JP7323256B2 - Bonding material with freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing - Google Patents
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Description
3Dプリンティングに関するセメント質材料 Cementitious materials for 3D printing
現在、3Dプリンティング技術又は積層造形プロセスを用いたワークピースの成形が様々な産業、特に医療、航空、及び自動車産業で主流となっている。成形に使用されるプロセス又は材料は、様々な用途に対応するために多様化している。成形プロセスのほとんどが類似の原理に基づいており、即ち、ワークピースは結合材料で層ごとに成形されて完成する。ワークピースは動作を制御するコンピュータ支援プログラムを用いて設計及び成形される。一般に広く採用される3Dプリンティングを用いた成形方法の1つは押出成形3Dプリンティングであり、熱溶解積層法(Fuse Deposition Modeling、FDM)としても知られる。これは、他の方法に比べて経済的で広く用いられるプリンティング法である。この押出成形プリンティング法の原理は、押出成形に用いる流動性材料をノズルを通って流れるように押し出し、ノズルが各層の設計経路の形状に沿って、ワークピースが完成するまで移動するというものである。押出成形3Dプリンティング法は、例えばプラスチック、セラミック及び金属など様々な材料に適合する。 Forming workpieces using 3D printing techniques or additive manufacturing processes is currently prevalent in various industries, especially in the medical, aeronautical, and automotive industries. The processes or materials used for molding are diversified to accommodate various applications. Most of the molding processes are based on a similar principle, ie the workpiece is completed layer by layer with a bonding material. The workpiece is designed and shaped using a computer aided program that controls the motion. One widely adopted molding method using 3D printing is extrusion 3D printing, also known as Fuse Deposition Modeling (FDM). This is an economical and widely used printing method compared to other methods. The principle of this extrusion printing method is that the flowable material used for extrusion is forced to flow through a nozzle, and the nozzle moves along the shape of the design path of each layer until the workpiece is completed. . Extrusion 3D printing methods are compatible with a variety of materials such as plastics, ceramics and metals.
それでも、プラスチック、セラミック又は金属は、結合材料のように流動可能な状態になるまで高温で加熱されなければならない。ノズルから押し出された後、材料は固体になる。これらの材料を成形するためには高エネルギーが必要とされる。建設業界では、経済的で環境耐久性のある材料が必要とされる。上述のように、これらの材料を用いて3Dプリンティング法によりワークピースを成形するには高いコストが必要とされ、また、材料の環境耐久性が低い。したがって、建設業界における3Dプリンティング成形では、代わりに、環境耐久性が高く低コストの材料が用いられる。セメントは用途が幅広く、その優れた環境耐久性が広く受け入れられている結合材料であるため、セメント系材料は上記のような産業界への使用に適している。押出成形3Dプリンティングに使用されるセメント系材料は、水及び他の液体材料と混合されてセメントペースト又はモルタルを形成する。3Dプリンティング法を用いてワークピースを成形するのに用いられるセメント質材料は継続的に改善されてきたが、以下のように、様々な態様への適用に伴う問題点が依然として見られる。 Nevertheless, plastics, ceramics or metals must be heated to high temperatures until they become flowable like the bonding material. After being extruded from the nozzle, the material becomes solid. High energy is required to mold these materials. The construction industry requires economical and environmentally durable materials. As mentioned above, forming workpieces by 3D printing methods using these materials requires high costs, and the materials have low environmental durability. Therefore, 3D printing molding in the construction industry is instead using environmentally durable and low cost materials. Cementitious materials are well suited for such industrial uses because cement is a versatile bonding material that is widely accepted for its excellent environmental durability. Cementitious materials used in extrusion 3D printing are mixed with water and other liquid materials to form a cement paste or mortar. Although the cementitious materials used to shape workpieces using 3D printing methods have been continually improved, there are still problems associated with their application in various aspects, such as the following.
-使用していない状態又は外力が加えられていない状態でのノズルからの漏れ(外力とは、空気圧、振動、スクリューフィーディング(screw feeding)などである)。これは材料の浪費、廃棄物量の増加、及び操作の煩雑化につながる。 - Leakage from the nozzle when not in use or under external forces (external forces are air pressure, vibration, screw feeding, etc.). This leads to wasted material, increased waste volume, and increased operational complexity.
-外力を加えたときの流動性にみられる、不十分な押出性。-高圧縮強度の材料を得るためには高密度材料を設計する必要があるが、これは材料を流動させるのに強い力が必要とされ、押出性が低くなる。これにより材料がノズルを詰まらせたり、押出力が不足したりする。 - Poor extrudability as seen in fluidity when external force is applied. - In order to obtain a material with high compressive strength, it is necessary to design a high density material, which requires a high force to flow the material, resulting in poor extrudability. This results in material clogging the nozzles and lack of extrusion force.
-短すぎる作業時間-3Dプリンティングに用いるセメント系材料の設計には、各層を適切に成形することが必要とされる。したがって、急速に固化する材料を開発する必要がある。急速な固化により作業時間はさらに短縮されるが、押出成形中にミキサ及び/又は材料輸送パイプライン中で材料が詰まる原因となる。その結果、プリンティングの不連続性、取り扱いにくさ及びコンクリート打設の中断、並びにワークピースの機械的特性の低下につながる。長い作業時間を与え材料輸送パイプラインの長さに対応するセメント質材料は、より扱いやすく効率的な操作を可能とする。 - Working time too short - The design of cementitious materials for 3D printing requires proper molding of each layer. Therefore, there is a need to develop materials that solidify rapidly. Rapid solidification further reduces working time, but causes material to clog in mixers and/or material transport pipelines during extrusion. This results in printing discontinuities, poor handling and interruptions in concrete placement, and reduced mechanical properties of the workpiece. Cementitious materials that provide longer working times and accommodate the length of material delivery pipelines allow for more manageable and efficient operations.
高品質プリンティングを得るための押出成形3Dプリンティング用セメント系材料の例示的な出願は、以下の通りである。 Exemplary applications of cementitious materials for extrusion 3D printing to obtain high quality printing are as follows.
-特許文献1、即ち、2017年に公開された国際公開第2017221058号「Online Control of Rheology of Building Material for 3D Printing」には、押出成形3Dプリンティング法を用いるセメントモルタルの成形方法が開示されている。この発明は、水硬性結合材、骨材、補助セメント質材料並びに鉱物及び化学添加剤を用いて、上記成形方法に適した流動性を有する超高性能コンクリート施工材料の開発を目的としている。結合材に対してある重量比の水と混合して適切な流動性を有するフレッシュモルタルを得たところ、フレッシュコンクリートの降伏応力が600~4,000パスカルの範囲内であることが見出された。この試験は、動的特性、すなわち、移動状態でのセメント質材料の応力を試験することを目的としており、ノズルから出るセメント又はモルタルを十分に安定させる程ではない。したがって、本発明は、生石灰セメント添加剤又はスルホアルミン酸カルシウムセメントを添加して静的降伏応力特性、すなわちこの場合、ノズルから押し出されるペースト又はモルタルの特性である静止状態での材料特性を高めたセメント質材料の開発を目的としている。静的降伏応力が高い場合、得られるセメントペースト又はモルタルは非常に安定するだろう。したがって、得られるプリントワークピースは誤差が大幅に減少し、使いやすくなる。 - WO 2017221058 "Online Control of Rheology of Building Material for 3D Printing" published in 2017 discloses a method for forming cement mortar using an extrusion 3D printing method. . The purpose of this invention is to develop an ultra-high performance concrete construction material having fluidity suitable for the above molding method by using hydraulic binders, aggregates, auxiliary cementitious materials and mineral and chemical additives. When mixed with a certain weight ratio of water to binder to obtain a fresh mortar with adequate fluidity, the yield stress of fresh concrete was found to be in the range of 600-4,000 pascals. . This test is intended to test the dynamic properties, ie the stress of the cementitious material in motion, not enough to stabilize the cement or mortar exiting the nozzle. Therefore, the present invention added a quicklime cement additive or a calcium sulfoaluminate cement to enhance the static yield stress properties, i.e. the material properties at rest, which in this case are properties of the paste or mortar extruded from the nozzle. The purpose is to develop cementitious materials. If the static yield stress is high, the resulting cement paste or mortar will be very stable. Therefore, the resulting printed workpiece has significantly reduced errors and is easier to use.
