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高科技:3D打印在耐火预制件成型中的可行性及应用前景

发布日期:2019-06-03 14:20:57

  3D打印技术又称快速成型(简称RP)或增材制造(简称AM)技术,可以实现无模快速成型。该技术具有成型速度快,精度高,周期短,可进行多相实体结构成型等特点,是对材料成型制造技术的重大革新和突破。本文中介绍了耐火预制件生产技术、3D打印的工艺方法与优势,阐述在耐火预制件成型中借鉴或利用混凝土打印、轮廓工艺及黏结成型3D打印新技术的可行性及应用前景。可用于预制件的3D打印技术分析:
 
  1、混凝土3D打印
 
  基于挤出喷嘴打印方法的混凝土3D打印技术,其主要工作原理是将配制好的混凝土浆体通过挤出装置,在三维软件的控制下,按照预先设置好的打印程序,由喷嘴挤出进行打印,最终得到设计的混凝土构件,如图1所示。可以将混凝土3D打印技术视为自密实混凝土和喷射混凝土的结合,混凝土浆体需具有自密实混凝土的良好流动性和无需振捣的优点,也具有喷射混凝土较好的速凝性,便于制造繁杂构件的优点,在喷嘴挤出后可迅速提供一定的强度来支撑后续堆积的打印材料。因此,无需传统混凝土成型过程中复杂的支模过程,依靠混凝土3D打印技术就能够完成混凝土构件的无模成型。
 

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  由于耐火浇注料是由耐火集料和结合剂构成的混合物,主要以干状交货,在加入水或其他液体混合后使用,通常采取振动浇注、非振动(自流)浇注、捣打、喷射或必要时进行夯实等方式,在不需要加热的情况下就可以成型并硬化。因此,在满足耐火预制件使用性能的前提下,完全可以借鉴或利用混凝土3D打印技术,通过对耐火浇注料粒径、流动性和凝结时间进行质量控制,如限制耐火集料粒径,以达到喷嘴直径和打印精度的要求,提高浇注料的流动性,确保在打印机管道中不堵塞;以及通过添加外加剂、早强减水剂等技术措施来调节其凝结时间与强度,使浇注料具有较快的凝结时间和更好的早期强度,就可以获得快速打印、无模成型以及增材堆积不变形且无塌陷的良好效果。最后,再对成型制品进行相应的养护等后续处理,从而实现耐火浇注料预制件的3D打印制造。
 
  2、轮廓工艺
 
  从图1中可以明显看出,打印的混凝土构件表面存在横向的条纹,主要是在打印过程中混凝土层层叠加造成的,这影响了构件表面平整度。为了避免这类问题,通常使用两种方法:一是减小喷嘴的直径,降低打印层的厚度,但这种方法会降低打印速度,影响施工效率;二是在成型后进行后续抹平处理或打磨处理使其平整,但此方法费时费力,不经济。为此,美国南加州大学教授比洛克·霍什内维斯在原3D打印混凝土的基础上进行技术改进,提出轮廓工艺新技术。
 
  轮廓工艺实际上是一项混合技术,主要包括轮廓打印系统和内部填充系统两部分,通过轮廓打印形成外部轮廓,再通过挤压浇筑或注入来向内部填充材料。其技术关键点是在喷嘴上安装泥刀及控制器,用于抹平和精确规整每一层的外表和顶面,这就解决了在混凝土构件成型过程中由于3D打印的逐层堆积,不可避免地导致层级堆积效应,从而出现表面粗糙及横向条纹的现象。如图2所示。该工艺最大的特点是可打印出中空的墙体且强度较高,能够实现在混凝土构件中配筋,有利于提高混凝土构件的强度,在打印的同时对外表面进行整平,既节省材料又提高了建筑物立面的美观程度。
 

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  耐火材料属于脆性材料,与金属相比,脆性是耐火材料的致命弱点。它对拉伸和弯曲载荷的抵抗能力较弱,在使用过程中,由于受机械冲击或热冲击,往往使材料造成损伤甚至断裂,因此,要提高耐火浇注料的使用寿命,关键是增加韧性和提高强度。在耐火集料中加入具有特定成分、形状和外观以及一定长径比的耐热钢纤维后,可以改善耐火浇注料的高温韧性,提高材料在高温下的抗机械冲击和抗急冷急热性能[10-12];但是,在耐火浇注料中添加钢纤维制取钢纤维增强耐火浇注料也存在难拌合、混合不均匀和掺加量难以提高等难题。在借助轮廓工艺新技术制备耐火预制件时,首先通过轮廓打印系统制备预制件外壳,然后在通过填充系统向内部注入浇注料的过程中可以同步向内喷入耐热钢纤维,既有利于增强内部浇注料与外部薄壳界面的连接,又解决了钢纤维增强浇注料成型过程中所存在的难拌合、混合不均匀和掺加量难以提高等技术难题。
 
