ผลของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสต่อคุณสมบัติของปูนพิมพ์ 3 มิติ

จากการศึกษาผลกระทบของปริมาณไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC) ที่แตกต่างกันต่อความสามารถในการพิมพ์ คุณสมบัติทางรีโอโลยี และคุณสมบัติเชิงกลของปูนพิมพ์ 3 มิติ ได้มีการหารือเกี่ยวกับปริมาณที่เหมาะสมของ HPMC และวิเคราะห์กลไกอิทธิพลของ HPMC ร่วมกับสัณฐานวิทยาจุลภาค ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าความลื่นไหลของปูนลดลงเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น กล่าวคือ ความสามารถในการอัดรีดลดลงเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น แต่ความสามารถในการรักษาความลื่นไหลดีขึ้น ความสามารถในการอัดรีด อัตราการรักษารูปร่างและความต้านทานการเจาะภายใต้น้ำหนักของตัวเองเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น กล่าวคือ เมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น ความสามารถในการวางซ้อนกันดีขึ้นและเวลาในการพิมพ์ยาวนานขึ้น จากมุมมองของรีโอโลยี เมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น ความหนืดที่ชัดเจน ความเค้นยืดหยุ่น และความหนืดของพลาสติกของสารละลายจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และความสามารถในการวางซ้อนกันดีขึ้น ความหนืดจะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลงเมื่อปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น และความสามารถในการพิมพ์ก็ดีขึ้น หากปริมาณ HPMC เพิ่มขึ้น หากมากเกินไปจะทำให้รูพรุนของปูนเพิ่มขึ้นและความแข็งแรงก็เพิ่มขึ้น ขอแนะนำว่าปริมาณ HPMC ไม่ควรเกิน 0.20%

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (เรียกอีกอย่างว่า "การผลิตแบบเติมแต่ง") ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา เช่น วิศวกรรมชีวภาพ อวกาศ และการสร้างสรรค์งานศิลปะ กระบวนการพิมพ์ 3 มิติแบบไร้แม่พิมพ์ได้ปรับปรุงวัสดุอย่างมาก และความยืดหยุ่นของการออกแบบโครงสร้างและวิธีการก่อสร้างอัตโนมัติไม่เพียงแต่ช่วยประหยัดกำลังคนได้มากเท่านั้น แต่ยังเหมาะสำหรับโครงการก่อสร้างในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงต่างๆ การผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและสาขาการก่อสร้างถือเป็นนวัตกรรมและมีแนวโน้มดี ปัจจุบันกระบวนการพิมพ์ 3 มิติของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์เป็นฐานคือกระบวนการเรียงซ้อนแบบอัดขึ้นรูป (รวมถึงกระบวนการสร้างเส้นโครงร่าง) และกระบวนการพิมพ์คอนกรีตและการยึดติดผง (กระบวนการรูปตัว D) ในจำนวนนั้น กระบวนการเรียงซ้อนแบบอัดขึ้นรูปมีข้อดีคือมีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยจากกระบวนการขึ้นรูปคอนกรีตแบบดั้งเดิม มีความเป็นไปได้สูงในการสร้างชิ้นส่วนขนาดใหญ่ และมีต้นทุนการก่อสร้าง ข้อได้เปรียบที่ด้อยกว่าได้กลายเป็นจุดสนใจด้านการวิจัยในปัจจุบันของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์