-特許文献2、即ち、「3D Printing Cement-based Material and Preparation Method thereof」と題する同済大学の中国特許出願公開第104891891号明細書は、3Dプリンティング用のセメント系結合材料及びその調製方法に関するものである。この発明に用いられる材料は、セメント、添加剤、細骨材、減水剤、水和促進剤、増粘剤、AE剤(air entrainer)、繊維、初期圧縮強度促進剤、共重合体、撥水剤、及び、ドライモルタル粉末の0.01~5.00重量%又は0.0033~1.6600重量%の量のセメント膨張生成混和剤に対して100部セメントの比率の乾燥粉末状のエトリンガイト膨張剤又は酸化カルシウムで構成される。水和促進剤は、材料の凝固を促進する役割を果たす。水と混合すると、凝固促進剤は、ワークピースを形成するためのコンクリート及びモルタルとして使用できる。特許文献2で使用される促進剤は、反応の初期段階に材料を著しく安定化させたり動的降伏応力を増大させたりしない、ナトリウム基及びカルシウム基に関連した化学混和剤である。したがって、セメントペースト又はモルタルをノズルから押し出すことができない。 - Patent Document 2, Chinese Patent Application Publication No. 104891891 of Tongji University entitled "3D Printing Cement-based Material and Preparation Method thereof", relates to a cement-based bonding material for 3D printing and its preparation method. is. Materials used in the present invention include cement, additives, fine aggregates, water reducing agents, hydration accelerators, thickeners, AE agents (air entrainers), fibers, initial compressive strength accelerators, copolymers, water repellent and dry powdered ettringite expansion in a ratio of 100 parts cement to cement expansion-producing admixture in an amount of 0.01-5.00% by weight or 0.0033-1.6600% by weight of the dry mortar powder. or calcium oxide. Hydration enhancers serve to promote solidification of the material. When mixed with water, the accelerator can be used as concrete and mortar to form workpieces. Accelerators used in US Pat. No. 5,400,005 are chemical admixtures associated with sodium and calcium groups that do not significantly stabilize the material or increase the dynamic yield stress during the early stages of the reaction. Therefore, cement paste or mortar cannot be extruded from the nozzle.
-特許文献3、即ち、「A Binding Material Suitable for Three-Dimensional Printing」と題するインド特許出願番号IN201914026163は、適切な安定性でノズルから押し出されるセメント系結合材料を提供することを目的としている。したがって、3Dプリンティング法によって得られるワークピースは、誤差が少なく、より改善され、扱いやすくなる。使用される結合材料は、セメント、細骨材、粉末石灰石、膨張生成混和剤、遅延剤、コンシステンシー混和剤、及びレオロジー改質剤からなる。しかしながら、この発明ではノズルからの漏れという問題が依然として解決されていない。材料はノズルから漏れやすく、取り扱いが困難である。 - Patent Document 3, Indian Patent Application No. IN201914026163 entitled "A Binding Material Suitable for Three-Dimensional Printing" aims to provide a cementitious binding material extruded from a nozzle with adequate stability. The workpiece obtained by the 3D printing method is therefore less error-prone, more improved and easier to handle. The binding materials used consist of cement, fine aggregate, powdered limestone, expansion-producing admixtures, retardants, consistency admixtures, and rheology modifiers. However, this invention still does not solve the problem of nozzle leakage. The material tends to leak from the nozzle and is difficult to handle.
-特許文献4、即ち、2019年に出願された「A Kind of Lower Shrinkage 3D Printing Mortar and Preparation Method thereof」と題する中国特許出願公開第110317027号明細書には、低収縮性3Dプリンティングを用いたモルタル調合物の開発が記載されている。調合物は、ポルトランドセメント、硫酸アルミニウム系セメント、微細な鉱物粉末、砕砂、玄武岩及びポリマー繊維、スルホアルミン酸マグネシア又は酸素膨潤剤、減水剤、水和促進剤、初期圧縮強度促進剤及び消泡剤で異なる比率で構成される。このような調合物では、繊維の添加によりフレッシュモルタルからの水分蒸発が低減されたため、3Dプリンティング法を用いて成形されるモルタルの収縮を大幅に低減できることが見出された。また、膨潤剤の膨張により、固化したモルタルの引張強度特性が明らかに向上し、モルタル収縮及び長期的なひび割れを低減することができた。しかしながら、この発明は、ノズルからの漏れに関するモルタルのフレッシュ性状特性の問題に対する解決策については何ら言及していない。 - Patent Document 4, that is, Chinese Patent Application Publication No. 110317027 entitled "A Kind of Lower Shrinkage 3D Printing Mortar and Preparation Method thereof" filed in 2019, describes a mortar using low shrinkage 3D printing Formulation development is described. The formulation contains Portland cement, aluminum sulphate cement, fine mineral powder, crushed sand, basalt and polymer fibers, magnesia sulfoaluminate or oxygen swelling agents, water reducing agents, hydration accelerators, early compressive strength accelerators and antifoaming agents. in different ratios. In such formulations, it was found that the shrinkage of mortars molded using 3D printing methods could be significantly reduced, as moisture evaporation from fresh mortar was reduced by the addition of fibers. Also, the expansion of the swelling agent could obviously improve the tensile strength properties of the set mortar, reducing mortar shrinkage and long-term cracking. However, this invention does not address the problem of mortar freshness properties related to nozzle leakage.
