本發(fā)明涉及3D打印領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于3D打印的全彩砂巖、全彩砂巖制品及其制備工藝。

背景技術(shù)：

3DP(Three Dimensional Printing)打印技術(shù)由美國麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人開發(fā)。這種方法成型速度快、成本低廉、設(shè)備空間占有率小，可以成為設(shè)計師辦公室的綠色桌面打印系統(tǒng)。3DP打印技術(shù)改變了以平面圖紙化為傳統(tǒng)的零件設(shè)計模式，實現(xiàn)了產(chǎn)品由概念設(shè)計向模型設(shè)計的立體化轉(zhuǎn)變。

3DP打印以軟件模擬為基礎(chǔ)，通過噴射粘結(jié)劑的方式，將氧化鋁、碳化硅、改性淀粉復(fù)合物、復(fù)合石灰石、廢礦渣，以及硫酸鹽、碳酸鹽和硅鋁化物等粉體及其復(fù)合材料逐層粘合，制造出的產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、高硬度和耐磨性等特點。

當(dāng)前社會，在以低碳環(huán)保和崇尚自然為時代主題的背景下，各種紋理絢麗多彩、健康環(huán)保又極富裝飾性的建筑材料、日常工藝品行業(yè)等獲得快速發(fā)展。其中，以全彩砂巖為代表的文化磚、卡通工藝品、手機(jī)App自掃描件等制品備受追捧。

全彩砂巖制品以人造大理石、人造崗石、石灰石、高強(qiáng)石膏、陶瓷基復(fù)合物、淀粉類復(fù)合物等不同規(guī)格的粉末為主體材料，粘結(jié)劑、促進(jìn)劑、分散劑、稀釋劑、保水劑、固化劑等組分構(gòu)成，通過真空澆注和振蕩壓制的技術(shù)得到。

傳統(tǒng)技術(shù)將不同目數(shù)的粉末顆粒按照級配工藝，與樹脂固化劑多次混合后進(jìn)行澆注和固化。該工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，設(shè)備所占空間較大，加劇了生產(chǎn)過程中的粉塵漂浮現(xiàn)象。同時，受限于傳統(tǒng)技術(shù)及工藝的限制，得到的砂巖制品抗潮濕能力差，光照條件下容易褪色，這極大地降低了砂巖制品的使用壽命。

相比較而言，3DP打印方法降低了在成型過程中的材料消耗量，省去了傳統(tǒng)的澆注、壓制和加溫固化等工序，簡化了流程，提高了砂巖的成型效率。通過砂巖粉末的逐層疊加，3DP打印將三維實體成型變?yōu)槎S平面的增材過程，實現(xiàn)產(chǎn)品的可塑性設(shè)計和規(guī)?；鳂I(yè)，極大提高了砂巖制品的成型效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對相關(guān)技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種基于3D打印的全彩砂巖、全彩砂巖制品及其制備工藝，克服了現(xiàn)有技術(shù)中粉末顆粒配制過程級配繁瑣、澆注工藝復(fù)雜、成型周期長，以及砂巖制品耐潮濕性能差、光照下表面易褪色的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于3D打印的全彩砂巖，按質(zhì)量百分比，包括：30.0％～85.0％的主體粉末、2.0％～15.0％的促凝劑、3.0％～15.0％的粘結(jié)劑和10.0％～40.0％的固化劑。

在上述全彩砂巖中，主體粉末的粒度為200～1500目。

在上述全彩砂巖中，主體粉末包括碳酸鈣、復(fù)合石膏粉、氫氧化鋁、改性淀粉復(fù)合物、超細(xì)碳化硅陶瓷中的一種或多種組合。

在上述全彩砂巖中，促凝劑包括硫酸鋁、硫酸鉀、碳酸氫鈉、明礬、聚合硫酸鋁、聚合氧化鋁、聚硅酸硫酸鐵、聚合硫酸氯化鐵鋁、聚環(huán)氧乙烷中的一種或多種組合。

在上述全彩砂巖中，按質(zhì)量百分比，粘結(jié)劑由25.0％～99.0％的第一組分、0.5％～50.0％的第二組分和0.5％～25.0％的第三組分組成，其中，第一組份包括羧甲基纖維素鈉、淀粉、丁苯橡膠、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛中的一種或多種組合，第二組份包括硅烷偶聯(lián)劑KH-550、KH-560、KH-570以及三硬脂酯基鈦酸異丙酯粉末中的一種或多種組合，以及第三組份包括不同顏色染料的混合色粉。

