【摘要】：3D打印(增材制造)技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)重大變革的標志性技術(shù),將帶動全球制造業(yè)的升級發(fā)展。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑裝飾領(lǐng)域,在減少施工工序和降低勞動強度的同時,可實現(xiàn)施工技術(shù)的自動化和智能化,以及實現(xiàn)裝飾效果的個性化和多樣化。3D打印技術(shù)是引領(lǐng)未來建筑實現(xiàn)裝飾便捷化、個性化、功能一體化的重要手段。石膏材料具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)成本低等特點,是建筑室內(nèi)裝飾領(lǐng)域最具競爭力的材料之一。與金屬、聚合物等打印材料不同,石膏材料硬化成型過程須歷經(jīng)水化反應(yīng),無法借助于溫度、光照等外界條件實現(xiàn)瞬時固化成型。石膏材料應(yīng)用于現(xiàn)有3D打印工藝存在漿體流動穩(wěn)定性差,打印成型時間與石膏固化時間難以精確匹配等問題,導(dǎo)致打印成型體精度低、體積穩(wěn)定性差、性能難以保證。本文依托“十三五”國家重點研發(fā)計劃“功能型裝飾裝修材料3D打印關(guān)鍵材料成型工藝及核心裝備研究”(2016YFC0700905-04)。針對石膏膠凝材料在建筑裝飾3D打印領(lǐng)域面臨的成型工藝與材料性能不匹配的問題,以高強石膏為主要原料,基于石膏材料的水化硬化理論,提出適用于石膏材料的3D打印工藝,對石膏基3D打印材料關(guān)鍵制備技術(shù)、材料特性和調(diào)控機理進行研究,突破現(xiàn)有3D打印工藝對石膏材料成型的制約。論文取得的主要創(chuàng)新成果有:首次提出適合于石膏材料的高流態(tài)穩(wěn)態(tài)輸送-快速固化-穩(wěn)定成型3D打印工藝經(jīng)時模型(High_fluidity_transport-Rapid_solidification-Stable_molding,HFT-RS-SM)。基于石膏材料水化硬化特征,提出了全新的適合于石膏材料的打印工藝;基于材料在工藝全過程的性能參數(shù)變化,劃分工藝的高流態(tài)穩(wěn)態(tài)輸送-快速固化-穩(wěn)定成型打印三階段經(jīng)時模型,建立與之匹配的材料制備技術(shù);同時,基于所提出的石膏基3D打印工藝,建立高強石膏材料成型全過程粘度、強度發(fā)展特征模型,為進一步材料的制備以及性能調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。研發(fā)3D打印HFT階段石膏漿體高流態(tài)、穩(wěn)定輸送特性調(diào)控方法。根據(jù)3D打印HFT-RS-SM工藝對材料高流態(tài)穩(wěn)態(tài)輸送的要求,制備3D打印HFT階段高流態(tài)石膏漿體:流動度≥280 mm,穩(wěn)定流動時間45 min,塑性粘度0.3 Pa·s。研究HFT階段石膏材料的流變性能;探討不同表面改性組分、溫度對高流態(tài)石膏漿體的影響機制,解決3D打印漿體材料高流態(tài)與高穩(wěn)定態(tài)的矛盾,揭示不同表面改性組分對α-石膏水化過程反應(yīng)的控制機理:以吸附作用改善漿體的流動性能,不同表面改性組分之間還存在競爭吸附現(xiàn)象。研發(fā)實現(xiàn)3D打印IS階段石膏漿體材料快速轉(zhuǎn)變的化學(xué)固化組分。根據(jù)3D打印HFT-RS-SM工藝RS階段對漿體材料快速固化的要求以及HFT階段漿體材料的特性,探究快速固化組分對高流態(tài)漿體材料的固化轉(zhuǎn)變特性,解決3D打印石膏材料穩(wěn)定流動狀態(tài)與快速固化之間的矛盾,實現(xiàn)高穩(wěn)態(tài)流動漿體快速轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)變時間1 min,并實現(xiàn)固化時間可調(diào)�；诨瘜W(xué)固化本征特性,探究快速固化組分對石膏漿體快速固化的作用機理:快速固化組分提高了石膏溶解速率,增大了反應(yīng)過程中離子過飽和度,加速了誘導(dǎo)結(jié)晶成核速率,促進石膏晶核的快速形成并長大。研究3D打印工藝參數(shù)對分層成型體的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)影響規(guī)律。針對3D打印分層成型特點,系統(tǒng)研究SM階段分層成型石膏硬化體的力學(xué)性能、成型尺寸精度的變化規(guī)律,探究分層成型工藝對層間界面孔結(jié)構(gòu)、界面強度、顯微硬度、微觀形貌的影響;結(jié)果表明:快速固化組分的加入提高了分層成型石膏硬化體早期力學(xué)性能,5 min時整體強度接近4 MPa;同時彌補了石膏水化硬化過程產(chǎn)生的微膨脹,線性膨脹率0.02%,提高了成型體的體積穩(wěn)定性;3D打印分層成型工藝增加了界面區(qū)的孔結(jié)構(gòu)缺陷,對打印成型體宏觀性能產(chǎn)生了負面影響。本文研究成果對于促進3D打印石膏材料的理論研究,推動3D打印技術(shù)在建筑裝飾領(lǐng)域的工程應(yīng)用具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ177.36;TP391.73
【圖文】：

11]（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)的一個分支（如圖1-1所示），3D打印技術(shù)是一種融合了數(shù)字建模、機電控制、信息科學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域前沿技術(shù)的一種應(yīng)用型技術(shù)[12]；是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過自動化成型控制，運用可粘合材料等打印材料，通過逐層疊加打印的方式進行實物成型的增材制造技術(shù)；是第三次工業(yè)革命的重要標志之一[13]。

圖 1-1 快速成型技術(shù)的分類[14]Fig. 1-1 The classification of rapid prototyping technology 20 年里，快速成型技術(shù)發(fā)展迅速，且在諸多行業(yè)進行了統(tǒng)意義上來講，3D 打印技術(shù)常用于生產(chǎn)低產(chǎn)量、小尺寸者高端消費品。據(jù) 2014 年 3D 打印技術(shù)市場應(yīng)用份額統(tǒng)3D 打印技術(shù)主要應(yīng)用于消費品和電子產(chǎn)品，占據(jù)市場份、商業(yè)，分別占據(jù)市場份額的 14.7%和 11.7%。其在建筑位，僅有 4.8%，該技術(shù)在實體建筑建造領(lǐng)域尚處于試驗管如此，3D 打印在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用也為 3D 建筑打印技術(shù)的開發(fā)與推廣提供了良好的技術(shù)思路和研究基礎(chǔ)。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2732803