いずれの従来の発明も、材料が使用されていない間、又は外力が加えられていないときに材料がノズルから出ている間、セメント質材料が漏れることを防止できないことが分かる。また、それらの発明は、押出性を制御できず、また加えて、作業時間を長くできない。言い換えると、セメント質材料は、プリンティングが行われていない時に材料が流出するという問題を生ずる流動性材料である。さらに、セメント質材料は、様々な建設工事、特に耐力壁などの耐力構造物に使用するためには、高い圧縮強度を有する必要がある。したがって、材料は高い密度を有するように設計されなければならない。通常、密度が高いと、材料をノズルから押し出せないという問題を生ずる。したがって、開発される材料は、ノズルから容易に押し出すことができるように、高い空気含有量を有するべきである。最終的に、より長い作業時間を得るためにこの問題を解決しなければならない。作業時間が短すぎる場合、不連続な成形の主な原因となるプリンタ内部又は材料輸送パイプライン内での材料の固化が始まるだろう。したがって、本発明は、セメントを用いた3Dプリンティング成形プロセスで発生する問題点を解決し、プロセスの有効性を高めるため、押出成形3Dプリンティングに適した結合材料を開発することを目的とする。 It can be seen that none of the prior art inventions prevent leakage of cementitious material while the material is not in use or while the material exits the nozzle when no external force is applied. Also, those inventions do not allow control of extrudability and, in addition, do not allow for long working times. In other words, a cementitious material is a flowable material that creates problems with the material flowing out when printing is not taking place. In addition, cementitious materials need to have high compressive strength for use in a variety of construction works, particularly load-bearing structures such as load-bearing walls. Therefore the material must be designed to have a high density. Higher densities usually cause problems in extruding the material from the nozzle. Therefore, the material developed should have a high air content so that it can be easily extruded through the nozzle. Finally, we have to solve this problem to get longer working time. If the working time is too short, the material will start to solidify inside the printer or in the material transport pipeline, which is the main cause of discontinuous molding. Therefore, the present invention aims to develop a bonding material suitable for extrusion 3D printing in order to solve the problems encountered in the cement-based 3D printing molding process and increase the effectiveness of the process.
本発明の目的は、3Dプリンタによってノズルから押し出されるモルタル材料が以下のようなフレッシュ性状及び機械的特性を有する、押出成形3Dプリンティングに適したセメント系結合材料を開発することである。
・外力が加わっていないときの流動防止
・より長い作業時間
・ノズルを通って押し出される能力
・高い圧縮強度
The objective of the present invention is to develop a cementitious bonding material suitable for extrusion 3D printing, where the mortar material extruded from the nozzle by the 3D printer has the following freshness and mechanical properties:
- Prevention of flow when no external force is applied - Longer working time - Ability to be extruded through nozzle - High compressive strength
セメント系結合材と、細骨材と、遅延剤と、増粘剤と、界面活性剤と、レオロジー改質剤と、を含む結合材料を用いることによって、フレッシュモルタル及び固化したモルタルの上記4つの特性が、3Dプリンティング成形から得られるワークピースをより効率的で強固な、耐力構造物での使用に適したものとし、且つ、他の用途にもより適したものとする。 By using a binding material comprising cementitious binder, fine aggregate, retarder, thickener, surfactant and rheology modifier, the above four properties of fresh mortar and hardened mortar The properties make the workpieces resulting from 3D printing molding more efficient and robust, suitable for use in load-bearing structures, and also more suitable for other applications.
本発明は、以下の態様を含む。
<1> 押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料であって、
乾燥結合材料の20~50重量%の結合材と、
前記乾燥結合材料の50~80重量%の細骨材と、
前記乾燥結合材料の0.010~1.000重量%の遅延剤と、
前記乾燥結合材料の0.001~0.500重量%の増粘剤と、
前記乾燥結合材料の0.001~1.000重量%の界面活性剤と、
前記乾燥結合材料の0.010~1.000重量%のレオロジー改質剤と、を含み、
ASTM C1506規格に準拠した保水性が85%~100%であり、ASTM C185規格に準拠した空気含有量が9%超であり、前記界面活性剤に対する前記増粘剤の重量比が0.5~2.0である、
押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<2> 前記結合材は、ポルトランドセメント、混合セメント、及びアルミナセメントから選択される少なくとも1種であり、前記セメントは、2,700~5,600cm3/gの平均ブレーン粉末度を有する、<1>に記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<3> 前記結合材は、アルミナセメント又はスルホアルミネートセメントを0.1%~5.0%含み、前記セメントは、2,700~5,600cm3/gの平均ブレーン粉末度を有する、<1>又は<2>に記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<4> 前記細骨材は、天然に存在するか又は破砕分離処理された、石灰石、粉末石灰石、細砂、廃棄物、及び未使用セメント材料から選択され、好ましくは粉末石灰石である、<1>~<3>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<5> 前記細骨材は、7,000~13,000cm3/gの平均ブレーン粉末度を有する、<1>~<4>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<6> 前記細骨材は、平均サイズが600ミクロン超の粒子を10%未満有し、前記細骨材の粗粒度が、2.3~5.5である、<1>~<5>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<7> 前記遅延剤は、水溶性の乾燥粉末粒子、又は、糖類若しくは糖類系溶液で実質的に構成された液体溶液である、<1>~<6>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<8> 前記遅延剤は、成分として、グルコン酸塩、ショ糖、又はフッ化ケイ素酸ナトリウムを含む、<1>~<7>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<9> 前記増粘剤は、天然及び変性セルロース並びに天然及び変性デンプンで実質的に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子である、<1>~<8>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<10> 前記界面活性剤は、アルキル硫酸塩、スルホン酸アルキル、又はアニオン性剤で実質的に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子又は液体溶液である、<1>~<9>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<11> 前記界面活性剤は、前記界面活性剤の95.0乾燥重量%超の量の反応性アニオン性物質を有するアニオン性界面活性剤である、<1>~<10>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<12> 前記レオロジー改質剤は、ASTM494/494M規格に準拠したカルボキシレート、F型又はG型の減水剤で実質的に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子又は液体溶液である、<1>~<11>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
<13> 構成成分として、天然繊維、合成繊維、金属繊維又はこれらの組み合わせのいずれかを含み、前記それぞれの繊維タイプの量が、前記乾燥結合材料の0~2重量%である、<1>~<12>のいずれか1つに記載の押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。
The present invention includes the following aspects.
<1> A binding material having fresh properties and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing,
20-50% by weight of the dry binder material of binder;
50-80% by weight of the dry bond material fine aggregate;
0.010 to 1.000% by weight of the dry bond material of a retarder;
0.001 to 0.500% by weight of the dry binding material of a thickening agent;
0.001 to 1.000% by weight of the dry bond material of a surfactant;
0.010 to 1.000% by weight of the dry bond material of a rheology modifier;
The water retention according to ASTM C1506 standard is 85% to 100%, the air content according to ASTM C185 standard is greater than 9%, and the weight ratio of the thickener to the surfactant is 0.5 to is 2.0;
Bonding material with freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing.
<2> The binder is at least one selected from Portland cement, mixed cement, and alumina cement, and the cement has an average Blaine fineness of 2,700 to 5,600 cm 3 /g. A binding material having fresh properties and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to 1>.
<3> The binder contains 0.1% to 5.0% alumina cement or sulfoaluminate cement, and the cement has an average Blaine fineness of 2,700 to 5,600 cm 3 /g. A binding material having fresh properties and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to 1> or <2>.
<4> The fine aggregate is selected from naturally occurring or crushed and separated limestone, powdered limestone, fine sand, waste, and unused cement material, preferably powdered limestone, <1 A binding material having fresh properties and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to any one of > to <3>.
<5> The fine aggregate has an average Blaine fineness of 7,000 to 13,000 cm 3 /g, fresh suitable for extrusion molding 3D printing according to any one of <1> to <4> Bonding material with properties and mechanical properties.
