论文总字数：24280字

摘 要

近年以来，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。 3D打印技术中，浆料直写技术因为其广泛的材料适用性、简易的操作性得到了大量应用。 碳化胶凝材料具高碳化活性的特点，在合适的条件下可迅速与二氧化碳反应生成致密的碳酸钙硬化体，具有较好的体积稳定性、力学与耐久性能。本文采用浆料直写型3D打印技术，利用钢渣等碳化胶凝材料设计了一种基于气体驱动的3D打印材料，并对其流变性能、打印工作性能、力学性能进行了研究。

本文从流动性、堆积性与触变性三方面出发，分析了浆料直写型3D打印工艺对打印浆料工作性能要求。通过流变性能测试探究了羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇与聚羧酸减水剂等流变调节组份对浆料流变性能的影响。通过自主设计的连续性测试，堆积性测试等实际打印效果测试，确定了羧甲基纤维素钠掺量为2wt%、聚乙烯醇掺量为0.2wt%、聚羧酸减水剂掺量为2wt%、水胶比为0.28的最佳打印浆料配比。并对该配比浆料的最佳打印时长进行了测试，发现其打印时间在40min以内可保证较好的打印效果。同时，探究了羧甲基纤维素钠，聚乙烯醇对打印材料抗压强度的影响规律，并针对打印制品的成型特点，测量并计算其力学性能各向异性参数，定量表征其力学性能各向异性。

关键词：浆料直写3D打印技术；碳化胶凝材料；可打印性；流变特性；力学性能

Abstract

In recent years, 3D printing technology has developed rapidly as an innovative technology, it has been widely used due to its printing accuracy and printing efficiency have been continuously improved. In 3D printing technology, direct ink writing technology has been widely applied because of its wide material applicability and easy operability. Carbonized cementitious materials have the characteristics of high carbonization activity. Under appropriate conditions, they can react with carbon dioxide to form dense calcium carbonate hardened bodies with good volume stability, mechanics and durability. This paper applys direct ink writing 3D printing technology and carbonized cementitious materials such as steel slag to design a gas-driven 3D printing material, and studies its rheological properties, printing performance, and mechanical properties.

Based on the three aspects of flowability, stackability and thixotropy, this paper analyzes the requirements of direct ink writing 3D printing technology on the performance of printing mixture. The effects of rheology adjusting components such as carboxymethylcellulose sodium, polyvinyl alcohol and polycarboxylic superplasticizer on the rheological properties of the mixture were explored through rheological performance testing. Through the self-designed printing continuous test and stacking test, and other actual printing effect tests, the optimum printing mixture ratio was determined when the content of carboxymethylcellulose sodium was 2wt%, the amount of polyvinyl alcohol was 0.2wt%, the amount of polycarboxylic superplasticizer was 2wt%, and the water binder ratio was 0.28. The optimal printing time of the mixing paste was tested, and it was found that the printing time can guarantee better printing results within 40 minutes. At the same time, the effects of carboxymethylcellulose sodium and polyvinyl alcohol on the compressive strength of printing materials were explored. According to the molding characteristics of printed products, the anisotropy parameters of their mechanical properties were calculated, and quantitatively characterize the anisotropy of its mechanical properties.

Key Words：direct ink writing 3D printing technology; carbonized cementitious materials; printability; rheological properties; mechanical properties