在上述全彩砂巖中，按質(zhì)量百分比，固化劑包括50.0％～95.0％的蒸餾水、1.0％～10.0％的增流劑、2.0％～15.0％的潤濕劑、1.5％～20.0％的增溶劑以及0.5％～5.0％表面活性劑，其中，增流劑包括聚乙烯吡咯烷酮、烷基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、羥化甲基丙烯酸烷基酯、N-羥甲基丙烯酰胺、衣康酸、馬來酸酐、乙烯基醚、烷基苯乙烯、二甲氨基乙基丙烯酸酯、丙烯酰胺、順丁烯二酸酐中的一種或多種組合，潤濕劑包括無水乙醇、丙二醇、甘油、二甲基亞砜中的一種或多種組合，增溶劑包括聚山梨酯、聚氧乙烯脂肪酸、異丙醇、吐溫20、吐溫40中的一種或多種組合，表面活性劑包括硬脂酸、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、卵磷脂、氨基酸酯、脂肪酸甘油酯、二辛基琥珀酸磺酸鈉、聚氧乙烯烷基苯酚醚中的一種或多種組合。

上述全彩砂巖經(jīng)成型制備而成的全彩砂巖制品。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種制備上述全彩砂巖的工藝，包括以下步驟：將主體粉末、促凝劑和粘結(jié)劑按比例依次加入到機(jī)械混合設(shè)備中，球磨混合均勻，制得全彩砂巖粉末；將全彩砂巖粉末進(jìn)行真空干燥，使用時，通過3D打印機(jī)噴頭噴射的方式，將干燥后的全彩砂巖粉末與固化劑混合，制得全彩砂巖。

在上述工藝中，還包括：將組成粘結(jié)劑的各組分依次投入到機(jī)械混合設(shè)備中，以直徑為的氧化鋯實心球體為球磨介質(zhì)、球磨介質(zhì)添加質(zhì)量比為3：1～5：1以及攪拌轉(zhuǎn)速為200～1000r/min的條件下，球磨0.5～10.0h，制得粘結(jié)劑；以及將組成固化劑的各組分分別加入到密閉三口燒瓶中，在溫度10～50℃、轉(zhuǎn)速20～150r/min的條件下進(jìn)行機(jī)械攪拌和混合處理，制得固化劑。

根據(jù)本發(fā)明的又另一個方面，還提供了一種上述全彩砂巖制品的工藝，以下步驟：通過蘸涂或浸漬涂覆的方式，對全彩砂巖進(jìn)行表面強(qiáng)化處理；晾干，制得最終的全彩砂巖制品。

本發(fā)明通過自制砂巖粉末和固化劑等耗材，運用3DP快速成型的增材制造技術(shù)，制備得到具有高強(qiáng)度、高硬度、高表面光澤度的全彩砂巖制品。該技術(shù)大幅改善了傳統(tǒng)澆注和真空壓制成型工藝對砂巖原材料顆粒級配和耗材質(zhì)量要求高、成型周期長和耐磨性能差的問題，極大地提高了生產(chǎn)效率，從根本上滿足了3DP打印全彩砂巖制品從傳統(tǒng)零件設(shè)計模式到立體化設(shè)計、從小批量作業(yè)到規(guī)模化生產(chǎn)的工業(yè)化需求。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

針對澆注工藝中的受粉末顆粒級配工藝復(fù)雜、成型效率低和周期長的影響，而導(dǎo)致制品力學(xué)性能較低和容易褪色的問題，本發(fā)明提供了一種基于3D打印的全彩砂巖、全彩砂巖制品的其制備工藝，采用快速成型的3D快速成型技術(shù)，具有加工過程穩(wěn)定、成型效率高的優(yōu)點，能夠制備出具有高強(qiáng)度、高硬度、表面光澤度高的全彩砂巖制品。

本發(fā)明提供的基于3D打印的全彩砂巖，包括：30.0％～85.0％的主體粉末、2.0％～15.0％的促凝劑、3.0％～15.0％的粘結(jié)劑和10.0％～40.0％的固化劑。其中，主體粉末的粒度為200～1500目，包括碳酸鈣、復(fù)合石膏粉、氫氧化鋁、改性淀粉復(fù)合物、超細(xì)碳化硅陶瓷中的一種或多種組合。

促凝劑包括硫酸鋁、硫酸鉀、碳酸氫鈉、明礬、聚合硫酸鋁、聚合氧化鋁、聚硅酸硫酸鐵、聚合硫酸氯化鐵鋁、聚環(huán)氧乙烷中的一種或多種組合。

按質(zhì)量百分比，粘結(jié)劑由25.0％～99.0％的第一組分、0.5％～50.0％的第二組分和0.5％～25.0％的第三組分組成，其中，第一組份包括羧甲基纖維素鈉、淀粉、丁苯橡膠、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛中的一種或多種組合，第二組份包括硅烷偶聯(lián)劑KH-550、KH-560、KH-570以及三硬脂酯基鈦酸異丙酯粉末中的一種或多種組合，以及第三組份包括紅、黃、藍(lán)、黑等不同顏色染料的混合色粉。