<6> The fine aggregate has less than 10% of particles with an average size of more than 600 microns, and the fine aggregate has a coarse particle size of 2.3 to 5.5, <1> to <5> A binding material having freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to any one of claims 1 to 3.
<7> The extrusion according to any one of <1> to <6>, wherein the retarder is water-soluble dry powder particles, or a liquid solution substantially composed of sugars or sugar-based solutions. Bonding material with freshness and mechanical properties suitable for molded 3D printing.
<8> The retarder contains gluconate, sucrose, or sodium fluorosilicate as a component, fresh suitable for extrusion molding 3D printing according to any one of <1> to <7> Bonding material with properties and mechanical properties.
<9> The thickener according to any one of <1> to <8>, wherein the thickener is water-soluble dry powder particles substantially composed of natural and modified cellulose and natural and modified starch. Bonding material with freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing.
<10> Any of <1> to <9>, wherein the surfactant is water-soluble dry powder particles or a liquid solution substantially composed of an alkyl sulfate, an alkyl sulfonate, or an anionic agent. A binding material having freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to claim 1.
<11> Any one of <1> to <10>, wherein the surfactant is an anionic surfactant having a reactive anionic substance in an amount exceeding 95.0% by dry weight of the surfactant. A binding material having fresh properties and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to 1.
<12> The rheology modifier is a water-soluble dry powder particle or liquid solution substantially composed of a carboxylate, F-type or G-type water reducer according to ASTM 494/494M standards, <1 > ~ <11> A binding material having fresh properties and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing.
<13> comprising any of natural fibers, synthetic fibers, metallic fibers, or combinations thereof as components, wherein the amount of each fiber type is 0-2% by weight of the dry bond material; <1> A binding material having fresh properties and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to any one of <12>.
本発明に係る押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料は、
-乾燥結合材料の20~50重量%の結合材と、
-乾燥結合材料の50~80重量%の細骨材と、
-乾燥結合材料の0.010~1.000重量%の遅延剤と、
-乾燥結合材料の0.001~0.500重量%の増粘剤と、
-乾燥結合材料の0.001~1.000重量%の界面活性剤と、
-乾燥結合材料の0.010~1.000重量%のレオロジー改質剤と、
を含む。
A bonding material with freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing according to the present invention is
- 20 to 50% by weight of the dry binder material, and
- 50-80% by weight of the dry bonded material fine aggregate;
- 0.010 to 1.000% by weight of the dry binding material of a retarder;
- 0.001 to 0.500% by weight of the dry binding material of a thickener;
- 0.001 to 1.000% by weight of the dry binding material of a surfactant;
- from 0.010 to 1.000% by weight of the dry bond material of a rheology modifier;
including.
「乾燥結合材料の重量」とは、結合材及び細骨材である結合材料部分の重量を意味する。乾燥ベースで、結合材料は、フライアッシュ、ボトムアッシュ、もみ殻灰、火山灰、焼成カオリン、微砕石、高炉スラグ、アルミニウム高炉スラグ、又はヒュームドシリカなどの補助的なセメント質材料を含んでいてもよく、これらも乾燥結合材料とみなす。本発明に使用される量は、乾燥結合材料の総重量の20~50%である。本発明に係る結合材料を調製するために、乾燥結合材料をフレッシュセメントコンディショニング剤と混合するが、当該コンディショニング剤は、遅延剤、増粘剤、界面活性剤、及びレオロジー改質剤である。また、他の特性を変更するために、セメント産業で広く用いられる鉱物及び化学添加剤又は膨張生成混和剤を添加してもよい。この結合材料を、乾燥結合材料の9~16重量%の比率の水と混合し、押出成形3Dプリンティングに適したモルタルを形成する。
By "weight of dry binder" is meant the weight of the binder and the binder portion which is fine aggregate. On a dry basis, the binding material may include auxiliary cementitious materials such as fly ash, bottom ash, rice husk ash, volcanic ash, calcined kaolin, granulated stone, blast furnace slag, aluminum blast furnace slag, or fumed silica. Often these are also considered dry bonding materials. The amount used in the present invention is 20-50% of the total weight of the dry binding material. To prepare the bonding material according to the invention, the dry bonding material is mixed with fresh cement conditioning agents, which are retardants, thickeners, surfactants and rheology modifiers. Mineral and chemical additives or expansion-producing admixtures widely used in the cement industry may also be added to modify other properties. This binding material is mixed with water at a rate of 9-16% by weight of the dry binding material to form a mortar suitable for extrusion 3D printing.
3Dプリンティング成形に適した結合材は、ポルトランドセメント及びアルミナセメントの混合物、スルホアルミネートセメント及び/又は前記セメントの溶液を含む結合材である。アルミナセメント、スルホアルミネートセメント及び/又は前記セメントの溶液の量は、結合材の総重量の0.1~5.0%の範囲である。アルミナセメント又はスルホアルミネートセメントは、30~98重量%の範囲のアルミナ相成分を含み、平均ブレーン粉末度が2,700~5,600cm3/gの範囲内である。 Suitable binders for 3D printing molding are binders comprising mixtures of Portland cement and alumina cement, sulfoaluminate cements and/or solutions of said cements. The amount of alumina cement, sulfoaluminate cement and/or solution of said cement ranges from 0.1 to 5.0% of the total weight of the binder. Alumina cements or sulfoaluminate cements contain an alumina phase component in the range of 30-98% by weight and have an average Blaine fineness in the range of 2,700-5,600 cm 3 /g.
細骨材は、天然に存在するか又は破砕分離処理された、石灰石、粉末石灰石、細砂、廃棄物、及び未使用セメント材料から選択してもよく、最も好ましくは、平均粒子サイズが600ミクロン超で細骨材の10%未満の量の石灰石であり、粗粒度が2.3~5.5である。得られるモルタルは、3Dプリンティングに適した流動性を有し、ノズルを詰まらせない。また、モルタル表面は滑らかで、荒くなったり、ひび割れしたりしない。したがって、圧縮強度及び長期耐久性が、とりわけセメント質材料の乾燥収縮性の点で改善される。本発明に使用される量は、乾燥結合材料の総重量の50~80%である。 The fine aggregate may be selected from naturally occurring or crushed and separated limestone, powdered limestone, fine sand, waste and virgin cementitious materials, most preferably having an average particle size of 600 microns. Limestone in an amount of ultra-fine aggregate less than 10% with a coarse grain size of 2.3-5.5. The resulting mortar has good fluidity for 3D printing and does not clog nozzles. Also, the mortar surface is smooth and does not become rough or crack. Compressive strength and long-term durability are thus improved, especially in terms of drying shrinkage of the cementitious material. The amount used in the present invention is 50-80% of the total weight of the dry binding material.
