[发明专利]一种用于粉末黏合3D打印的水泥基复合材料及应用该材料的粉末黏合3D打印方法

说明书

本发明提供一种适用于粉末黏合3D打印的水泥基复合材料，按重量份计，由1份水泥、0～5份砂、0～5份矿物掺合料、0～0.2份膨胀剂、0～0.2份增韧剂、0～0.2份矿物颜料、0.1～0.5份水、0～0.25份聚合物乳液、0.001～0.05份外加剂和0～0.03份纤维组成；所述的水泥选自硅酸盐类水泥、硫铝酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、磷酸盐水泥或氧化镁水泥的一种或几种的混合物；所述的外加剂是减水剂、早强剂或调凝剂中的一种或几种的混合物。本发明的材料与水接触后就可发生硬化，无需大量聚合物黏结剂，硬化速度迅速且可控；硬化过程中变形小，适用于粉末黏合3D打印技术。本发明还提供使用所述的水泥基复合材料进行粉末黏合3D打印的方法。

技术领域

本发明属于无机材料领域，具体涉及一种可用于粉末黏合3D打印工艺的水泥基复合材料，及应用该材料的粉末黏合3D打印方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，也被称为快速成型(Rapid Prototyping)或者快速制造(RapidManufacturing)技术。上自世纪八十年代兴起，增材制造得到迅速发展，被誉为材料制造领域的重大革新与进步，也被认为是“第三次工业革命的重要标志之一”。

增材制造可通过多种工艺配合不同材料来实现，其中粉末黏合3D打印技术(threedimensional printing或powder bed and inkjet 3D printing)为应用较广的技术之一。美国麻省理工学院的科研人员于上世纪90年代开发出3D打印技术，并申请了一系列的美国专利(专利号：5,204,055、5,340,656和5,387,380)。该技术是利用喷头喷射黏结剂，根据计算机设计的程序选择性地将粉末黏合成二维界面；重复此过程，层层堆积，最终得到所需的3D物体。粉末黏合3D打印技术成型速度较快、成型精度高，成型过程不需要支撑，是唯一可以实现全色彩打印的增材制造技术。

粉末黏合3D打印技术代表设备为美国3D Systems公司的Zprinter系列设备，通常采用的材料为石膏粉加黏结剂。中国专利CN104230289A、CN104291720A和CN104744000A各公开了一种使用石膏粉末制备的3D打印材料。打印时，向平铺的石膏粉末上喷射水或者聚合物黏结剂，促使石膏粉末硬化。虽然科研人员对石膏基3D打印材料的改性进行了大量的研究，但该类材料强度较低、十分易碎，且不防水，只能做概念模型，而不能用做功能性用品。

为提高打印物体的质量，许多技术人员采用高分子聚合物和/或金属粉末等开发了多种可用于粉末黏合3D打印的材料，例如中国专利CN103205107A、CN103497414A、CN103467950A、CN103756293A、CN103739954A、CN103772837A、CN103804862A、CN103862040A和CN103923470A。但这些材料都含有大量的可分解的高分子材料，容易产生有害气体和/或物质，对人体产生伤害；高分子材料大多耐热性差，这些材料的成本也较高。

上述缘于材料的问题限制了粉末黏合3D打印技术的发展和应用，为了能够更加环保、更低成本地制造机械强度更高、规格更大的物体，必须寻求全新的可用于粉末黏合3D打印技术的材料。水泥基材料具有价格低、强度高、耐热性和防水性好等优点；它与水接触后，就可以发生硬化，无需大量的聚合物黏结剂，且硬化速度迅速且可控，可在十几分钟内硬化，完成打印；硬化过程中的变形相对较小，不会发生高分子材料硬化过程中的翘曲变形现象。目前水泥基材料并未被大量应用于上述粉末黏合3D打印技术中，主要问题在于，其硬化速度与上述粉末黏合3D打印过程并不匹配，而且粉末黏合3D打印过程中喷出的水在现有的水泥基材料的粉体中难以均匀分布，导致现有的水泥基材料并不适合用于粉末黏合3D打印技术。

因此，有必要研发一种适宜用于上述粉末黏合3D打印技术的水泥基材料。

发明内容