者。
进一步地，渗胶粘结剂可以为环氧树脂，环氧树脂具有优良的绝缘性能、力学性能及化学稳定性等，可采用加热、加固化剂的方式实现环氧树脂固化。
实施案例一：
本发明实施例公开的打印用固废粉料制备方法具体可以包含以下几部分：
固废颗粒原粉可以为粉煤灰，首先将粉煤灰原粉、造粒粘结剂以及溶剂以预设质量比混合，然后使用混料装置将粉煤灰混合物搅拌成均匀浆料，然后将粉煤灰浆料通过造粒设备制备成粒径更大的球形颗粒。其中：粉煤灰与造粒粘结剂质量比可以为80:20；粘结剂可以为聚乙烯醇等；粉煤灰浆料的固相含量为40vol.％。造粒过程中，粉煤灰浆料在气压作用下以雾状颗粒形态进入造粒设备内，再经过190℃烘干，获得干燥的粉煤灰球形造粒颗粒。其中，粉煤灰球形造粒粉粒度范围为20-300μm。
造粒好的粉煤灰粒径分布较宽，因此需要对其进行分级筛分来满足不同精度的3D打印技术要求。首先将粉煤灰放在振动筛分机上用50目、200目的筛网进行筛分分类，最终获得20-75μm、75-300μm以及300μm以上等多个粒度范围的粉煤灰造粒粉。其中：75-300μm的粉煤灰造粒粉用于粘结剂喷射3D打印。75μm以下以及300μm以上的这两类粉煤灰超细粉与粗粉回收并重新造粒。
将筛分后的粉煤灰造粒粉混合打印固化剂后在3D打印设备上进行粘结喷射打印。其中，打印分层厚度可以为0.3mm，打印粘结剂可以为无机粘结剂。打印工艺结束后，将粉末床移至烘箱中进行加热干燥，干燥温度为100℃，干燥时间5h。最后，将粉末床移至清粉台将粉煤灰生坯表面和内部多余的粉末清除，获得粉煤灰打印生坯。
渗胶粘结剂可以为环氧树脂，配制环氧树脂渗胶剂并在粉煤灰打印生坯表面涂覆，直至打印生坯表面的环氧树脂不再渗入。常温静置48h后，获得表面质量高且性能好的粉煤灰产品，包括：粉煤灰井盖、标准压缩和弯曲试样。
经过测试打印后的粉煤灰生坯抗压强度为2.2MPa，满足一般试样的初始强度要求。在渗胶强化后，抗压强度达到35MPa，高于混凝土C30强度标准。强度数值如表1：
表1粉煤灰打印生坯及其渗胶强化后的试样抗弯与抗压强度对比表
实施案例二：
本发明实施例公开的打印用固废粉料制备方法具体可以包含以下几部分：
固废颗粒原粉可以为粉煤灰，首先将粉煤灰原粉、造粒粘结剂以及溶剂以预设质量比混合，然后使用混料装置将粉煤灰混合物搅拌成均匀浆料，然后将粉煤灰浆料通过造粒设备制备成粒径更大的球形颗粒。其中：粉煤灰与造粒粘结剂质量比可以为85:15；粘结剂可以为聚乙烯醇等；粉煤灰浆料的固相含量为40vol.％。造粒过程中，粉煤灰浆料在气压作用下以雾状颗粒形态进入造粒设备内，再经过190℃烘干，获得干燥的粉煤灰球形造粒颗粒。其中，粉煤灰球形造粒粉粒度范围为20-300μm。
造粒好的粉煤灰粒径分布较宽，因此需要对其进行分级筛分来满足不同精度的3D打印技术要求。将粉煤灰放在振动筛分机上用50目、140目的筛网进行筛分分类，最终获得20-100μm、100-300μm，以及300μm以上等粒度范围的粉煤灰造粒粉。其中：20-75μm的粉煤灰造粒粉用于粘结剂喷射3D打印。100-300μm粉煤灰暂存，300μm以上的粉煤灰粗粉回收并重新造粒。
将筛分后的粉煤灰造粒粉混合打印固化剂后在3D打印设备上进行粘结喷射打印。其中，打印分层厚度可以为0.1mm，打印粘结剂可以为有机粘结剂。打印工艺结束后，将粉末床移至烘箱中进行加热干燥，干燥温度为100℃，干燥时间5h。最后，将粉末床移至清粉台将粉煤灰生坯表面和内部多余的粉末清除，获得粉煤灰打印生坯，使用细粉末打印的粉煤灰生坯表面质量更好，精度更高。
渗胶粘结剂可以为环氧树脂，配制环氧树脂渗胶剂并在粉煤灰生坯表面涂覆，直至生坯表面的环氧树脂不再渗入。常温静置48h后，获得表面质量高且性能好的粉煤灰产品，包括：粉煤灰井盖、标准压缩和弯曲试样。
经过测试打印后的粉煤灰生坯抗压强度为2.3MPa，满足一般试样的初始强度要求。在渗胶强化后，抗压强度达到50MPa，高于混凝土C30强度标准。强度数值如表2：
表2试块打印及后处理样块抗压及抗拉强度对比表
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 (9)
1.一种打印用固废粉料制备方法，其特征在于，包括：
将固废颗粒原粉、造粒粘结剂和溶剂以预设质量比混合；
使用混料装置将所形成的固废混合物搅拌成均匀固废浆料；
使用造粒装置将固废浆料制备成粒径大小不同的固废颗粒物；
筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料。
2.根据权利要求1所述的打印用固废粉料制备方法，其特征在于，固废颗粒原粉与造粉粘结剂的质量比为70：30至99.5:0.5。
3.根据权利要求1所述的打印用固废粉料制备方法，其特征在于，所述造粉粘结剂包括聚乙烯醇、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂中的一者或多者组合。
4.根据权利要求1所述的打印用固废粉料制备方法，其特征在于，所述固废浆料的固相含量为10-60vol％。
5.根据权利要求1所述的打印用固废粉料制备方法，其特征在于，所述使用造粒装置将固废浆料制备成粒径大小不同的固废颗粒物具体包括：
固废浆料在气压作用下以雾状颗粒形态输送至造粒装置内；
经过150-200℃烘干以获得干燥的固废颗粒物。
6.根据权利要求1所述的打印用固废粉料制备方法，其特征在于，所述筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料具体包括：
筛分固废颗粒物以得到满足打印要求的粉料和其他颗粒物；
将其他颗粒物回收并通过固废粉料制备方法重新制备。
7.一种3D打印方法，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的打印用固废粉料制备方法。
8.根据权利要求7所述的3D打印方法，其特征在于，还包括：
将得到的满足打印要求的固废粉料与固化剂混合并置入3D打印设备打印以得到固废打印生坯；
在固废打印生坯表面通过渗胶粘结剂进行渗胶工艺。
9.根据权利要求8所述的3D打印方法，其特征在于，所述渗胶粘结剂为热固性树脂，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂，热固性聚酰亚胺中的一者。
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