本発明に使用される粉末石灰石である細骨材に関して、3Dプリンティングに適した結合材料は、実質的に90%超の炭酸カルシウムで構成され、7,000~13,000cm3/gの平均ブレーン粉末度を有する。約11,000cm3/gの平均ブレーン粉末度を使用することにより、適切な流動性及び良好な成形性をセメント質材料にもたらし、動的降伏応力特性を最適化し、核形成反応を促進することにより初期段階でセメントの水和反応を促進してポートランダイトを形成する。セメントペーストの強塩基状態で粉末石灰石から溶解したカルシウムイオンは界面遷移帯で水和反応を形成することができるため、非常に微細な粉末石灰石は、粉末石灰石塊又は他の細骨材とセメントとの間の界面遷移帯を改善するのに役立ち得る。
For the powdered limestone fine aggregate used in the present invention, a binding material suitable for 3D printing is substantially composed of more than 90% calcium carbonate and has an average blaine of 7,000-13,000 cm 3 /g. It has fineness. Using an average Blaine fineness of about 11,000 cm 3 /g provides adequate flowability and good formability to the cementitious material, optimizes dynamic yield stress properties, and promotes nucleation reactions. promotes the hydration reaction of cement in the initial stage to form portlandite. Calcium ions dissolved from powdered limestone in the strongly basic state of the cement paste can form hydration reactions at the interfacial transition zone, so very fine powdered limestone can be mixed with powdered limestone lumps or other fine aggregates and cement. can help improve the interfacial transition zone between
本発明の3Dプリンティングに適した結合材料に使用されるフレッシュセメントコンディショニング剤は、遅延剤、増粘剤、界面活性剤、及びレオロジー改質剤、並びに鉱物及び化学添加剤又は膨張性添加剤であり、これらは適切な比率で混合されると、フレッシュ性状特性、とりわけ3Dプリンティングに必要な特性をもたらす。これらの特性とは、ワークピース成形、動的及び静的流動性、各種3Dプリンタに対し改善された作業時間、促進された圧縮強度、及び改善された機械的特性である。 Fresh cement conditioning agents used in the 3D printing suitable bond material of the present invention are retardants, thickeners, surfactants and rheology modifiers, as well as mineral and chemical or swelling additives. , which, when mixed in the proper proportions, provide fresh property properties, especially those required for 3D printing. These properties are workpiece shaping, dynamic and static flowability, improved working time for various 3D printers, enhanced compressive strength, and improved mechanical properties.
遅延剤は、水溶性の乾燥粉末粒子、又は、例えばグルコン酸塩、ショ糖、若しくはフッ化ケイ素酸ナトリウムなどの糖類で主に構成された液体溶液である。例えば、グルコン酸ナトリウムは、添加量に応じて、フレッシュモルタルの作業時間を引き延ばすのに役立ち得る。本発明に使用される量は、乾燥結合材料の総重量の0.010~1.000%である。 Retardants are water soluble dry powder particles or liquid solutions composed primarily of sugars such as gluconate, sucrose, or sodium fluorosilicate. For example, sodium gluconate can help extend the working time of fresh mortar, depending on the amount added. The amounts used in the present invention are 0.010-1.000% of the total weight of the dry bonding material.
レオロジー改質剤は、ポリカルボン酸塩などの、ASTM494/494M規格(コンクリート用化学混和剤の標準仕様)に準拠したカルボキシレート、F型又はG型の減水剤で実質的に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子又は液体溶液である。したがって、混合に必要とされる水の量が減少され、その結果、添加量に応じて、固化したモルタルの機械的特性(例えば、圧縮強度)が改善される。本発明に使用される量は、乾燥結合材料の総重量の0.010~1.000%である。 Rheology modifiers are water-soluble, such as polycarboxylates, consisting essentially of carboxylates, F-type or G-type water reducers according to the ASTM 494/494M standard (Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete). dry powder particles or a liquid solution. Thus, the amount of water required for mixing is reduced, resulting in improved mechanical properties (eg compressive strength) of the set mortar, depending on the amount added. The amounts used in the present invention are 0.010-1.000% of the total weight of the dry bonding material.
増粘剤は、主に天然若しくは変性セルロース又は天然若しくは変性デンプンである、水溶性の乾燥粉末粒子である。例えば、メチルセルロースは、添加量に応じて、3Dプリンタを用いた押出成形に適するようにフレッシュモルタルコンシステンシーを調節したり、フレッシュモルタルに含まれる保水性及び空気含有量を増加させる役割を果たす。本発明に使用される量は、乾燥結合材料の総重量の0.001~0.500%である。 Thickeners are water-soluble dry powder particles, primarily natural or modified cellulose or natural or modified starch. For example, depending on the amount added, methyl cellulose plays a role in adjusting the fresh mortar consistency to be suitable for extrusion molding using a 3D printer and increasing the water retention and air content contained in the fresh mortar. The amounts used in the present invention are 0.001-0.500% of the total weight of the dry bond material.
界面活性剤は、界面活性剤の95.0乾燥重量%超の量の反応性アニオン物質を有する、アルキル硫酸塩、ラウリル硫酸ナトリウムなどのスルホン酸アルキル、又はスルホン酸若しくはカルボン酸などのアニオン性剤で主に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子又は液体溶液である。水と混合して濃度1.0%の溶液を得ると、界面活性剤のpH値は7.5~10.5となる。界面活性剤は、添加量に応じて、フレッシュモルタル表面張力を低下させる役割を果たす。本発明に使用される量は、乾燥結合材料の総重量の0.001~1.000%である。 The surfactant is an anionic agent such as an alkyl sulfate, an alkyl sulfonate such as sodium lauryl sulfate, or a sulfonic or carboxylic acid having a reactive anionic substance in an amount greater than 95.0% by dry weight of the surfactant. It is a water-soluble dry powder particle or liquid solution consisting mainly of When mixed with water to obtain a 1.0% concentration solution, the surfactant has a pH value of 7.5-10.5. Surfactants play a role in reducing the surface tension of fresh mortar, depending on the amount added. The amounts used in the present invention are 0.001-1.000% of the total weight of the dry bonding material.
増粘剤を界面活性剤と組み合わせて用いることにより、3Dプリンティングに適した結合材料の外力が加えられていないときの非流動特性を改善できる。増粘剤と界面活性剤とを併用することでフレッシュモルタルの特性に対する好影響が強まる。界面活性剤に対する増粘剤の好ましい重量比は、0.5~2.0である。外力が加えられていないときの非流動性は、ASTM C1437規格(水硬性セメントモルタルの流動性に関する標準試験方法)に準拠したゼロストークでの流動径差から、ASTM C230/C230M規格(水硬性セメントの試験に用いるためのフローテーブルの標準仕様)に準拠したフローテーブルを用いて測定できる。 The use of thickeners in combination with surfactants can improve the non-flowing properties of binding materials suitable for 3D printing when no force is applied. The combined use of thickeners and surfactants intensifies the positive influence on the properties of the fresh mortar. A preferred weight ratio of thickener to surfactant is 0.5 to 2.0. The non-fluidity when no external force is applied is determined from the flow diameter difference at zero stroke according to the ASTM C1437 standard (standard test method for fluidity of hydraulic cement mortar) and the ASTM C230/C230M standard (hydraulic cement can be measured using a flow table conforming to the standard specification of flow table for use in the test).
