陳嘉奇，崔坤騰，張 帆，涂一文，陳健龍

(1.中山市武漢理工大學(xué)先進(jìn)工程技術(shù)研究院 材料分析測試中心，廣東 中山 528400;2.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

水泥基材料是指以硅酸鹽水泥為基體材料，以纖維為增強(qiáng)體，加入填料、化學(xué)助劑和水經(jīng)復(fù)合工藝制成的復(fù)合材料[1]。水泥基材料成漿時(shí)具有流動性、粘聚性、可塑性等特點(diǎn)，水化和硬化后具有一定強(qiáng)度和表面質(zhì)感，材料從成漿到開始硬化時(shí)間具有一定時(shí)間間隔，有利于材料的造型[2-3]。

水泥工藝品是利用水泥基材料成漿可塑、水化和硬化具有強(qiáng)度和表面材質(zhì)質(zhì)感的特點(diǎn)，通過手工或機(jī)器將水泥基材料加工而成的有藝術(shù)和觀賞價(jià)值的產(chǎn)品。水泥工藝品將材料工藝與美學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合，創(chuàng)造出新型的工藝產(chǎn)品，滿足人們的個(gè)性化需求。水泥工藝品具有安全舒適、環(huán)保耐用等特點(diǎn)，且在造型、表面質(zhì)感和肌理、色彩等方面的卻有較高要求[4]。

傳統(tǒng)的水泥工藝品采用模具預(yù)制成型法，先完成模具制作后澆筑水泥基材料，待水泥基材料凝結(jié)硬化后進(jìn)行脫模，成品進(jìn)行清洗、打磨等后處理。傳統(tǒng)的水泥工藝品成型方法工序流程復(fù)雜，人工操作多，對工人的熟練程度有較高要求，工藝品制作過程中易出現(xiàn)瑕疵[5]。

3D打印技術(shù)是一種可以用于新興水泥制品快速成型的技術(shù)。該技術(shù)將水泥基材料作為3D打印材料，3D打印機(jī)讀取數(shù)字模型后直接打印成型，實(shí)現(xiàn)水泥制品的快速造型，一定程度上克服了模具預(yù)制成型法的缺點(diǎn)[6-7]。國內(nèi)外基于直接擠出成型的水泥3D打印技術(shù)較為成熟，通常應(yīng)用于建筑類3D打印，其設(shè)備成本高、成型表面質(zhì)量差等問題[8-10]，不適合水泥工藝品成型。

目前，水泥工藝品采用鋪粉式3D打印成型方法，該方法利用水泥本身遇水硬化的特性，從打印機(jī)噴頭噴出來的粘接劑與水泥粉末反應(yīng)硬化，將每層粉末粘接在一起，由此實(shí)現(xiàn)水泥工藝品的實(shí)體造型。鋪粉式水泥工藝品3D打印成型方法，對水泥基材料的凝固時(shí)間、粘稠度需要精確控制，成型的水泥工藝品表面精度較差、力學(xué)性能低，難以滿足市場需求，且工藝品存在斷面、易碎等缺陷[11]。

針對水泥工藝品成型的缺陷及市場需求，提出了3D打印模具與水泥漿體填充同步成型的多噴頭多材料水泥工藝品3D打印方法，分析了該工藝方法對水泥基材料的需求，并對水泥基材料的成分、配方、性能進(jìn)行了測試分析，最后進(jìn)行了水泥工藝品3D打印實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 水泥工藝品3D打印成型方式

針對水泥工藝品對3D打印成型精度與力學(xué)性能的需求，采用基于模具思想的纖維增強(qiáng)多噴頭多材料水泥工藝品3D打印成型工藝方法。采用低成本熱塑性材料打印外殼充當(dāng)模具；通過連續(xù)擠出水泥基材料的進(jìn)料方式，實(shí)時(shí)模具空腔的填充；通過特定路徑進(jìn)行連續(xù)纖維的選擇性鋪放以增強(qiáng)水泥工藝品的力學(xué)性能，解決水泥基材料三維成型的精度、力學(xué)性能差等問題，具體成型原理如圖1所示。