สำหรับวัสดุที่ใช้เป็น "วัสดุหมึก" ในการพิมพ์ 3 มิติ ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพจะแตกต่างจากวัสดุที่ใช้ซีเมนต์ทั่วไป ในแง่หนึ่ง มีข้อกำหนดบางประการสำหรับความสามารถในการทำงานของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์ที่ผสมใหม่ และกระบวนการก่อสร้างต้องตอบสนองข้อกำหนดของการอัดรีดที่ราบรื่น ในอีกแง่หนึ่ง วัสดุที่ใช้ซีเมนต์ที่อัดรีดจะต้องวางซ้อนกันได้ นั่นคือจะไม่ยุบตัวหรือเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญภายใต้การกระทำของน้ำหนักของมันเองและแรงกดของชั้นบน นอกจากนี้ กระบวนการเคลือบของการพิมพ์ 3 มิติทำให้ชั้นระหว่างชั้น เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นที่อินเทอร์เฟซระหว่างชั้นมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี วัสดุก่อสร้างที่พิมพ์ 3 มิติควรมีการยึดเกาะที่ดีด้วย โดยสรุป การออกแบบความสามารถในการอัดรีด ความสามารถในการวางซ้อนกัน และการยึดเกาะสูงได้รับการออกแบบในเวลาเดียวกัน วัสดุที่ใช้ซีเมนต์เป็นหนึ่งในข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในสาขาการก่อสร้าง การปรับกระบวนการไฮเดรชั่นและคุณสมบัติการไหลของวัสดุประสานเป็นสองวิธีสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการพิมพ์ข้างต้น การปรับกระบวนการไฮเดรชั่นของวัสดุประสาน เป็นเรื่องยากที่จะนำไปปฏิบัติ และอาจทำให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น ท่ออุดตันได้ง่าย และการควบคุมคุณสมบัติการไหลของวัสดุจำเป็นต้องรักษาความลื่นไหลระหว่างกระบวนการพิมพ์และความเร็วในการสร้างโครงสร้างหลังการอัดขึ้นรูป ในการวิจัยปัจจุบัน สารปรับความหนืด สารผสมแร่ธาตุ นาโนเคลย์ ฯลฯ มักใช้ในการปรับคุณสมบัติการไหลของวัสดุที่ใช้ซีเมนต์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการพิมพ์ที่ดีขึ้น

ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC) เป็นสารเพิ่มความข้นของพอลิเมอร์ทั่วไป พันธะไฮดรอกซิลและอีเธอร์บนโซ่โมเลกุลสามารถรวมเข้ากับน้ำอิสระผ่านพันธะไฮโดรเจน การนำสารนี้ไปใช้กับคอนกรีตสามารถปรับปรุงการยึดเกาะและการกักเก็บน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับผลกระทบของ HPMC ต่อคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์ส่วนใหญ่เน้นที่ผลกระทบต่อความลื่นไหล การกักเก็บน้ำ และรีโอโลยี และมีการวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์ในการพิมพ์ 3 มิติเพียงเล็กน้อย (เช่น ความสามารถในการอัดขึ้นรูป ความสามารถในการวางซ้อนกัน เป็นต้น) นอกจากนี้ เนื่องจากไม่มีมาตรฐานที่สม่ำเสมอสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ จึงยังไม่มีการกำหนดวิธีการประเมินความสามารถในการพิมพ์ของวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์ ความสามารถในการวางซ้อนกันของวัสดุจะประเมินจากจำนวนชั้นที่พิมพ์ได้ที่มีการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญหรือความสูงในการพิมพ์สูงสุด วิธีการประเมินข้างต้นมีอคติสูง ความเป็นสากลต่ำ และกระบวนการยุ่งยาก วิธีการประเมินประสิทธิภาพมีศักยภาพและคุณค่าอย่างมากในการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม

ในบทความนี้ ได้นำ HPMC ในปริมาณที่แตกต่างกันมาใช้ในวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์เพื่อปรับปรุงความสามารถในการพิมพ์ของปูน และได้ประเมินผลกระทบของปริมาณ HPMC ต่อคุณสมบัติของปูนสำหรับการพิมพ์ 3 มิติอย่างครอบคลุมโดยศึกษาความสามารถในการพิมพ์ คุณสมบัติทางรีโอโลยี และคุณสมบัติเชิงกล โดยพิจารณาจากคุณสมบัติ เช่น การไหลตัว จากผลการประเมิน ปูนที่ผสมกับ HPMC ในปริมาณที่เหมาะสมจะถูกเลือกสำหรับการตรวจสอบการพิมพ์ และพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องของเอนทิตีที่พิมพ์ได้รับการทดสอบ จากการศึกษาสัณฐานวิทยาจุลภาคของตัวอย่าง ได้มีการสำรวจกลไกภายในของการพัฒนาประสิทธิภาพของวัสดุพิมพ์ ในเวลาเดียวกัน ได้มีการกำหนดวัสดุที่ใช้ปูนซีเมนต์สำหรับการพิมพ์ 3 มิติ วิธีการประเมินประสิทธิภาพการพิมพ์อย่างครอบคลุมเพื่อส่งเสริมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในสาขาการก่อสร้าง