次に、3Dプリンティングに適した結合材料の長作業時間特性により、材料の作業時間が長くなり、3Dプリンタの材料輸送パイプライン又はノズル内部で材料が詰まるリスクが低減される。この特性は、遅延剤を界面活性剤と組み合わせて用いることにより改善できる。上記特性は、ASTM C1437規格(水硬性セメントモルタルの流動性に関する標準試験方法)に準拠した締固めによる異なる時点での流動性、及びASTM C1506規格(水硬性セメント系モルタル及びプラスタの保水性に関する標準試験方法)に準拠したモルタル材料の保水性から測定できる。 In turn, the long working time properties of bonding materials suitable for 3D printing increase the working time of the material and reduce the risk of material clogging inside the material transport pipelines or nozzles of the 3D printer. This property can be improved by using retardants in combination with surfactants. The above properties are determined according to the ASTM C1437 standard (standard test method for fluidity of hydraulic cement mortar) and ASTM C1506 standard (standard for water retention of hydraulic cementitious mortar and plaster). test method) can be measured from the water retention of the mortar material.
3Dプリンティングに適した結合材料を用いて3Dワークピースを形成するための別の重要な特性は、モルタルの押出性である。この性能は、押出成形中に3Dプリンタ外部から力が加わるため動的特性と考えられる。当該力は、空気圧、振動、及びスクリューフィーディングである。この特性は、フレッシュモルタルの密度又はフレッシュモルタル中の空気含有量に依存する。密度が減少したり空気含有量が増加したりすると、モルタルは重量が軽くなり、ノズルから押し出されやすくなる。しかしながら、空気含有量の増加は圧縮強度に直接影響する。したがって、結合材及びレオロジー改質剤の量を調節する必要がある。モルタルがノズルを通って押し出される能力に関する特性は、ASTM C185規格(水硬性セメントモルタルの空気含有量の標準試験方法)に準じて、フレッシュモルタルの空気含有量から測定できる。 Another important property for forming a 3D workpiece with a bonding material suitable for 3D printing is the extrudability of the mortar. This performance is considered a dynamic property because forces are applied from outside the 3D printer during extrusion. The forces in question are pneumatic pressure, vibration, and screw feeding. This property depends on the density of the fresh mortar or the air content in the fresh mortar. As the density decreases or the air content increases, the mortar becomes lighter in weight and easier to extrude through the nozzle. However, increasing air content directly affects compressive strength. Therefore, it is necessary to adjust the amount of binder and rheology modifier. Properties relating to the ability of a mortar to be extruded through a nozzle can be determined from the air content of the fresh mortar according to the ASTM C185 standard (Standard Test Method for Air Content of Hydraulic Cement Mortars).
建設に用いられる材料の別の重要な機械的特性は、ワークピースが様々な硬化時間での圧縮に耐える能力である。3Dプリンティングに適した結合材料から得られるモルタルのこの特性は、建設及び建築分野での使用に十分に効果的でなければならない。要求される圧縮強度は、初期及び後期硬化時間のどちらにおいても高くなければならず、すなわち、材齢1~3日での圧縮強度は、建設が継続的かつ効果的に行われるよう、ワークピースの再配置を可能にするのに十分高くなければならない。材齢28日での圧縮強度は、長期間の建設構造物の使用、及び、様々な状態のワークピースの長期耐久性を意味する。本発明に係る圧縮強度試験は、押出モルタル材料を形成及び切断して、ASTM C109/C109M規格(水硬性セメントモルタルの圧縮強度の標準試験方法)(2インチ又は50mmの立方体形状の被試験物を使用)で示される材料の平滑表面及びサイズを得ることにより行うことができる。次に、標準化されたワークピースを、ASTM C511規格(水硬性セメント及びコンクリートの試験に使用される混合室、湿潤キャビネット、湿潤室、及び貯水タンクの標準仕様)に従った条件で硬化させる。試験条件は、試験されるワークピースの硬化時間に依存する。 Another important mechanical property of materials used in construction is the ability of the workpiece to withstand compression with varying curing times. This property of mortars obtained from binding materials suitable for 3D printing should be effective enough for use in the construction and building sector. The required compressive strength must be high for both early and late setting times, i.e., the compressive strength at 1-3 days of age must be sufficient for the workpiece to continue and effectively perform construction. must be high enough to allow repositioning of Compressive strength at 28 days of age signifies long-term use of construction structures and long-term durability of workpieces in various conditions. The compressive strength test according to the present invention is performed by forming and cutting an extruded mortar material to meet the ASTM C109/C109M standard (Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortar) (2-inch or 50 mm cube-shaped test specimens). This can be done by obtaining a smooth surface and size of the material shown in (Use). The standardized workpiece is then cured under conditions according to the ASTM C511 standard (Standard Specification for Mixing Chambers, Wetting Cabinets, Wetting Chambers, and Water Tanks Used in Testing Hydraulic Cement and Concrete). Test conditions depend on the cure time of the workpiece being tested.
<本発明に係る例示的な結合材料の試験結果>
押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料の例示的な7つの調合物を提供する。結合材料と水とを混合して得られるフレッシュモルタルは、3Dプリンタで良好に機能する。これは表1に従う、ドライモルタルの重量比の異なる比率の、結合材、細骨材、レオロジー改質剤、水和遅延剤、増粘剤、及び界面活性剤で構成される。
<Test Results of Exemplary Bonding Materials According to the Present Invention>
We provide seven exemplary formulations of bonding materials with freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing. A fresh mortar obtained by mixing a binding material with water works well in a 3D printer. It is composed of binders, fine aggregates, rheology modifiers, hydration retardants, thickeners and surfactants in different proportions by weight of dry mortar according to Table 1.
表1は、異なる比率のドライモルタルの組成を示す。調合物1はテストコントロールとしてのモルタル調合物の組成である。調合物1、6、7については、界面活性剤なしで、ドライモルタルの0.010~0.070重量%の範囲で異なる比率の増粘剤を添加した。 Table 1 shows the composition of dry mortar with different proportions. Formulation 1 is the composition of the mortar formulation as a test control. For Formulations 1, 6, 7, no surfactant and different proportions of thickening agent were added ranging from 0.010 to 0.070% by weight of the dry mortar.
調合物4は、増粘剤なしで、ドライモルタルの0.030重量%の比率で界面活性剤を添加したドライモルタルの組成である。 Formulation 4 is the composition of dry mortar without thickening agent and with surfactant added at a rate of 0.030% by weight of dry mortar.
調合物2、3、5は、増粘剤及び界面活性剤を異なる比率で添加したドライモルタルの組成である。 Formulations 2, 3, 5 are compositions of dry mortar with different additions of thickener and surfactant.