按質(zhì)量百分比，固化劑為低粘度水性試劑，主要包括50.0％～95.0％的蒸餾水、1.0％～10.0％的增流劑、2.0％～15.0％的潤濕劑、1.5％～20.0％的增溶劑以及0.5％～5.0％表面活性劑，其中，增流劑包括聚乙烯吡咯烷酮、烷基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、羥化甲基丙烯酸烷基酯、N-羥甲基丙烯酰胺、衣康酸、馬來酸酐、乙烯基醚、烷基苯乙烯、二甲氨基乙基丙烯酸酯、丙烯酰胺、順丁烯二酸酐中的一種或多種組合，潤濕劑包括無水乙醇、丙二醇、甘油、二甲基亞砜中的一種或多種組合，增溶劑包括聚山梨酯、聚氧乙烯脂肪酸、異丙醇、吐溫20、吐溫40中的一種或多種組合，表面活性劑包括硬脂酸、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、卵磷脂、氨基酸酯、脂肪酸甘油酯、二辛基琥珀酸磺酸鈉、聚氧乙烯烷基苯酚醚中的一種或多種組合。

制備全彩砂巖制品的工藝

全彩砂巖制品的制備工藝，包括以下步驟：

一.按照全彩砂巖制品的原材料各組分質(zhì)量百分比，分別稱取30.0～85.0％的主體粉末，2.0～15.0％的促凝劑以及3.0～15.0％的粘結(jié)劑按比例依次加入到機(jī)械混合設(shè)備中，球磨混合均勻，制得全彩砂巖粉末。其中，主體粉末和促凝劑均為市售產(chǎn)品。該步驟中，混合過程中采用混合設(shè)備GMJ-4-4L型罐式混料機(jī)、QM-2SP12型行星式混料機(jī)和JB200型高速混料機(jī)中的一種進(jìn)行攪拌混合，其中，球磨介質(zhì)采用氧化鋯實心球體，添加球磨介質(zhì)質(zhì)量比為3：1～5：1，混合罐內(nèi)磨介直徑為，在攪拌轉(zhuǎn)速為200～1000r/min的條件下，球磨0.5～10.0h，制得均一、穩(wěn)定的全彩砂巖粉末。

其中，粘結(jié)劑由第一組份、第二組份、第三組分分別按照占粘結(jié)劑體系質(zhì)量百分比25.0～99.0％、0.5～50.0％、0.5～25.0％進(jìn)行配制，具體過程為：將三組分物料按照一定比例，依次投入到機(jī)械混合設(shè)備中。其中，使用混合設(shè)備為GMJ-4-4L型罐式混料機(jī)、QM-2SP12型行星式混料機(jī)和JB200型高速混料機(jī)中的一種進(jìn)行攪拌混合，其中，球磨介質(zhì)采用氧化鋯實心球體，添加球磨介質(zhì)質(zhì)量比為3：1～5：1，混合罐內(nèi)磨介直徑為，在攪拌轉(zhuǎn)速為200～1000r/min的條件下，球磨0.5～10.0h，得到均一、穩(wěn)定的粘結(jié)劑組分。

二、將全彩砂巖粉末在真空干燥箱內(nèi)以及在80～150℃下進(jìn)行干燥，其中，干燥時間為0.5～26h。直接取出，將干燥后的砂巖粉末鋪滿3DP打印機(jī)的工作缸。砂巖粉末粒度小，顆粒容易團(tuán)聚，吸附性較強(qiáng)。干燥后，能夠排出顆粒間的水分。同時，增大砂巖顆粒間的孔隙率和反應(yīng)接觸點，為成型助劑的均一、穩(wěn)定存在增加位點，加速砂巖的硬化，提高成型材料的機(jī)械性能。

三、通過3D打印機(jī)噴頭噴射的方式，將干燥后的全彩砂巖粉末與固化劑混合，制得全彩砂巖。其中，固化劑的配置過程包括：將蒸餾水、增流劑、潤濕劑、增溶劑和表面活性劑各組分，按照50.0～95.0％、1.0～10.0％、2.0～15.0％、1.5～20.0％和0.5～5.0％的質(zhì)量百分比，分別加入到密閉三口燒瓶中進(jìn)行機(jī)械攪拌和混合處理。采用的設(shè)備為直立槳式攪拌或磁力式攪拌混合的方式進(jìn)行。優(yōu)選的，設(shè)備參數(shù)設(shè)置為：轉(zhuǎn)速20～150r/min，時間0.1～20h，溫度10～50℃。采用該方法制得的固化劑澄清、透明，可長期放置而不變質(zhì)。其中，設(shè)置3DP打印機(jī)運行參數(shù)，按照占全彩砂巖制品質(zhì)量百分比10.0～40.0％的比例調(diào)整固化劑的噴出速率。同時，分別設(shè)定鋪粉輥轉(zhuǎn)速為500～3000r/min、打印層厚0.01～0.20mm、打印速率0.1～1.0層/min。