圖1 水泥工藝品3D打印成型原理

噴頭T1采用傳統(tǒng)的熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)工藝方法 ，以熱塑性材料打印工藝品三維模型的外殼，充當(dāng)模具，所用材料為低成本高分子材料，如聚乳酸、水溶性材料、彈性材料等。水泥進(jìn)料填充與纖維進(jìn)料鋪設(shè)組成復(fù)合噴頭T2，噴頭T2漿體進(jìn)料部分用于在噴頭T1打印完成一定層高的模具后，按一定路徑同步注入攪拌均勻的水泥基材料漿體。此噴頭與具有混和攪拌功能的儲料池相連，通過壓泵方式實(shí)現(xiàn)水泥的連續(xù)進(jìn)料。噴頭T2纖維進(jìn)料部分用于每填充一定層高的水泥材料后，進(jìn)行纖維材料的鋪放，加強(qiáng)成型件的機(jī)械性能，所用材料為連續(xù)纖維復(fù)合材料，如玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料等。該部分集成纖維的路徑規(guī)劃、纖維鋪放、切斷點(diǎn)識別與切斷處理功能。其工作流程如圖2所示，模具、水泥、纖維3種材料的進(jìn)料與兩個(gè)噴頭在每一層打印成型時(shí)交替進(jìn)行，完成水泥工藝品實(shí)體的三維成型，待漿體凝結(jié)硬化后，采用熱熔、水溶或酸溶等方式去除水泥工藝品模具。

圖2 水泥工藝品3D打印流程

2 水泥基材料的性能要求

根據(jù)水泥工藝品3D打印成型原理及工藝方法，水泥基材料采用螺桿泵進(jìn)行進(jìn)料填充，由于水泥漿體與模具打印交替進(jìn)行、實(shí)時(shí)填充，貫穿整個(gè)打印成型過程，且水泥擠料機(jī)與打印噴頭存在一定的運(yùn)輸距離及高度差，故對水泥基材料的性能要求如下：

(1)粘稠度。粘稠度影響螺桿泵的擠壓力，粘稠度越大，擠壓力越大。

(2)流動性。水泥漿體的流動性大小影響漿體填充模具空腔后，能否迅速形成平面，保證漿體液面高度檢測的準(zhǔn)確性及工藝品表面的光潔度。

(3)凝結(jié)時(shí)間。水泥漿體在料池中長時(shí)間存儲會發(fā)生凝結(jié)。凝結(jié)時(shí)間越長，模具可打印的時(shí)間越多，即能夠成型的工藝品尺寸越大，越復(fù)雜。但凝結(jié)時(shí)間過長，后期固化速度慢，影響成型效率。

(4)收縮性。收縮性將會影響工藝品成型尺寸和精度。

(5)力學(xué)性能。根據(jù)水泥工藝品3D打印系統(tǒng)采用的成型工藝、脫模方式及水泥工藝品的外觀要求，需要打印材料具良好的強(qiáng)度、剛度、較好的抗裂性和塑性。

3 打印材料特性探究

3.1 原材料和打印材料制備

根據(jù)水泥基材料打印性能要求，選取相關(guān)原材料的生產(chǎn)廠家、規(guī)格和部分性能參數(shù)如表1所示。材料基本配合比、凝結(jié)時(shí)間、打印效果、收縮性和硬化后表面光滑度如表2所示。

3.2 打印特性探究

用水泥膠砂流動度測定儀測各組別流動度，用軟固體流變儀測各組別粘度曲線，用維卡儀測定凝結(jié)時(shí)間，根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)測定1 d，7 d，28 d抗壓強(qiáng)度，測量結(jié)果如圖3～圖5所示。由表2和圖3～圖5可知， 配比D-1初凝時(shí)間短，流動度小，攪拌剪切后粘度大，水膠比大，后期強(qiáng)度低，材料收縮大，光滑度差，作為打印材料效果差。配比D-2材料1 d強(qiáng)度高，有利于脫模，且收縮小，后期強(qiáng)度高，但是其初凝時(shí)間短，攪拌后粘度小，表面光滑度差，作為打印材料效果差。配比D-3收縮小，流動度大，攪拌剪切后粘度適中，擠出性能好，但是材料1 d強(qiáng)度低于10 MPa，不利于脫模，表面光滑度差，作為打印材料效果一般。配比D-4延長凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)降低水膠比，收縮小，流動度大，攪拌后粘度適中，擠出性能好，材料1 d強(qiáng)度大于10 MPa，利于脫模，后期強(qiáng)度高，達(dá)到80 MPa以上，表面光滑度好，適合作為打印材料。配比D-5和D-6延長凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)降低水膠比，收縮小，流動度大，攪拌后粘度適中，擠出性能好，材料1 d強(qiáng)度大于10 MPa，后期強(qiáng)度高，達(dá)到80 MPa以上，利于脫模，表面光滑度好，適合作為打印材料。