表2に示す3Dプリンティング用モルタルのフレッシュ性状特性の試験結果によれば、モルタルをドライモルタルの10.5~14.5重量%の範囲内で異なる比率の水と混合して、56.0~57.0%の適切範囲内の同様な流動性を有するフレッシュモルタルを得る場合、界面活性剤なしでドライモルタルの0.010重量%の比率で増粘剤を添加した調合物1のモルタルは、界面活性剤に対する増粘剤の重量比が不適当であることがわかった。力を加えていないときの流動径差は16.0%であり、すなわち、当該調合物は静止状態でも流動性があり、3Dプリンタでの使用に適していない。空気含有量は3.32%と低く、3Dプリンタに適した流動径差は4.0%未満でなければならない。したがって、モルタルを押し出すのは困難だった。フレッシュモルタルの適切な空気含有量は9.00~15.00%の範囲内となるべきである。流動性は急速に低下し、90分で流動できなくなり、これは作業時間が短いことを示す。フレッシュモルタルの適切な90分流動性は35.0~45.0%の範囲内となるべきである。流動性が不十分であるため、調合物1は、保水性が100%と高いにもかかわらず意図した用途に適していなかった。この場合、適切な保水性は85.0%~100.0%の適切範囲であった。上記調合物は、高圧縮強度の点では有利であり、表3に示すように28日目で94.3MPaであった。適切な高圧縮強度は、耐力構造物に見合う60.0MPaを下回ってはならない。 According to the test results of the fresh property properties of the 3D printing mortar shown in Table 2, the mortar was mixed with different ratios of water within the range of 10.5 to 14.5% by weight of the dry mortar, and the When obtaining a fresh mortar with a similar fluidity within the appropriate range of 57.0%, the mortar of Formulation 1 without surfactant and with added thickener at a rate of 0.010% by weight of dry mortar: It was found that the weight ratio of thickener to surfactant was inadequate. The flow diameter difference without force is 16.0%, ie the formulation is fluid at rest and not suitable for use in a 3D printer. The air content is as low as 3.32% and the flow diameter difference should be less than 4.0% to be suitable for 3D printers. It was therefore difficult to push out the mortar. Suitable air content of fresh mortar should be in the range of 9.00-15.00%. The fluidity decreased rapidly and stopped flowing in 90 minutes, indicating a short working time. Suitable 90 minute fluidity of fresh mortar should be in the range of 35.0-45.0%. Due to poor fluidity, Formulation 1 was not suitable for its intended use despite its high water retention of 100%. In this case, the appropriate water retention was in the appropriate range of 85.0% to 100.0%. The above formulation was advantageous in terms of high compressive strength, which was 94.3 MPa at 28 days as shown in Table 3. Adequate high compressive strength should not be less than 60.0 MPa for load-bearing structures.
増粘剤及び界面活性剤をそれぞれドライモルタルの0.030重量%及び0.030重量%の比率で添加した調合物2のモルタルは、界面活性剤に対する増粘剤の重量比が1.000であり、力を加えていないときの流動径差は0.0%となった。このことは、当該モルタル調合物が静止状態では動かないことを示しており、したがって、フレッシュモルタルがノズルから漏れるという問題が解決されたことを示す。空気含有量は9.78%であり押出成形には十分多く、軽量のモルタルを提供した。したがって、ノズルからの押し出しは容易になった。流動性は大きく低下しなかった。保水性は92.9%であったため、90分流動性は44%であり、長い作業時間を示した。また、上記調合物は65.1MPaという高い28日圧縮強度をもたらした。このように圧縮強度が60.0MPa超のモルタル調合物は建設及び建築分野で使用するのに十分である。増粘剤と界面活性剤とを両方添加することは、3D押出成形法を用いたモルタル押出成形に必要とされる主要特性に直接影響を与えた。 The mortar of Formulation 2, with thickener and surfactant added in proportions of 0.030% and 0.030% by weight of the dry mortar, respectively, had a thickener to surfactant weight ratio of 1.000. The flow diameter difference was 0.0% when no force was applied. This indicates that the mortar formulation does not move at rest, thus solving the problem of fresh mortar leaking out of the nozzles. The air content was 9.78%, high enough for extrusion and providing a light mortar. Extrusion through the nozzle was thus facilitated. Liquidity did not decline significantly. Since the water retention was 92.9%, the 90-minute fluidity was 44%, indicating a long working time. Also, the above formulation provided a high 28-day compressive strength of 65.1 MPa. Such mortar formulations with compressive strengths above 60.0 MPa are sufficient for use in the construction and building sector. Adding both thickeners and surfactants directly impacted the key properties required for mortar extrusion using the 3D extrusion method.
増粘剤及び界面活性剤をそれぞれドライモルタルの0.039重量%及び0.039重量%の比率で添加した調合物3のモルタルは、界面活性剤に対する増粘剤の重量比が1.000であった。セメント系結合材の比率は、31.892%から45.073%に増やした。表2によれば、当該調合物は許容範囲である92.3%の保水性を提供することがわかった。12.63%という高い空気含有量は、押し出しが容易で軽量なモルタルを与えた。流動性は大きく低下しなかった。90分流動性は36%であり、使用するのに十分長い作業時間を示した。また、上記調合物は、硬化28日目に、結合材がより多いことに起因して調合物2のモルタルより14%大きい高圧縮強度を示した。
The mortar of Formulation 3 with thickener and surfactant added in proportions of 0.039 % and 0.039 % by weight of the dry mortar, respectively, had a thickener to surfactant weight ratio of 1.000. there were. The percentage of cementitious binder was increased from 31.892% to 45.073%. According to Table 2, the formulation was found to provide an acceptable water retention of 92.3%. A high air content of 12.63% gave a light mortar that was easy to extrude. Liquidity did not decline significantly. The 90 minute fluidity was 36%, indicating a long enough working time to use. The above formulation also exhibited a higher compressive strength at 28 days of cure, 14% greater than the formulation 2 mortar due to the higher binder content.
増粘剤なしでドライモルタルの0.0030重量%の比率で界面活性剤を添加した調合物4のモルタルは、界面活性剤に対する増粘剤の重量比が0.000であった。当該調合物は、モルタルに増粘剤を添加しない場合のモルタル特性を比較することを意図している。試験の結果、モルタルに増粘剤を添加していない場合、調合物2に対して保水性が7.1%高く、空気量が約43%高かった。したがって、モルタル押出性は著しく改善された。どちらの調合物も、90分間静置したときの流動性が44%であった。圧縮強度は約21%高かった。しかしながら、モルタルは静止状態で流動したままであるため(力を加えていないときの流動径差が4%)、3Dプリンタを用いて押出成形を実施した場合上記調合物には問題が残る。ゆえに、界面活性剤の添加のみでは、3Dプリンティング押出成形には適さないと総括できる。 The formulation 4 mortar with no thickener and added surfactant at a rate of 0.0030% by weight of the dry mortar had a weight ratio of thickener to surfactant of 0.000. The formulation is intended to compare the mortar properties with no thickening agent added to the mortar. The test results showed a 7.1% higher water retention and an approximately 43% higher air content relative to Formulation 2 when no thickening agent was added to the mortar. Therefore, the mortar extrudability was significantly improved. Both formulations had a flowability of 44% after standing for 90 minutes. Compressive strength was about 21% higher. However, the formulation remains problematic when extrusion is performed using a 3D printer, as the mortar remains fluid in the static state (4% difference in flow diameter when no force is applied). Therefore, it can be summarized that the addition of surfactant alone is not suitable for 3D printing extrusion molding.
