在Binder Jet 3D打印实验中使用贝壳和石膏粉

在海洋之旅中，我将不可避免地从海滩上拾起并欣赏一些贝壳，并考虑将它们带回家，在带有沙子的花瓶中展示，尽管我很少跟进。除了它们的美妙程度之外，构成贝壳的粉末实际上是一种天然的生物陶瓷材料，以前用作生产轻质低强度混凝土的成分，用于摊铺机等应用。我们自己的3DPrint.com作家Carmen Brio以前甚至在3D打印中使用海贝壳，将它们用作她制作的FDM灯丝的填充物。后来，学生们也用肌肉弹制成细丝。现在，来自奥克兰理工大学（AUT），Scion和德国Beckmann-InstitutfürTechnologieentwicklung的研究人员组成的团队很好奇，如果贝壳粉末可以用于3D打印，并发表了一篇题为“贝壳粉末粘合机理”的论文基于陶瓷复合材料用于Binder-Jet 3D打印”，详细介绍了他们的工作。

摘要中写道：“考虑到材料固结机理和机械特性，已对海壳粉末基陶瓷复合材料的Binder-jet 3D打印响应进行了评估。手动完成初始实验印刷试验，将复合粉末的组成从贝壳粉末和其余灰泥的5％至50％变化。总的来说，贝壳和石膏组合在粘合剂喷射工艺条件下获得必要的生坯强度方面表现良好。扫描电子显微镜和3点弯曲结果表明，在较低水平的贝壳组分下没有明显的性能损失，但强度降低超过25％。就最佳压缩强度而言，贝壳粉末的最佳含量为15-20％（重量）。然而，纯净的海贝壳粉末在与粘合剂液体相互作用后立即变得太粘，并且没有显示任何可以加速的结合机制的证据。

由于粘合剂喷射是陶瓷的一种流行的AM技术，该团队评估了各种贝壳粉末组合物如何对其作出反应，注意到民用建筑混凝土与使用粘合剂喷射3D打印产生复杂形式之间的“设置机制的巨大差异”。。如果我们能够更好地制造具有复杂几何形状的多孔部件，那么在轻质结构和能量管理中的应用可能会开放。


“虽然传统的水泥设置需要更长时间才能运行数天，但3D打印需要瞬间设置，因为在短时间内获得一定量的绿色强度是必不可少的，粉末扫描臂会随之进行。研究人员写道，必须加速颗粒固结机制，实现保持先前固结层完好所需的快速生坯强度，同时扫描扩散下一层粉末。本文的重点是确定贝壳粉末在这些条件下的表现。”

打印有不同成分的样品

该团队完成了基于纯贝壳粉末的初步试验，但它在水分周围是惰性的，这肯定是行不通的 - 水分是基于石膏的3D打印材料的基本触发机制。因此，他们创造了具有不同成分的石膏——贝壳陶瓷粉末材料，并基于机械和微观结构特征评估了它们。


研究人员解释说，“作为当前研究的一部分，所有3D打印试验采用了粘合剂喷射3D打印方法。商业Z-Corp系统通常是进行此类研究的平台。这些系统目前被3D系统项目版本所取代，但工作原理是相同的，特别是粘合剂解决方案或多或少保持不变。考虑到改变粘合剂溶液的复杂性，我们采用了与市售相同的解决方案，这相当于以前的Z-Corp材料选项的Zb60。作为本研究的一部分而建造的所有样品均基于相同的Zb60粘合剂流体。考虑到需要生产大量材料以便使用实际的打印机，所有的试验都是在模拟的粘合剂喷射印刷方法中进行的，其中粉末在塑料容器中一层一层地手动分散，同时喷射粘合剂。通过注射器。可以注意到，所有样品都是基于制造移位印刷装置并手动分散粘合剂而制备的。这很难校准，实验主要是为了评估新粉末复合材料对粘合剂喷射法加工的初步反应。”

测试了贝壳粉末——石膏复合材料的组成。

任何3D打印粉末的主要属性是良好的扩散特性，反应速率和润湿角度。该团队首先对贝壳粉末进行了评估，注意到材料会迅速吸收材料并变成块状，因此不能扩散到粘合剂喷射所需的薄层中。他们通过用计算量的液体胶水处理粉末样品来观察反应速率，并确定该组合具有“无反应机制”。胶水在表面上的润湿角度也取决于它与粉末的相互作用，如胶水粉末表面的流动无法控制。


“基于所有这些结果，很明显贝壳粉本身不能成为通过粘合剂喷射方法进行3D打印的候选材料，”研究人员确定地说。

“显然，用于3D打印的材料候选者所需的所有三个基本方面都不能自然地与贝壳粉末一起使用，并且需要通过添加其他成分来固定。在尝试了几种替代品之后，石膏粉被认为是形成贝壳粉末 - 陶瓷复合材料的良好组合，符合所有这三项测试的要求。”

研究人员还尝试通过将贝壳粉末与各种重量比例的石膏相结合来表征贝壳粉末。

“将粘合剂胶注入注射器中并手动沉积在各层上。研究人员写道，矩形样品可用于三点弯曲试验。”对于每一层，所需量的粉末沉积在基材上，然后使用木制刮刀均匀铺展，保持层厚度约为1mm。然后将计算量的粘合剂流体添加到以Z字形光栅路径图案移动注射器的层中。重复该过程以构建十层，并且一旦所有层被印刷，将样品固化至少6小时，然后取出它们。

拍摄3D打印样品的SEM显微照片，完成EDS分析以“证实观察”石膏晶体和贝壳粉末分散体的生长和形成，研究人员还进行了点分析以“确定分散体周围的预测”石膏晶体网络中的贝壳粉末。“最后，他们将3D打印的矩形块，用各种成分制成，进行三点弯曲试验，以确定机械性能，并发现3D打印的纯石膏样品具有最佳的最大抗压性。有趣的是，添加贝壳粉实际上有助于恶化这种阻力，这显然不是目标。

“总的来说，贝壳粉末和石膏组合被证明适用于粘合剂喷射工艺的3D打印。然而，贝壳粉末没有固有的反应性或机制来提高粘合强度，“研究人员总结道。“它将保留在石膏相的晶体网络中，并且不会使机械性能恶化至15-20％（重量）。除此之外，压缩强度太低，印刷样品太脆弱。含有高达20％（重量）贝壳粉末的能力本身就是一个有趣的发现，因为粉末复合材料将生物学风格带入材料系统，并使盒子具有可持续性。

来源： 广西增材制造协会