表1 原材料的基本信息

表2 基本配合比(kg/m3)、凝結(jié)時(shí)間和成型效果

圖3 流動性能圖

圖4 粘度-截切流變曲線圖

圖5 不同齡期的抗壓強(qiáng)度

綜合分析，通過添加礦物外加劑(如硅灰，粉煤灰)、增稠劑和減水劑，漿體攪拌前粘度為100～160 Pa·s，攪拌后粘度為10～20 Pa·s，流動度為270～280 mm，漿體擠出和澆灌成型性能最好；通過添加減水劑降低水膠比，水膠比在0.18以下，漿體收縮??；通過添加超細(xì)礦物摻和料(硅灰)，改善硬化漿體表面光滑度和強(qiáng)度，硅灰摻量應(yīng)在100 kg/m2；通過添加一定量的緩凝劑，調(diào)節(jié)漿體的凝結(jié)時(shí)間，但添加量在不超過0.1 kg/m2，初凝時(shí)間不低于4 h；考慮打印成本和綠色環(huán)保，可通過摻入礦物外加劑進(jìn)一步降低水泥用量。

3.3 成型和脫模

水泥基材料的物理與化學(xué)特性限定了模具材料及脫模方法，其基本要求有：模具材料不與水泥基材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；模具打印成型精度高，無毛刺、拉絲等現(xiàn)象產(chǎn)生；脫模過程中，施加外力不能過大；脫模溫度在水泥工藝品可承受范圍內(nèi)；模具材料與水泥工藝品固化物粘接力較小。

筆者選用了4種常用的FDM 3D打印的熱塑性材料：聚乳酸PLA(polylactic acid)、聚己內(nèi)酯PCL(polycaprolactone)、聚乙烯醇PVA(polyvinyl alcohol)、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠TPU(thermoplastic ployurethanes)，分別進(jìn)行了3D打印成型和脫模效果分析，其成型和脫模效果如表3所示。

表3 成型材料打印和脫模效果

PLA材料需要在200℃的高溫下脫模，導(dǎo)致水泥工藝品的凝結(jié)硬化過程受阻，工藝品的機(jī)械性能較差，甚至破裂；PCL材料成型質(zhì)量難以控制，熱熔脫模時(shí)，材料與工藝品的粘連性較強(qiáng)，導(dǎo)致脫模不完全；PVA水溶性材料與水泥漿體中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致水泥漿體成分含量變化，以及模具結(jié)構(gòu)損壞。TPU彈性材料其成型質(zhì)量較好，在60℃左右受熱后彈性變形加大，與水泥工藝品粘連性小，容易拆解。

綜合分析以上4種材料的成型質(zhì)量和脫模效果，TPU彈性材料具有良好的彈性變形能力、較低的粘著性、較高的成型精度，故作為3D打印成型工藝中的模具材料。

4 水泥工藝品3D打印實(shí)驗(yàn)

水泥工藝品3D打印設(shè)備如圖6所示，包含三維打印成型運(yùn)動機(jī)構(gòu)、水泥基材料擠料機(jī)構(gòu)、打印噴頭、材料進(jìn)料機(jī)構(gòu)等，完整的3D打印系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。為滿足模具、水泥、纖維材料擠料機(jī)及兩獨(dú)立噴頭在同一成型工作平面的協(xié)同工作，設(shè)計(jì)五軸雙坐標(biāo)系運(yùn)動結(jié)構(gòu)。

圖6 水泥工藝品3D打印設(shè)備

圖7分別為3D打印的水泥工藝品中國象棋，脫模后的窗格以及3D打印的武漢理工大學(xué)校徽脫模后的水泥工藝品模型，驗(yàn)證了多噴頭水泥3D打印的成型工藝及所用水泥漿體材料的可行性。

圖7 水泥工藝品3D打印作品

5 結(jié)論

通過對多噴頭水泥工藝品3D打印成型工藝及水泥漿體材料特性的研究，完成了以下工作:

(1)充分發(fā)揮模具3D打印成型與水泥漿體填充材料的特性，采用模具打印與漿體填充同步成型的方式，提出了多噴頭水泥工藝品3D打印工藝。

(2)根據(jù)水泥工藝品3D打印工藝對打印、成型和脫模材料的要求，對打印材料性能和打印效果，成型脫模效果進(jìn)行探究。對于水泥基打印材料凝結(jié)時(shí)間超過5 h，流動度越大，初始粘度越大，打印效果越好；對于模具成型材料，TUP效果最好。

(3)利用上述工藝和材料，進(jìn)行了復(fù)雜模型的水泥工藝品3D打印測試。