増粘剤及び界面活性剤をそれぞれドライモルタルの0.039重量%及び0.050重量%の比率で添加した調合物5のモルタルは、界面活性剤に対する増粘剤の重量比が0.7800であった。この調合物のモルタルは、増粘剤及び界面活性剤の両方を添加したため、静止状態で流動しなかったので適している。また、フレッシュモルタルは押し出しが容易であった(空気含有量は14.03%)。保水性が高いため、作業時間は長かった(どちらの調合物も、90分間静置したときの流動性が44%であった)。28日間硬化させたワークピースの圧縮強度は60.9MPaと高かった。したがって、上記調合物は、押出成形3Dプリンティングに適している。 The mortar of Formulation 5 with the addition of thickener and surfactant in proportions of 0.039% and 0.050% by weight of the dry mortar, respectively, had a thickener to surfactant weight ratio of 0.7800. there were. The mortar of this formulation is suitable because it did not flow at rest due to the addition of both thickener and surfactant. Fresh mortar was also easy to extrude (air content was 14.03%). Working time was long due to high water retention (both formulations had 44% fluidity when left to stand for 90 minutes). The compressive strength of the workpiece cured for 28 days was as high as 60.9 MPa. The formulations are therefore suitable for extrusion 3D printing.
界面活性剤なしでドライモルタルの0.030重量%の比率で増粘剤を添加した調合物6のモルタルは、界面活性剤に対する増粘剤の重量比が不適当であった。試験結果によると、当該調合物のモルタルは静止状態でも依然として流動し、意図した用途に適さなかったことが分かる。また、保水性も低く、したがってモルタルの押し出しが困難であった。モルタルを90分間静置した後の流動性は十分ではなかった。しかしながら、この調合物は適度な圧縮強度であった。 The formulation 6 mortar with thickener added at a ratio of 0.030% by weight of the dry mortar without surfactant had an inappropriate weight ratio of thickener to surfactant. Test results indicated that the mortar of the formulation still flowed at rest and was not suitable for its intended use. In addition, the water retention was low, and therefore it was difficult to extrude the mortar. The fluidity was not sufficient after the mortar was allowed to stand for 90 minutes. However, this formulation had moderate compressive strength.
界面活性剤なしでドライモルタルの0.070重量%の比率で増粘剤を添加した調合物7のモルタルは、界面活性剤に対する増粘剤の重量比が不適当であった。当該調合物の試験結果によると、静止状態での流動性の点で深刻な問題があることがわかった。フレッシュモルタルを押し出すのは困難だった。作業時間は短く、圧縮強度は低かった。界面活性剤を増粘剤と組み合わせて使用しない場合、フレッシュ状態若しくは乾燥状態、又はその両方での使用に問題が生じることが分かる。 The formulation 7 mortar with thickener added at a ratio of 0.070% by weight of the dry mortar without surfactant had an inappropriate weight ratio of thickener to surfactant. Test results of the formulation showed that there was a serious problem with static fluidity. It was difficult to push out the fresh mortar. The working time was short and the compressive strength was low. It can be seen that if a surfactant is not used in combination with a thickener, problems arise in fresh or dry use, or both.
本発明に最適なモルタルの調合物は、界面活性剤と増粘剤とが相乗効果をもたらすことから、調合物2、3、及び5である。増粘剤と界面活性剤との適切な重量比0.5~2.0は、3Dプリンティング法を用いて成形されるワークピースに以下の利点をもたらす。(1)静止状態における有意な流動性、(2)フレッシュモルタルのより長い作業時間、(3)ノズルからの押出容易性、(4)初期の配置換え、耐力構造物及び建築用途の最終段階に十分な圧縮強度。 The most suitable mortar formulations for the present invention are formulations 2, 3 and 5 due to the synergistic effect of surfactant and thickener. A suitable thickener to surfactant weight ratio of 0.5 to 2.0 provides the following advantages for workpieces molded using 3D printing methods. (1) Significant fluidity at rest, (2) Longer working time of fresh mortar, (3) Ease of extrusion from nozzles, (4) Early repositioning, load-bearing structures and final stage of building applications. Sufficient compressive strength.
<本発明の最良の形態>
本発明の最良の形態は、本発明の詳細な説明に記載される通りである。
<Best mode of the present invention>
The best mode of the invention is as described in the detailed description of the invention.
Claims (8)
前記結合材料が、乾燥結合材料と、フレッシュセメントコンディショニング剤と、を含み、
前記乾燥結合材料が、結合材と、細骨材と、を含み、
前記フレッシュセメントコンディショニング剤が、遅延剤と、増粘剤と、界面活性剤と、レオロジー改質剤と、を含み、
前記結合材が、前記乾燥結合材料の20~50重量%の量で存在し、
前記細骨材が、前記乾燥結合材料の50~80重量%の量で存在し、
前記遅延剤が、前記乾燥結合材料の0.010~1.000重量%の量で存在し、前記遅延剤が、水溶性の乾燥粉末粒子、又は、糖類若しくは糖類系溶液で実質的に構成された液体溶液であり、
前記増粘剤が、前記乾燥結合材料の0.001~0.500重量%の量で存在し、前記増粘剤が、天然及び変性セルロース並びに天然及び変性デンプンで実質的に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子であり、
前記界面活性剤が、前記乾燥結合材料の0.001~1.000重量%の量で存在し、前記界面活性剤が、アルキル硫酸塩又はスルホン酸アルキルで実質的に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子又は液体溶液であり、
前記レオロジー改質剤が、前記乾燥結合材料の0.010~1.000重量%の量で存在し、前記レオロジー改質剤が、ASTM494/494M規格に準拠したカルボキシレート、F型又はG型の減水剤で実質的に構成された、水溶性の乾燥粉末粒子又は液体溶液であり、
ASTM C1506規格に準拠した保水性が85%~100%であり、ASTM C185規格に準拠した空気含有量が9%超であり、前記界面活性剤に対する前記増粘剤の重量比が0.5~1.0である、
押出成形3Dプリンティングに適したフレッシュ性状及び機械的特性を有する結合材料。 A bonding material with freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing, comprising:
said binding material comprises a dry binding material and a fresh cement conditioning agent;
the dry binding material comprises a binding material and fine aggregate;
the fresh cement conditioning agent comprises a retardant, a thickener, a surfactant, and a rheology modifier;
said binder is present in an amount of 20 to 50% by weight of said dry binder;
said fine aggregate is present in an amount of 50 to 80% by weight of said dry bond material;
The retardant is present in an amount of 0.010 to 1.000% by weight of the dry bond material, wherein the retardant consists essentially of water-soluble dry powder particles or sugars or sugar-based solutions. is a liquid solution,
a water-soluble liquid wherein said thickening agent is present in an amount of 0.001 to 0.500% by weight of said dry binding material, said thickening agent consisting essentially of natural and modified cellulose and natural and modified starch; are dry powder particles of
water-soluble, wherein said surfactant is present in an amount of 0.001 to 1.000% by weight of said dry bond material, said surfactant consisting essentially of an alkyl sulfate or an alkyl sulfonate; is a dry powder particle or liquid solution of
The rheology modifier is present in an amount of 0.010 to 1.000% by weight of the dry bond material, and the rheology modifier is a carboxylate, F-type, or G-type according to ASTM 494/494M standards. Water soluble dry powder particles or a liquid solution substantially composed of a water reducing agent,
The water retention according to ASTM C1506 standard is 85% to 100%, the air content according to ASTM C185 standard is greater than 9%, and the weight ratio of the thickener to the surfactant is 0.5 to is 1.0 ;
Bonding material with freshness and mechanical properties suitable for extrusion 3D printing.
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