制備全彩砂巖制品的工藝，包括：

取出全彩砂巖，除去表面多余的粉末，然后，通過蘸涂或浸漬涂覆的方式，對全彩砂巖進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，處理頻率為0.1～10.0min處理一次，共處理1～5次，具體工藝實際情況而定。然后自然晾干，制得全彩砂巖制品。其中，強(qiáng)化試劑為以甲基、乙基、異丙基、異丁基、烷氧基乙基類、α-氰基丙烯酸酯膠系列、環(huán)氧樹脂AB組分膠、苯乙烯丙烯酸酯膠、聚氨酯系列為主的膠黏劑。

本發(fā)明通過自制砂巖粉末和固化劑等耗材，運用3DP快速成型的增材制造技術(shù)，制備得到具有高強(qiáng)度、高硬度、高表面光澤度的全彩砂巖制品。該技術(shù)大幅改善了傳統(tǒng)澆注和真空壓制成型工藝對砂巖原材料顆粒級配和耗材質(zhì)量要求高、成型周期長和耐磨性能差的問題，極大地提高了生產(chǎn)效率，從根本上滿足了3DP打印全彩砂巖制品從傳統(tǒng)零件設(shè)計模式到立體化設(shè)計、從小批量作業(yè)到規(guī)?；a(chǎn)的工業(yè)化需求。

本發(fā)明對制備的原材料粉末進(jìn)行密度、比表面積測試、硬化時間測試，以及全進(jìn)行型材的表面硬度和抗壓強(qiáng)度測試。用TAP-2S振實密度儀測得振實密度，以及3H-2000PS1型比表面積孔徑分析儀測得比表面積。通過在硬化過程中，將質(zhì)量為150g、直徑為1.5mm的試針垂直置于砂巖中，當(dāng)試針沉降高度不超過0.2mm時，作為粉末硬化時間。用YAW-300D實驗室抗壓抗折強(qiáng)度測試儀測得抗拉強(qiáng)度，以及YMHV-1MD硬度計測試表面硬度。

實施例1

一、分別稱取200目質(zhì)量含量為95％的碳酸鈣1.5Kg，質(zhì)量占比30.0％；質(zhì)量含量為98.0％的硫酸鋁0.75Kg，質(zhì)量占比15.0％；以及0.75Kg的粘結(jié)劑，質(zhì)量占比15.0％。

粘結(jié)劑的制備工藝具體如下：按照三組分質(zhì)量百分比25.0％、50.0％、25.0％的比例，分別稱取羧甲基纖維素鈉、硅烷偶聯(lián)劑KH-550、紅色染料粉1.25Kg、2.50Kg和1.25Kg，依次加入到GMJ-4-4L型罐式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為3：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為200r/min，混合5.3h后，得到混合均勻的粘結(jié)劑粉末。

二、混合，將步驟一中的碳酸鈣、硫酸鋁粉末和自制粘結(jié)劑，依次加入到QM-2SP12型行星式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為3：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為600r/min，混合5.2h后，得到混合均勻的砂巖粉末。

三、干燥砂巖粉末，將步驟二中的砂巖粉末放置在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱干處理，干燥溫度為80℃溫度，干燥時間為26h。直接取出，將該200目砂巖粉末鋪滿3DP打印機(jī)工作缸內(nèi)。

四、配制固化劑，將按照質(zhì)量百分比50.0％、10.0％、15.0％、20.0％和5.0％的比例依次稱取新制得的蒸餾水、聚乙烯吡咯烷酮、無水乙醇、聚山梨酯和硬脂酸1.0.Kg、0.1Kg、0.15Kg、0.2Kg、0.05Kg加入到2.0L的密閉三口燒瓶為制備載體的CJB-A型直立攪拌槳裝置內(nèi)?？刂茢嚢柁D(zhuǎn)速為85r/min，混合時間10.1h，加熱溫度30.0℃，得到澄清、透明的穩(wěn)定固化劑。

五、設(shè)置3DP打印機(jī)運行參數(shù)，按照占全彩砂巖耗材質(zhì)量百分比40％的比例，調(diào)整固化劑的噴出速率。同時，設(shè)定鋪粉輥轉(zhuǎn)速為1750r/min，打印層厚1.0mm，打印速率0.5層/min。開始打印，直至打印完成整個制品和樣塊。

六、表面強(qiáng)化處理，取出成型制品，用軟質(zhì)毛刷除去表面多余的砂巖粉末。然后，用另外新毛刷蘸取適量的烷氧基丙烯酸酯膠水，在5min內(nèi)輕輕來回涂刷制品的各個表面，連續(xù)涂刷3次，至表面成光亮完成所有工序，自然晾干。

經(jīng)過對樣塊進(jìn)行測試，該碳酸鈣基體的砂巖粉末真實密度為2.23g/cm3，顆粒比表面積為0.65m2/g，振實密度為0.98g/cm3。初凝時間為10min，終凝時間為45min?？箟簭?qiáng)度為50MPa，2h抗折強(qiáng)度3.4MPa，表面硬度4.2。