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 浆料直写型3D打印技术研究现状 2

1.3 碳化技术研究进展 2

1.3.1 混凝土碳化养护技术 2

1.3.2 碳化胶凝材料 3

1.4 研究目标及内容 5

1.5 技术路线 5

第二章 实验原料与试验方法 6

2.1 实验原料 6

2.2 试验方法 7

2.2.1 流变试验 7

2.2.2 连续性测试 7

2.2.3 堆积性测试 8

2.2.4 可打印时长测试 9

2.2.5 力学强度测试 9

第三章 基于气体驱动的3D打印材料设计 11

3.1 3D打印材料流变调控 11

3.1.1 3D打印材料工作性能分析 11

3.1.2 3D打印材料流变调控 12

3.2 3D打印材料打印效果评估 14

3.2.1 连续性评估 14

3.2.2 堆积性评估 16

3.2.3 可打印时长评估 18

3.2.4 3D打印制品展示 19

3.3 3D打印材料力学性能测试 19

3.3.1 力学性能影响规律 20

3.3.2 打印制品力学性能各向异性 21

第四章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 25

致 谢 27

绪论

研究背景与意义

3D打印技术是上世纪80年代出现在制造领域的一门新兴技术，其实质是通过计算机将数据模型自下而上切片处理为层状结构，依靠3D打印设备逐层打印出每一层片状结构，最终叠加得到三维产品的一种制造技术。这类基于离散/堆积原理，依靠打印材料的逐层堆积来实现产品制造的技术也被称作增材制造，是快速成型技术的一种^[1]。3D打印技术发展至今，已经成为一门囊括3D数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与工程等多个领域学科前沿技术的应用型技术。被称为第三次工业革命的重要标志之一。

3D打印技术与传统制造技术相比，在制造过程中无需刀具或模具，更无需复杂的锻造工艺即可得到最终产品，可大大缩减产品制造所需的材料、能源和时间成本。更重要的是，3D打印工艺可实现传统制造工艺难以加工或者无法加工的复杂结构制造。因此3D打印技术不但扩宽了传统制造行业的发展空间，同时也带动了新兴行业的快速发展，受到了国内外学者、企业的广泛关注，即将成为当今具有广阔发展前景的朝阳产业。

目前，依据成型技术原理以及3D打印材料形态，3D打印技术可分为多种类型，根据3D打印材料形态可分为粉末、液态、以及切片成型^[2]，而根据3D打印技术成型原理则可划分为光固化立体成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、熔融沉积成型（Fused Deposition Modleing，FDM）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、三维粉末打印（Three-Dimensional Printing，3DP）、浆料直写型3D打印技术（Direct ink writing，DIW）等^[3]。

3D打印技术发展至今，已经延伸出多种类型的3D打印材料，基于不同的3D打印工艺，可划分为三类：热感应3D打印材料，即在打印过程中可通过该类材料对温度的变化产生相变完成固化^[4]，熔融沉积工艺多采用此类材料如Acrylonitrile Butadiene Styrene（ABS）类材料、Polycarbonate（PC）类材料；光感应3D打印材料，即在打印过程中材料可吸收不同波长的光而产生相变完成固化^[5]，光固化立体成型多采用此类材料如光敏树脂；粘性3D打印材料，在打印过程中依靠材料本身粘度实现重力方向上的成型，并依靠后续处理完成固化^[6]，浆料直写型3D打印技术多采用此类材料如陶瓷基材料、水泥基材料。

3D打印材料作为3D打印技术的重要物质基础，制约着3D打印技术的进一步发展，据统计，可用于3D打印技术的原料仅有100多种，相比于传统制造材料种类相差甚远。同时3D打印材料的性能与成本问题也阻碍了3D打印技术与其他领域的融合，制约了3D打印技术的扩大发展。因此，开发新型3D打印材料体系，降低3D打印材料成本，是拓宽3D打印技术，促进3D打印技术与其他领域融合，增强3D打印技术适用性急需解决的主要问题。

浆料直写型3D打印技术研究现状

浆料直写成型技术（Direct ink writing，DIW）最初归属于陶瓷固体无模成型方法，其概念最初由Cesarano等^[7]提出，该技术采用的打印设备由计算机控制的Z轴上的浆料输送装置以及X-Y轴承载平台构成。在成型制造过程中，预先使用计算机完成图形设计，计算机控制Z轴上的浆料输送装置按照图形轨迹挤出浆料完成第一层图形的构建，随后Z轴升起合适高度，在第一层图形基础上完成第二层图形结构构建。通过浆体材料的逐层叠加，最终获得具有三维周期性复杂空间结构的器件^[8]。浆料直写成型技术发展初期曾被称为自动注浆成型（Robocasting）,近年来，随3D打印概念的不断延伸，浆料直写技术也被归为3D打印技术范畴，作为一类新型3D打印技术。

浆料直写成型技术采用陶瓷粉末浆料作为打印材料，其浆料具有良好的粘弹性响应来确保浆料可顺利通过针头挤出成型，并且浆料沉积在X-Y轴承载平台后，堆积结构在无支撑的情况下，也能维持打印线条的形状和一定的跨距。为满足此类要求，浆料体系需完成由流体向凝胶的转变^[9]。

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