一种基于气体驱动的3D打印材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种基于气体驱动的3D打印材料及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，3D打印技术作为一项创新性技术发展迅速，其打印精度和打印效率不断提高，得到了广泛的应用，该技术在原理上采用层层叠加的方式，加工工艺不受实体原型复杂程度影响，适合各类复杂结构零件的快速制造，因此3D打印技术受到了国内外越来越广泛的关注。目前3D打印技术按成型技术原理可分为立体光固化原理、选择性激光烧结成型、直写成型技术、熔融沉积成型、层片叠加成型等，其中直写成型技术因为其更广泛的材料适用性、简易的操作性得到了广泛的应用，尤其在陶瓷、水泥、石膏等以浆体成型为主的材料打印中起到了重要的作用。
目前应用于直写成型技术的3D打印材料如上述，主要为陶瓷基、水泥基、石膏基等材料。陶瓷基3D打印技术在完成坯体挤出成型后，仍需较为复杂的后期处理工艺且如烧结工艺等后期处理工艺会严重影响其打印精度；而水泥基与石膏基3D打印材料都需要对其进行凝结时间调控，才能满足打印的需要，两种材料在水化硬化过程中的收缩行为会很大程度影响打印制品质量，且上述的三类打印材料都无法同步进行打印工艺与固化工艺，并未发挥出3D打印技术快速成型的技术优势。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于气体驱动的3D打印材料，以解决现有3D打印材料打印质量、打印效率较低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于气体驱动的3D打印材料，按重量份计，包括以下组分：碳化胶凝材料：100份，碳化增强相：10-15份，粘结剂：1-2份，水：28-38份。
可选地，所述碳化胶凝材料为γ型硅酸二钙、硅酸一钙、二硅酸三钙、钢渣粉与硅酸盐水泥混合料中的一种或多种，且所述碳化胶凝材料的粒径为2-10微米。
可选地，当所述碳化胶凝材料为钢渣粉与硅酸盐水泥混合料时，按重量份计，所述基于气体驱动的3D打印材料，还包括：减水剂：1-2份。
可选地，所述碳化增强相为壳聚糖、无定型硅质材料中的一种或多种。
可选地，所述粘结剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、水性聚氨酯、乙烯-乙酸乙烯共聚物、羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
可选地，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂与柠檬酸钠缓凝剂混合而成的复合型减水剂。
本发明的第二目的在于提供一种制备上述基于气体驱动的3D打印材料的方法，该制备方法，包括以下步骤：
将所述碳化胶凝材料与所述碳化增强相球磨混合；得到混合料A；
将所述粘结剂溶于所述水中，得到溶液B；
将所述混合料A加入至所述溶液B中，搅拌，得到基于气体驱动的3D打印材料。
本发明的第三目的在于提供一种上述基于气体驱动的3D打印材料在3D打印中的应用，该应用，包括以下步骤：
通过3D数据建模构建目的打印模型；
对目的打印模型进行切片处理，并规划扫描路线；
参考目的打印模型切片尺寸、打印精度要求，匹配合适的打印参数；
排出基于气体驱动的3D打印材料中的气泡后，装填进3D打印机料筒；
开启红外辐射加热器预热打印区域后，向密封打印区通入CO2气体，排出密封打印区空气后，开启打印；
打印完成后，经碳化硬化处理，得到打印产品。
可选地，所述碳化硬化处理的处理温度为0-100℃，相对湿度为5-100％，二氧化碳浓度为10-100％。
相对于现有技术，本发明所述的基于气体驱动的3D打印材料具有以下优势：
1、本发明采用碳化胶凝材料为主要材料，配以碳化增强相、粘结剂和减水剂制备3D打印材料，一方面，其中的碳化胶凝材料在合适的碳化环境下可迅速与二氧化碳反应，生成致密的碳酸钙硬化体，使打印产品具有优异的体积稳定性、力学与耐久性能，另一方面，其中的粘结剂和减水剂可使本发明的3D打印材料具有一定的稳定性，其由喷嘴挤出后与碳化前均能够维持形态，防止坍塌变形，进而进一步提高打印质量，且本发明采用碳化胶凝材料为主制备3D打印材料，可在打印过程中同时进行碳化硬化操作，实现打印工艺与固化工艺的同时进行，大大缩短成型时间，进而大大提高打印效率。
2、本发明采用浆体直写型3D打印技术，其打印工艺操作简单，且因本发明基于气体驱动的3D打印材料具有良好的流动性以及稳定性，使得本发明具有较高的打印精度。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种基于气体驱动的3D打印材料，具体采用以下方法制得：
将100gγ型硅酸二钙与11g无定型硅质材料球磨0.5h混合均匀，得到混合料A；
将0.2g聚乙烯醇、2g羧甲基纤维素钠溶于38g水中，搅拌均匀，得到溶液B；
将混合料A加入至溶液B中，搅拌2-3min至浆体均匀，得到基于气体驱动的3D打印材料。
将上述基于气体驱动的3D打印材料用于3D打印，具体包括以下步骤：
1)数据模型构建：通过3D数据建模构建目的打印模型；对目的打印模型进行切片处理，并规划扫描路线；参考目的打印模型切片尺寸、打印精度要求，匹配合适的打印参数；
2)将上述基于气体驱动的3D打印材料置于容器内使用振动器振动排出气泡后，装填进3D打印机料筒；
3)开启红外辐射加热器预热打印区域后，向密封打印区通入浓度为100％的CO2气体，排出密封打印区空气后，持续通入浓度为100％的CO2气体，并开启打印机，样品打印完成后，仍然持续通入浓度为100％的CO2气体，并在温度为40℃，相对湿度为60％的条件下，维持碳化1-2小时，使样品充分进行碳化硬化，得到打印产品，在步骤3)的整个打印碳化过程中保持加热器开启状态维持40℃温度直至碳化结束。
实施例2
一种基于气体驱动的3D打印材料，具体采用以下方法制得：
将179.4g钢渣粉、44.8g硅酸盐水泥与28.5g无定型硅质材料球磨0.5h混合均匀，得到混合料A；
将3.54g聚乙烯醇、5.05g羧甲基纤维素钠、10.11g减水剂溶于70.7g水中，搅拌均匀，得到溶液B，其中，减水剂为聚羧酸系高效减水剂与柠檬酸钠缓凝剂混合而成的复合型减水剂；
将混合料A加入至溶液B中，搅拌2-3min至浆体均匀，得到基于气体驱动的3D打印材料。
将上述基于气体驱动的3D打印材料用于3D打印，具体包括以下步骤：
1)数据模型构建：通过3D数据建模构建目的打印模型；对目的打印模型进行切片处理，并规划扫描路线；参考目的打印模型切片尺寸、打印精度要求，匹配合适的打印参数；
2)将上述基于气体驱动的3D打印材料置于容器内使用振动器振动排出气泡后，装填进3D打印机料筒；
3)开启红外辐射加热器预热打印区域后，向密封打印区通入浓度为100％的CO2气体，排出密封打印区空气后，持续通入浓度为100％的CO2气体，并开启打印机，样品打印完成后，仍然持续通入浓度为100％的CO2气体，并在温度为40℃，相对湿度为60％的条件下，维持碳化1-2小时，使样品充分进行碳化硬化，得到打印产品，在步骤3)的整个打印碳化过程中保持加热器开启状态维持40℃温度直至碳化结束。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