實施例2

一、分別稱取800目質(zhì)量含量為99％的纖維石膏2.75Kg，質(zhì)量占比55.0％；質(zhì)量含量為99.5％的硫酸鉀0.40Kg，質(zhì)量占比8.0％；以及0.45Kg的粘結(jié)劑，質(zhì)量占比9.0％。

粘結(jié)劑的制備工藝具體如下：按照三組分質(zhì)量百分比62.0％、25.3％、12.7％的比例，分別稱取淀粉、硅烷偶聯(lián)劑KH-560和藍(lán)色染料粉3.1Kg、1.265Kg、0.635Kg，依次加入到QM-2SP12型行星式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為4：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為600r/min，混合0.5h后，得到混合均勻的粘結(jié)劑粉末。

二、混合，將步驟一中的纖維石膏、硫酸鉀粉末和自制粘結(jié)劑，依次加入到JB-200型高速混料機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為200r/min，混合10.0h后，得到混合均勻的砂巖粉末。

三、干燥砂巖粉末，將步驟二中的砂巖粉末放置在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱干處理，干燥溫度為115℃溫度，干燥時間為0.5h。直接取出，將該800目砂巖粉末鋪滿3DP打印機(jī)工作缸內(nèi)。

四、配制固化劑，將按照質(zhì)量百分比72.5％、5.5％、8.5％、10.8％和2.7％的比例依次稱取新制得的蒸餾水，以及甲基丙烯酸酯、丙二醇、異丙醇、十二烷基硫酸鈉1.45Kg、0.11Kg、0.17Kg、0.216Kg、0.054Kg加入到2.0L的密閉三口燒瓶為制備載體的CJB-A型直立攪拌槳裝置內(nèi)?？刂茢嚢柁D(zhuǎn)速為150r/min，混合時間0.1h，加熱溫度50.0℃，得到澄清、透明的穩(wěn)定固化劑。

五、設(shè)置3DP打印機(jī)運行參數(shù)，按照占全彩砂巖耗材質(zhì)量百分比28％的比例，調(diào)整固化劑的噴出速率。同時，設(shè)定鋪粉輥轉(zhuǎn)速為500r/min，打印層厚0.01mm，打印速率1.0層/min。開始打印，直至打印完成整個制品和樣塊。

六、表面強(qiáng)化處理，取出成型制品，用軟質(zhì)毛刷除去表面多余的砂巖粉末。然后，用另外新毛刷蘸取適量的α-氰基基丙烯酸酯膠水，在10min內(nèi)輕輕來回涂刷制品的各個表面，至表面成光亮完成所有工序，自然晾干。

經(jīng)過對樣塊進(jìn)行測試，該纖維石膏粉末基體的砂巖真實密度為2.86g/cm3，顆粒比表面積為3.92m2/g，振實密度為1.74g/cm3。初凝時間為2min，終凝時間為10min?？箟簭?qiáng)度為83MPa，2h抗折強(qiáng)度7.5MPa，表面硬度7.1。

實施例3

一、分別稱取1500目質(zhì)量含量為97％的氫氧化鋁4.25Kg，質(zhì)量占比85.0％；質(zhì)量含量為98.8％的碳酸氫鈉0.1Kg，質(zhì)量占比2.0％；以及0.15Kg的粘結(jié)劑，質(zhì)量占比3.0％。

粘結(jié)劑的制備工藝具體如下：按照三組分質(zhì)量百分比99.0％、0.5％、0.5％的比例，分別稱取丁苯橡膠粉末、硅烷偶聯(lián)劑KH-570、黃色染料粉4.95Kg、0.025Kg、0.025Kg，依次加入到JB-200型高速混料機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為1000r/min，混合10h后，得到混合均勻的粘結(jié)劑粉末。

二、混合，將步驟一中的氫氧化鋁、碳酸氫鈉粉末和自制粘結(jié)劑，依次加入到GMJ-4-4L型罐式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為5：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為1000r/min，混合0.5h后，得到混合均勻的砂巖粉末。

三、干燥砂巖粉末，將步驟二中的砂巖粉末放置在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱干處理，干燥溫度為150℃溫度，干燥時間為13h。直接取出，將該1500目砂巖粉末鋪滿3DP打印機(jī)工作缸內(nèi)。

四、配制固化劑，將按照質(zhì)量百分比95.0％、1.0％、2.0％、1.5％和0.5％的比例依次稱取新制得的蒸餾水，以及N-羥甲基丙烯酰胺、丙二醇、吐溫-20、卵磷脂1.9Kg、0.02Kg、0.04Kg、0.03Kg、0.01Kg加入到2.0L的密閉三口燒瓶為制備載體的CJB-A型直立攪拌槳裝置內(nèi)?？刂茢嚢柁D(zhuǎn)速為20r/min，混合時間20h，加熱溫度10.0℃，得到澄清、透明的穩(wěn)定固化劑。

