在Binder Jet 3D打印實驗中使用貝殼和石膏粉

在海洋之旅中，我將不可避免地從海灘上拾起并欣賞一些貝殼，并考慮將它們帶回家，在帶有沙子的花瓶中展示，盡管我很少跟進。除了它們的美妙程度之外，構(gòu)成貝殼的粉末實際上是一種天然的生物陶瓷材料，以前用作生產(chǎn)輕質(zhì)低強度混凝土的成分，用于攤鋪機等應(yīng)用。我們自己的3DPrint.com作家Carmen Brio以前甚至在3D打印中使用海貝殼，將它們用作她制作的FDM燈絲的填充物。后來，學(xué)生們也用肌肉彈制成細絲。現(xiàn)在，來自奧克蘭理工大學(xué)（AUT），Scion和德國Beckmann-InstitutfürTechnologieentwicklung的研究人員組成的團隊很好奇，如果貝殼粉末可以用于3D打印，并發(fā)表了一篇題為“貝殼粉末粘合機理”的論文基于陶瓷復(fù)合材料用于Binder-Jet 3D打印”，詳細介紹了他們的工作。

摘要中寫道：“考慮到材料固結(jié)機理和機械特性，已對海殼粉末基陶瓷復(fù)合材料的Binder-jet 3D打印響應(yīng)進行了評估。手動完成初始實驗印刷試驗，將復(fù)合粉末的組成從貝殼粉末和其余灰泥的5％至50％變化�？偟膩碚f，貝殼和石膏組合在粘合劑噴射工藝條件下獲得必要的生坯強度方面表現(xiàn)良好。掃描電子顯微鏡和3點彎曲結(jié)果表明，在較低水平的貝殼組分下沒有明顯的性能損失，但強度降低超過25％。就最佳壓縮強度而言，貝殼粉末的最佳含量為15-20％（重量）。然而，純凈的海貝殼粉末在與粘合劑液體相互作用后立即變得太粘，并且沒有顯示任何可以加速的結(jié)合機制的證據(jù)。

由于粘合劑噴射是陶瓷的一種流行的AM技術(shù)，該團隊評估了各種貝殼粉末組合物如何對其作出反應(yīng)，注意到民用建筑混凝土與使用粘合劑噴射3D打印產(chǎn)生復(fù)雜形式之間的“設(shè)置機制的巨大差異”。。如果我們能夠更好地制造具有復(fù)雜幾何形狀的多孔部件，那么在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量管理中的應(yīng)用可能會開放。


“雖然傳統(tǒng)的水泥設(shè)置需要更長時間才能運行數(shù)天，但3D打印需要瞬間設(shè)置，因為在短時間內(nèi)獲得一定量的綠色強度是必不可少的，粉末掃描臂會隨之進行。研究人員寫道，必須加速顆粒固結(jié)機制，實現(xiàn)保持先前固結(jié)層完好所需的快速生坯強度，同時掃描擴散下一層粉末。本文的重點是確定貝殼粉末在這些條件下的表現(xiàn)�！�

打印有不同成分的樣品

該團隊完成了基于純貝殼粉末的初步試驗，但它在水分周圍是惰性的，這肯定是行不通的 - 水分是基于石膏的3D打印材料的基本觸發(fā)機制。因此，他們創(chuàng)造了具有不同成分的石膏——貝殼陶瓷粉末材料，并基于機械和微觀結(jié)構(gòu)特征評估了它們。


研究人員解釋說，“作為當(dāng)前研究的一部分，所有3D打印試驗采用了粘合劑噴射3D打印方法。商業(yè)Z-Corp系統(tǒng)通常是進行此類研究的平臺。這些系統(tǒng)目前被3D系統(tǒng)項目版本所取代，但工作原理是相同的，特別是粘合劑解決方案或多或少保持不變。考慮到改變粘合劑溶液的復(fù)雜性，我們采用了與市售相同的解決方案，這相當(dāng)于以前的Z-Corp材料選項的Zb60。作為本研究的一部分而建造的所有樣品均基于相同的Zb60粘合劑流體�？紤]到需要生產(chǎn)大量材料以便使用實際的打印機，所有的試驗都是在模擬的粘合劑噴射印刷方法中進行的，其中粉末在塑料容器中一層一層地手動分散，同時噴射粘合劑。通過注射器�？梢宰⒁獾�，所有樣品都是基于制造移位印刷裝置并手動分散粘合劑而制備的。這很難校準，實驗主要是為了評估新粉末復(fù)合材料對粘合劑噴射法加工的初步反應(yīng)�！�

測試了貝殼粉末——石膏復(fù)合材料的組成。

任何3D打印粉末的主要屬性是良好的擴散特性，反應(yīng)速率和潤濕角度。該團隊首先對貝殼粉末進行了評估，注意到材料會迅速吸收材料并變成塊狀，因此不能擴散到粘合劑噴射所需的薄層中。他們通過用計算量的液體膠水處理粉末樣品來觀察反應(yīng)速率，并確定該組合具有“無反應(yīng)機制”。膠水在表面上的潤濕角度也取決于它與粉末的相互作用，如膠水粉末表面的流動無法控制。


“基于所有這些結(jié)果，很明顯貝殼粉本身不能成為通過粘合劑噴射方法進行3D打印的候選材料，”研究人員確定地說。

“顯然，用于3D打印的材料候選者所需的所有三個基本方面都不能自然地與貝殼粉末一起使用，并且需要通過添加其他成分來固定。在嘗試了幾種替代品之后，石膏粉被認為是形成貝殼粉末 - 陶瓷復(fù)合材料的良好組合，符合所有這三項測試的要求�！�

研究人員還嘗試通過將貝殼粉末與各種重量比例的石膏相結(jié)合來表征貝殼粉末。

“將粘合劑膠注入注射器中并手動沉積在各層上。研究人員寫道，矩形樣品可用于三點彎曲試驗�！睂τ诿恳粚�，所需量的粉末沉積在基材上，然后使用木制刮刀均勻鋪展，保持層厚度約為1mm。然后將計算量的粘合劑流體添加到以Z字形光柵路徑圖案移動注射器的層中。重復(fù)該過程以構(gòu)建十層，并且一旦所有層被印刷，將樣品固化至少6小時，然后取出它們。

拍攝3D打印樣品的SEM顯微照片，完成EDS分析以“證實觀察”石膏晶體和貝殼粉末分散體的生長和形成，研究人員還進行了點分析以“確定分散體周圍的預(yù)測”石膏晶體網(wǎng)絡(luò)中的貝殼粉末�！白詈螅�他們將3D打印的矩形塊，用各種成分制成，進行三點彎曲試驗，以確定機械性能，并發(fā)現(xiàn)3D打印的純石膏樣品具有最佳的最大抗壓性。有趣的是，添加貝殼粉實際上有助于惡化這種阻力，這顯然不是目標。

“總的來說，貝殼粉末和石膏組合被證明適用于粘合劑噴射工藝的3D打印。然而，貝殼粉末沒有固有的反應(yīng)性或機制來提高粘合強度，“研究人員總結(jié)道。“它將保留在石膏相的晶體網(wǎng)絡(luò)中，并且不會使機械性能惡化至15-20％（重量）。除此之外，壓縮強度太低，印刷樣品太脆弱。含有高達20％（重量）貝殼粉末的能力本身就是一個有趣的發(fā)現(xiàn)，因為粉末復(fù)合材料將生物學(xué)風(fēng)格帶入材料系統(tǒng)，并使盒子具有可持續(xù)性。

來源： 廣西增材制造協(xié)會