蘇桂明，姜海健，陳明月，崔向紅，張偉君，張曉臣

（黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱150020）

3D 打印成型技術(shù)基于增材制造法原理。與傳統(tǒng)的減材加工不同，3D 打印成型技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將CAD 模型離散成一系列二維截面圖，然后根據(jù)截面圖信息，逐層打印堆積成型的快速成型方法。逐層打印，逐層粘結(jié)堆積，直到整個(gè)CAD 模型的所有截面圖全部打印完成，經(jīng)過(guò)加熱處理，除去未粘結(jié)的粉末，形成實(shí)體三維模型[1]。

目前，3D 噴墨打印中石膏粉的應(yīng)用較多。石膏粉在加入一些改性添加劑后，可以用做3D 噴墨打印機(jī)的成型材料，在水基墨水的作用下能夠快速固化[2]，具有一定的強(qiáng)度，應(yīng)用比較廣泛。本文從粒徑分布、結(jié)晶形態(tài)等方面對(duì)3D 打印用石膏粉進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并與國(guó)外樣品進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 石膏含水量的分析

使用TG209（德國(guó)耐馳公司）進(jìn)行熱失重分析，確定其含水量。

1.2 粒徑分布的分析

使用Easizer30（珠海歐美克儀器有限公司）激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑分布的分析。

1.3 結(jié)晶形態(tài)的分析

使用掃描電鏡進(jìn)行結(jié)晶形態(tài)的分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 石膏含水量的分析

石膏粉通常都會(huì)含有結(jié)晶水，而不同結(jié)晶水含量的石膏粉與水反應(yīng)硬化的程度也不同。通過(guò)對(duì)熱失重曲線的分析和計(jì)算，確定為CaSO4·0.5H2O。圖1是樣品、CaSO4·2H2O 和CaSO4·0.5H2O 的熱失重曲線。

石膏粉結(jié)構(gòu)為CaSO4·nH2O，在120℃左右開(kāi)始失去結(jié)晶水，所以可以根據(jù)失去水的重量計(jì)算出n的數(shù)值，根據(jù)計(jì)算，樣品中使用的是CaSO4·0.5H2O。

圖1 樣品熱失重曲線Fig.1 Thermogravimetric curve of sample

圖2 CaSO4·2H2O 熱失重曲線Fig.2 Thermogravimetric curve of calcium sulfate dihydrate

圖3 CaSO4·0.5H2O 熱失重曲線圖Fig.3 Thermogravimetric curve of calcium sulfate hemihydrate

2.2 粒徑分布的分析

打印過(guò)程中，石膏粉通過(guò)鋪粉輥筒的作用，逐層粘接，其單層層厚一般為0.1～0.2mm。粉料的粒徑大小及分布對(duì)整體性能有著很大的影響。粒徑過(guò)大，材料的密度和強(qiáng)度會(huì)降低[3]；粒度小的粉末可以降低最小層厚．提高致密度。但粒度太小的粉末由于范德華力的作用而相互團(tuán)聚，不易鋪平[4]。下圖是樣品、CaSO4·2H2O 和CaSO4·0.5H2O 的粒徑分布圖。

圖4 樣品粒度分布圖Fig.4 Sample’s distributing graph of particle sizes

圖5 CaSO4·0.5H2O 粒度分布圖Fig.5 Distributing graph of particle sizes forcalcium sulfate dihydrate

圖6 CaSO4·0.5H2O 粒度分布圖Fig.6 Distributing graph of particle sizes for calcium sulfate hemihydrate

樣品的粒徑由5μm 到167μm，D50 為45μm，相比較而言，另兩種石膏粉的粒徑較小，D50 分別為11μm 和13μm，從而導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚明顯，分散性差。

2.3 結(jié)晶形態(tài)的分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)石膏粉的微觀形態(tài)進(jìn)行了觀察（圖7～9）。

結(jié)果表明，樣品的顆粒大小混雜，鋪粉時(shí)能更好的填充顆粒之間的縫隙，且沒(méi)有明顯的結(jié)晶水，使粉層更容易鋪平而且致密，而其他兩種為長(zhǎng)條形或針狀結(jié)晶，鋪粉時(shí)單層缺陷明顯。所以粉料應(yīng)大小適中，分散性良好，不應(yīng)單單追求更小的粒徑，使其在鋪粉的過(guò)程中更容易鋪平和致密，制造的材料強(qiáng)度更高。

圖7 樣品200 倍掃描電鏡圖Fig.7 SEM graph of sample with 200 magnification

圖8 CaSO4·2H2O 200 倍掃描電鏡圖Fig.8 SEM graph of calcium sulfate dihydratewith 200 magnification

圖9 CaSO4·0.5H2O 200 倍掃描電鏡圖Fig.9 SEM graph of calcium sulfate hemihydratewith 200 magnification

3 結(jié)論

應(yīng)用于3D 噴墨打印的石膏粉應(yīng)為CaSO4·0.5H2O 或添加少量CaSO4·2H2O，顆粒粒度及大小分布應(yīng)適中，過(guò)細(xì)則容易產(chǎn)生團(tuán)聚，一般應(yīng)為30～100μm，能夠很好的吸收水基粘接劑，快速硬化。顆粒應(yīng)分散性良好，同時(shí)具有低吸濕性，以免從空氣中吸收過(guò)量的水分，以便于長(zhǎng)期儲(chǔ)存，必要時(shí)可對(duì)顆粒表面進(jìn)行功能化處理。

［1] 王運(yùn)贛，等.3D 打印技術(shù)［M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2014.

［2] Paul C.Inkjet Printing for Materials and Devices［M].Chemi stry of Materials，2001．

［3] 劉偉軍，等.快速成型技術(shù)及應(yīng)用［M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4] Utela B，Storti D,Anderson R,et al,A review of process development steps for new material systems in three dimensional printing（3DP）［J].Journal of Manufacturing Processes，2008．