五、設(shè)置3DP打印機(jī)運行參數(shù)，按照占全彩砂巖耗材質(zhì)量百分比10％的比例，調(diào)整固化劑的噴出速率。同時，設(shè)定鋪粉輥轉(zhuǎn)速為3000r/min，打印層厚2.0mm，打印速率0.1層/min。開始打印，直至打印完成整個制品和樣塊。

六、表面強(qiáng)化處理，取出成型制品，用軟質(zhì)毛刷除去表面多余的砂巖粉末。然后，緩緩將制品和樣塊置于異丁基丙烯酸酯膠水中浸漬，在0.1min內(nèi)浸透制品的各個表面，連續(xù)進(jìn)行5次，至表面成光亮完成所有工序，自然晾干。

經(jīng)過對樣塊進(jìn)行測試，該氫氧化鋁粉末基體的砂巖真實密度為3.08g/cm3，顆粒比表面積為2.86m2/g，振實密度為1.68g/cm3。初凝時間為15min，終凝時間為57min?？箟簭?qiáng)度為62MPa，2h抗折強(qiáng)度6.8MPa，表面硬度18.2。

實施例4

一、分別稱取200目質(zhì)量含量為99％的纖維石膏1.5Kg，質(zhì)量占比30.0％；質(zhì)量含量為98.0％的明礬0.75Kg，質(zhì)量占比15.0％；以及0.75Kg的粘結(jié)劑，質(zhì)量占比15.0％。

粘結(jié)劑的制備工藝具體如下：按照三組分質(zhì)量百分比62.0％、25.3％、12.7％的比例，分別稱取聚四氟乙烯、三硬脂酯基鈦酸異丙酯、黑色染料粉3.1Kg、1.265Kg和0.635Kg，依次加入到GMJ-4-4L型罐式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為3：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為200r/min，混合10.0h后，得到混合均勻的粘結(jié)劑粉末。

二、混合，將步驟一中的纖維石膏粉、明礬粉末和自制粘結(jié)劑，依次加入到QM-2SP12型行星式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為3：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為600r/min，混合10.0h后，得到混合均勻的砂巖粉末。

三、干燥砂巖粉末，將步驟二中的砂巖粉末放置在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱干處理，干燥溫度為80℃溫度，干燥時間為26h。直接取出，將該200目砂巖粉末鋪滿3DP打印機(jī)工作缸內(nèi)。

四、配制固化劑，將按照質(zhì)量百分比72.5％、5.5％、8.5％、10.8％和2.7％的比例依次稱取新制得的蒸餾水，以及烷基苯乙烯、二甲基亞砜、聚氧乙烯脂肪酸、脂肪酸甘油酯1.45Kg、0.11Kg、0.17Kg、0.216Kg、0.054Kg加入到2.0L的密閉三口燒瓶為制備載體的85-2C型磁力式攪拌裝置內(nèi)?？刂茢嚢柁D(zhuǎn)速為85r/min，混合時間20h，加熱溫度30.0℃，得到澄清、透明的穩(wěn)定固化劑。

五、設(shè)置3DP打印機(jī)運行參數(shù)，按照占全彩砂巖耗材質(zhì)量百分比40％的比例，調(diào)整固化劑的噴出速率。同時，設(shè)定鋪粉輥轉(zhuǎn)速為1750r/min，打印層厚0.01mm，打印速率0.5層/min。開始打印，直至打印完成整個制品和樣塊。

六、表面強(qiáng)化處理，取出成型制品，用軟質(zhì)毛刷除去表面多余的砂巖粉末。然后，緩緩將制品和樣塊置于α-氰基基丙烯酸酯膠水中浸漬，在5min內(nèi)浸透制品的各個表面，連續(xù)進(jìn)行3次，至表面成光亮完成所有工序，自然晾干。經(jīng)過對樣塊進(jìn)行測試，該纖維石膏粉末基體的砂巖真實密度為2.82g/cm3，顆粒比表面積為3.74m2/g，振實密度為1.82g/cm3。初凝時間為3min，終凝時間為7min。抗壓強(qiáng)度為92MPa，2h抗折強(qiáng)度7.9MPa，表面硬度8.3。

實施例5

一、分別稱取800目質(zhì)量含量為97％的碳酸鈣2.75Kg，質(zhì)量占比55.0％；質(zhì)量含量為98.8％的硫酸鋁0.40Kg，質(zhì)量占比8.0％；以及0.45Kg的粘結(jié)劑，質(zhì)量占比9.0％。

粘結(jié)劑的制備工藝具體如下：按照三組分質(zhì)量百分比99.0％、0.5％、0.5％的比例，分別稱取淀粉、任意比例硅烷偶聯(lián)劑KH-550和KH-560的粉末混合物、任意比例紅色和黃色的染料粉混合物4.95Kg、0.025Kg、0.025Kg，依次加入到JB-200型高速混料機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為600r/min，混合5.3h后，得到混合均勻的粘結(jié)劑粉末。