  由于轮廓工艺能够用于单曲率和双曲率的建筑物的成型和建造,因此对于带有圆弧、沟槽及数个不同角度的斜面,以及难以进行精密切磨加工的形状特异的耐火预制件的打印成型是极为有利的。它们在使用时由于温度或体积的变化,往往容易造成应力局部集中,更需要引入耐火钢纤维作为柔性体,以防止耐火预制件裂纹的发生和延伸,达到控制裂纹的扩展,改善耐火材料抗脆性断裂能力的目的。通过对内部填充系统的精确设计,无疑可以提高耐火预制件的结构强度和整体性能。
 
  3、黏结3D打印
 
  黏结3D打印技术[13],其工艺方法是先根据实体3D扫描(或设计)得到的3D-CAD模型,按照一定方法将该模型分割为一系列单元,通常是在Z轴方向将其分截成一定厚度的二维薄层,通过移动的铺粉辊将粉体横向平铺在预定的打印层面上,由程序控制具有成千上万个微米孔的黏结剂打印喷头,将所使用的打印材料(多为粉状材料,如陶瓷粉、金属粉、塑料粉等)按照器件层面制造信息,有选择性地将打印粉料黏结,从而将器件的截面“印刷”在粉料层上面。每打印完一层,承载升降平台就精确下降一层;铺设辊铺粉,打印喷头喷出黏结剂,交替进行;最后,再经吹扫清除未发生黏结反应固化的其余粉料,就得到三维实体的器件。如图3所示。
 

高科技:3D打印在耐火预制件成型中的可行性及应用前景
 

  黏结3D打印技术具有成型速度快,不需要额外的支撑材料等优点,打印粉料的粒度在2~8mm可任意调节,器件打印精度为±0.3mm,可用于铸造行业的砂型或型芯打印。由于不受模具加工工艺限制,可直接制作任意复杂形状的砂型,保证了砂型精度,有望替代传统的射芯机和射蜡机,实现无模化、定制化生产。该类3D打印材料由于仅靠黏结剂将粉状材料固结在一起,制品的力学性能不高;但该技术比较容易制作微孔结构材料,用于制药工业,在药物的可控释放上有显著优势。
 
  在应用黏结3D打印技术制备耐火预制件时,可将耐火集料在专业生产厂于干燥状态下均匀拌制混合成颗粒或粉状的混合物,然后以干粉包装或散装的形式运至现场使用。对成型固化后的预制件进行热处理,可以得到具有微孔结构的制品,从而有利于改善预制件的抗热震性与隔热性能。此外,通过调整混合物及黏结剂的种类并控制热处理工艺,如在预制件中形成大量的纳米级孔洞,纳米孔洞中的气体不能自由流动,孔洞的孔径大部分为20~50nm,小于空气等气体分子自由程(约70nm),极大地减弱了气体分子发生碰撞而形成的热传导,消除了气体对流传热;大量的气固界面,减轻了固体热传导。同时,通过在其3D成型过程中采用添加特殊遮光剂的辅助措施,进一步阻隔热辐射,将可以制备常温热导率远小于0.05W·(m·K)-1的隔热性能极佳的隔热材料预制件,用于高温工业窑炉管道等特异形部位的隔热保温,取得显著的节能效果。
 
  除此之外,在打印粉料的制备过程中,若采用类似于美国Tethon3D公司的Porcelite材料技术[14],使耐火集料与光敏树脂结合为复合材料,这样就可以首先利用SLA打印机通过UV光固化工艺成型,然后再像陶坯那样放入到温控炉中,在较高的温度下进行热处理形成陶瓷结合以提高致密度,获得性能优异的耐火预制件,满足特种高温工业领域的需要。
 
  结语
 
  3D打印是一种先进制造技术,它为材料和构件提供了一种新的制造方法,符合“中国制造2025”科技发展规划要求。目前我国只有部分高校和科研机构开展了相关研究,尚不能形成完整的产业。以耐火预制件的3D打印为切入点,通过产、学、研合作,在耐火材料研发中开展3D打印最佳技术适应性研究,不断进行技术拓展、集成创新和深度融合,同时加大对3D打印耐火材料研发和产业化的技术和资金支持,从而促进我国3D打印产业的发展,对于带动我国耐火材料行业供给侧改革,实现智能化绿色的跨越发展,使我国从耐火材料的生产大国转变成为制造强国,具有重要意义。
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