一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法技术

本发明专利技术提供了一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法。本发明专利技术从丰富打印材料种类和降低成本的角度出发，针对材料在3D打印技术中的应用前景，首先给出了几种主要的材料及其特性分析，并对3D打印技术对打印材料的要求进行了研究，从材料中选择符合3D打印技术要求的材料，例如石膏粉和速凝水泥；在此基础上，结合响应曲面分析法对所选的材料在不同配比下的初凝时间和终凝时间进行比较分析，最终选出最符合要求的打印浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法，属于材料制备

技术介绍
3D打印材料种类的单一化和成本的高昂化是制约着3D打印技术普及和发展的主要原因。现在人们所熟知的3D打印技术最早是出现于20世纪90年代中期，但是由于当时制造价格比较昂贵，技术也相对不太成熟，所以早期3D打印技术并没有得到广泛的推广。而如今，3D技术经过了20多年的发展，技术已经更加成熟、控制也更加精确，而且制造成本也有所降低。但打印材料的单一化和高昂化仍然是制约3D打印技术发展的一个重要原因。目前根据不同的打印设备，打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。3D打印所用的这些原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。通常，根据打印设备的类型及操作条件的不同，所使用的粉末状3D打印材料的直径为1-100μm不等。近年来，3D打印技术逐年发展，所应用的领域也越来越广泛，但打印材料的供给却不容乐观。目前我国的3D打印材料主要存在以下几点问题：1、材料性能达不到要求，影响3D打印的推广；2、可用材料种类偏少，难以满足3D打印需求；3、材料成本较高，限制了应用领域；4、我国部分3D打印材料依赖进口，限制了产业化应用。打印材料是3D打印发展的基础，3D打印技术和装备的成熟也会促进材料性能的开发和完善，拓展材料品种和应用。目前，我国部分3D打印技术和装备已经处于世界先进水平，但在材料研发和应用方面与先进国家相比还存在较大差距，因此打破材料对3D打印发展的制约非常关键。
技术实现思路
为达到上述目的，本专利技术提供了一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法，通过该方法能够选出适宜3D打印的材料组合，结合响应面法对其凝结时间进行分析，从而选出最佳的打印材料。为达到上述目的，本专利技术提供了一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法，其包括以下步骤：(1)按照3D打印技术对材料的一般要求选择至少两种材料作为待测材料；(2)结合响应面法确定不同的实验配比，即待测材料与水之间的比例，建立响应面分析模型，并按照不同的实验配比将待测材料与水混合得到混合材料，分别进行3D打印实验，得到不同实验配比的混合材料的初凝时间、终凝时间的实测值；采用正交实验设计法对于实验配比进行分组，可以根据待测材料的情况进行选择，一般为10组以上；通过正交实验设计法进行分组，分组实验完毕，可以利用响应面法得到配比因素之间的模型，通过模型分析可以得到取得最佳配比；运用响应曲面分析的方法进行拟合，得到待测材料在所述混合材料中的浓度与初凝时间、终凝时间的函数关系，进而得到初凝时间、终凝时间的预测值；建立不同实验配比的混合物的初凝时间、终凝时间的实验值与预测值的正态分布图、实验分析方差图、残差与预测图、预测与实际图、预测与运行值图以及待测材料的质量与水的体积之间的等高线图、三维响应曲面图；通过实验分析方差图、拟合二次回归方程、残差图、预测值图、等高线图、三维响应曲面图，优化待测材料的质量以及水的体积的取值，使其响应值在相应的映射范围内并输出最小的响应值；具体的分析可以参考常规的分析进行，例如常规的残差分析方法等；分析所述正态分布图、实验分析方差图、残差与预测图、预测与实际图、预测与运行值图，并通过实验得到初凝时间、终凝时间的实验值，对所述实验值进行响应面分析，得到回归模型，并计算出初凝时间、终凝时间的理论值，并得到初凝时间、终凝时间的预测值与待测材料的质量、水的体积之间的函数关系以及待测材料的质量之间的相互函数关系；(3)根据中心组合设计，结合步骤(2)中得到的结果，利用二次函数的拟合方程对初凝时间、终凝时间进行拟合，根据拟合结果得到待测材料与水的优化配比方案及相应的初凝时间、终凝时间、期望值；(4)根据优化配比方案，选取等质量的待测材料和水再次进行3D打印实验，得到优化配比方案的初凝时间、终凝时间的实验值，并将实验值与理论值进行比较，得到相对误差，判断拟合是否合理：若合理，选取其中初凝时间最短，期望最小，终凝时间合理的一组配比，用该比例配置出的混合材料即为类岩石材料3D打印的材料；如果不合理，则重复步骤(3)，直到得到合理的拟合结果。在上述方法中，优选地，在步骤(1)中，3D打印技术对材料的一般要求包括：有利于快速、精确的加工原型零件；快速成型制件应当接近最终要求，满足对强度、刚度、耐潮湿性、热稳定性能的要求；有利于后续的处理工艺。