二、混合，將步驟一中的碳酸鈣、硫酸鋁粉末和自制粘結(jié)劑，依次加入到JB-200型高速混料機(jī)中，控制轉(zhuǎn)速為1000r/min，混合0.5h后，得到混合均勻的砂巖粉末。

三、干燥砂巖粉末，將步驟二中的砂巖粉末放置在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱干處理，干燥溫度為115℃溫度，干燥時間為13h。直接取出，將該800目砂巖粉末鋪滿3DP打印機(jī)工作缸內(nèi)。

四、配制固化劑，將按照質(zhì)量百分比95.0％、1.0％、2.0％、1.5％和0.5％的比例依次稱取新制得的蒸餾水，以及N-羥甲基丙烯酰胺、二甲氨基乙基丙烯酸酯、甘油、聚山梨酯、二辛基琥珀酸磺酸鈉1.9Kg、0.02Kg、0.04Kg、0.03Kg、0.01Kg加入到2.0L的密閉三口燒瓶為制備載體的85-2C型磁力式攪拌裝置內(nèi)?？刂茢嚢柁D(zhuǎn)速為20r/min，混合時間10.0h，加熱溫度10.0℃，得到澄清、透明的穩(wěn)定固化劑。

五、設(shè)置3DP打印機(jī)運行參數(shù)，按照占全彩砂巖耗材質(zhì)量百分比28.0％的比例，調(diào)整固化劑的噴出速率。同時，設(shè)定鋪粉輥轉(zhuǎn)速為3000r/min，打印層厚1.0mm，打印速率1.0層/min。開始打印，直至打印完成整個制品和樣塊。

六、表面強(qiáng)化處理，取出成型制品，用軟質(zhì)毛刷除去表面多余的砂巖粉末。然后，用另外新毛刷蘸取適量的異丁基丙烯酸酯膠水，在0.1min內(nèi)輕輕來回涂刷制品的各個表面，連續(xù)涂刷5次，至表面成光亮完成所有工序，自然晾干。

經(jīng)過對樣塊進(jìn)行測試，該碳酸鈣基體的砂巖粉末真實密度為2.48g/cm3，顆粒比表面積為1.32m2/g，振實密度為1.23g/cm3。初凝時間為15min，終凝時間為83min?？箟簭?qiáng)度為57MPa，2h抗折強(qiáng)度4.8MPa，表面硬度3.7。

實施例6

一、分別稱取1500目質(zhì)量含量為95％的氫氧化鋁4.25Kg，質(zhì)量占比85.0％；質(zhì)量含量為99.5％的明礬0.1Kg，質(zhì)量占比2.0％；以及0.15Kg的粘結(jié)劑，質(zhì)量占比3.0％。

粘結(jié)劑的制備工藝具體如下：按照三組分質(zhì)量百分比25.0％、50.0％、25.0％的比例，分別稱取聚乙烯醇、任意比例的硅烷偶聯(lián)劑KH-570和三硬脂酯基鈦酸異丙酯粉末的混合物、任意比例的黃色和藍(lán)色染料粉的混合物1.25Kg、2.50Kg、1.25Kg，依次加入到QM-2SP12型行星式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為5：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為1000r/min，混合0.5h后，得到混合均勻的粘結(jié)劑粉末。

二、混合，將步驟一中的氫氧化鋁、明礬粉末和自制粘結(jié)劑，依次加入到GMJ-4-4L型罐式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為5：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為200r/min，混合5.2h后，得到混合均勻的砂巖粉末。

三、干燥砂巖粉末，將步驟二中的砂巖粉末放置在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱干處理，干燥溫度為150℃溫度，干燥時間為0.5h。直接取出，將該1500目砂巖粉末鋪滿3DP打印機(jī)工作缸內(nèi)。

四、配制固化劑，將按照質(zhì)量百分比50.0％、10.0％、15.0％、20.0％和5.0％的比例依次稱取新制得的蒸餾水，以及順丁烯二酸酐、丙二醇、異丙醇、十二烷基苯磺酸鈉1.0.Kg、0.1Kg、0.15Kg、0.2Kg、0.05Kg加入到2.0L的密閉三口燒瓶為制備載體的85-2C型磁力式攪拌裝置內(nèi)。控制攪拌轉(zhuǎn)速為150r/min，混合時間0.1h，加熱溫度50.0℃，得到澄清、透明的穩(wěn)定固化劑。

五、設(shè)置3DP打印機(jī)運行參數(shù)，按照占全彩砂巖耗材質(zhì)量百分比10.0％的比例，調(diào)整固化劑的噴出速率。同時，設(shè)定鋪粉輥轉(zhuǎn)速為500r/min，打印層厚2.0mm，打印速率0.1層/min。開始打印，直至打印完成整個制品和樣塊。

六、表面強(qiáng)化處理，取出成型制品，用軟質(zhì)毛刷除去表面多余的砂巖粉末。然后，緩緩將制品和樣塊置于環(huán)氧樹脂AB組分膠水中浸漬，在10min內(nèi)浸透制品的各個表面，至表面成光亮完成所有工序，自然晾干。

經(jīng)過對樣塊進(jìn)行測試，該氫氧化鋁基體的砂巖粉末真實密度為3.26g/cm3，顆粒比表面積為2.79m2/g，振實密度為1.71g/cm3。初凝時間為14min，終凝時間為59min。抗壓強(qiáng)度為64MPa，2h抗折強(qiáng)度7.0MPa，表面硬度17.6。

對比例

一、分別稱取200目質(zhì)量含量為95％的纖維石膏1.5Kg，質(zhì)量占比30.0％；質(zhì)量含量為98.0％的硫酸鋁0.75Kg，質(zhì)量占比15.0％；以及0.75Kg的粘結(jié)劑，質(zhì)量占比15.0％。

粘結(jié)劑的制備工藝具體如下：按照三組分質(zhì)量百分比25.0％、50.0％、25.0％的比例，分別稱取羧甲基纖維素鈉、硅烷偶聯(lián)劑KH-550、紅色染料粉1.25Kg、2.50Kg和1.25Kg，依次加入到GMJ-4-4L型罐式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為3：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為200r/min，混合5.3h后，得到混合均勻的粘結(jié)劑粉末。

二、混合，將步驟一中的纖維石膏粉、硫酸鋁粉末和自制粘結(jié)劑，依次加入到QM-2SP12型行星式混料機(jī)中，添加球料質(zhì)量比為3：1的氧化鋯磨介，控制轉(zhuǎn)速為600r/min，混合5.2h后，得到混合均勻的砂巖粉末。

三、干燥砂巖粉末，將步驟二中的砂巖粉末放置在真空干燥箱內(nèi)進(jìn)行熱干處理，干燥溫度為80℃溫度，干燥時間為26h。

四、配制固化劑，將按照質(zhì)量百分比50.0％、10.0％、15.0％、20.0％和5.0％的比例依次稱取新制得的蒸餾水，以及聚乙烯吡咯烷酮、無水乙醇、聚山梨酯和硬脂酸1.0.Kg、0.1Kg、0.15Kg、0.2Kg、0.05Kg加入到2.0L的密閉三口燒瓶為制備載體的CJB-A型直立攪拌槳裝置內(nèi)?？刂茢嚢柁D(zhuǎn)速為85r/min，混合時間10.1h，加熱溫度30.0℃，得到澄清、透明的穩(wěn)定固化劑。

五、澆注成型，將制品模型和樣品塊模具鋪滿步驟三制得的砂巖粉末。按照占砂巖耗材質(zhì)量百分比40％的比例，向模具中快速加入步驟四制得的固化劑。

六、表面強(qiáng)化處理，取出成型制品，用軟質(zhì)毛刷除去表面多余的砂巖粉末。然后，用另外新毛刷蘸取適量的烷氧基丙烯酸酯膠水，在5min內(nèi)輕輕來回涂刷制品的各個表面，連續(xù)涂刷3次，至表面成光亮完成所有工序，自然晾干。

經(jīng)過對樣塊進(jìn)行測試，該纖維石膏基體的砂巖粉末真實密度為2.95g/cm3，顆粒比表面積為4.28m2/g，振實密度為1.83g/cm3。初凝時間為3min，終凝時間為9min?？箟簭?qiáng)度為79MPa，2h抗折強(qiáng)度7.7MPa，表面硬度6.9。

表1實施例1～6和對比例對應(yīng)粉末原材料的性能指標(biāo)

表2實施例1～6和對比例對應(yīng)成型砂巖的硬化、力學(xué)性能指標(biāo)

1.有益效果

通過實施例1～6和對比例，得出本發(fā)明的有益效果：

(1)從測試結(jié)果看，3DP快速增材制造技術(shù)應(yīng)用廣泛，能夠滿足多種無機(jī)粉末材料的成型要求。本發(fā)明制備的全彩砂巖耗材硬化速度快、抗壓強(qiáng)度高、表面硬度高，綜合指標(biāo)滿足不同行業(yè)需求。

(2)從工藝角度看，3DP成型技術(shù)成熟，工藝穩(wěn)定。對傳統(tǒng)澆注過程中出現(xiàn)的耗材制備工藝繁瑣和性能波動性大等問題進(jìn)行有效改善，表明3DP打印能夠完全替代傳統(tǒng)砂巖生產(chǎn)工藝。

(3)本發(fā)明有效改善了傳統(tǒng)工藝占用場地多，對環(huán)境高能耗、高污染的局面，且生產(chǎn)周期短、效率高，可設(shè)計性強(qiáng)，能夠滿足不同耗材的應(yīng)用需求，適合于3DP技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。