在选择待测材料时，可以由本领域技术人员根据实际情况按照常规的方式采用主要因素进行。在上述方法中，优选地，正态分布图为待测材料的学生化残差与质量百分比的关系曲线，所述学生化残差为横坐标，所述质量百分比为纵坐标。在上述方法中，优选地，残差与预测图为待测材料的预测值与学生化残差的关系曲线，所述残差为纵坐标，所述预测值为横坐标。在上述方法中，优选地，预测与实际图为所述预测值与实际值的关系曲线，其中，所述预测值为纵坐标，所述实际值为横坐标。在上述方法中，优选地，预测与运行值图为所述学生化残差与运行序号的关系曲线，所述学生化残差为纵坐标，所述运行序号为横坐标。在上述方法中，优选地，步骤(2)和步骤(4)中的3D打印实验按照以下步骤进行：按照实验配比称取各种待测材料和水；将待测材料与水混合，得到混合材料；将混合材料填入3D打印机的挤出装置，边填入边搅拌，防止类岩石类材料凝结；将装好混合材料的挤出装置固定在3D打印机上，启动打印的减速电机，将混合材料从挤出装置中挤压出来，并在底盘上进行加热处理，加速类岩石材料的凝结速度，使之快速成型，完成实验，在成型过程中，采集混合材料的挤出速度、底盘的加热温度、初凝时间、终凝时间。本专利技术还提供了一种类岩石材料3D打印材料，其是按照上述方法得到的配比制备的，该材料包括石膏、水泥、水，三者的比例为9.35g：5g：6.12mL。本专利技术从丰富打印材料种类和降低成本的角度出发，针对材料在3D打印技术中的应用前景，首先给出了几种主要的材料及其特性分析，并对3D打印技术对打印材料的要求进行了研究，从材料中选择符合3D打印技术要求的材料，例如石膏粉和速凝水泥；在此基础上，结合响应曲面分析法对所选的材料在不同配比下的初凝时间和终凝时间进行比较分析，最终选出最符合要求的打印浓度。附图说明图1为材料A的初凝时间的残差与百分比的关系图。图2为材料A的初凝时间的残差与预测值的关系图。图3为材料A的初凝时间的预测值与实际值的关系图。图4为材料A的初凝时间的预测值与运行值的关系图。图5为石膏初凝时间的实际值与预测值的对比折线图。图6A、图6B、图6C分别为材料B与水之间的等高线图。图7A、图7B、图7C分别为材料A与水之间的等高线图。图8A、图8B、图8C分别为材料A与材料B之间的三维响应曲面图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本专利技术的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本专利技术的可实施范围的限定。实施例本实施例提供了一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法，其包括以下步骤：一、实验材料选取按照3D打印技术对材料的一般本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法，其包括以下步骤：(1)按照3D打印技术对材料的一般要求选择至少两种材料作为待测材料；(2)结合响应面法确定不同的实验配比，即待测材料与水之间的比例，建立响应面分析模型，并按照不同的实验配比将待测材料与水混合得到混合材料，分别进行3D打印实验，得到不同实验配比的混合材料的初凝时间、终凝时间的实测值；运用响应曲面分析的方法进行拟合，得到待测材料在所述混合材料中的浓度与初凝时间、终凝时间的函数关系，进而得到初凝时间、终凝时间的预测值；建立不同实验配比的混合物的初凝时间、终凝时间的实验值与预测值的正态分布图、实验分析方差图、残差与预测图、预测与实际图、预测与运行值图以及待测材料的质量与水的体积之间的等高线图、三维响应曲面图；通过实验分析方差图、拟合二次回归方程、残差图、预测值图、等高线图、三维响应曲面图，优化待测材料的质量以及水的体积的取值，使其响应值在相应的映射范围内并输出最小的响应值；分析所述正态分布图、实验分析方差图、残差与预测图、预测与实际图、预测与运行值图，并通过实验得到初凝时间、终凝时间的实验值，对所述实验值进行响应面分析，得到回归模型，并计算出初凝时间、终凝时间的理论值，并得到初凝时间、终凝时间的预测值与待测材料的质量、水的体积之间的函数关系以及待测材料的质量之间的相互函数关系；(3)根据中心组合设计，结合步骤(2)中得到的结果，利用二次函数的拟合方程对初凝时间、终凝时间进行拟合，根据拟合结果得到待测材料与水的优化配比方案及相应的初凝时间、终凝时间、期望值；(4)根据优化配比方案，选取等质量的待测材料和水再次进行3D打印实验，得到优化配比方案的初凝时间、终凝时间的实验值，并将实验值与所述理论值进行比较，得到相对误差，判断拟合是否合理：若合理，选取其中初凝时间最短，期望最小，终凝时间合理的一组配比，用该比例配置出的混合材料即为类岩石材料3D打印的材料；如果不合理，则重复步骤(3)，直到得到合理的拟合结果。...

【技术特征摘要】
1.一种类岩石材料的快速凝结配比的筛选方法，其包括以下步骤：(1)按照3D打印技术对材料的一般要求选择至少两种材料作为待测材料；(2)结合响应面法确定不同的实验配比，即待测材料与水之间的比例，建立响应面分析模型，并按照不同的实验配比将待测材料与水混合得到混合材料，分别进行3D打印实验，得到不同实验配比的混合材料的初凝时间、终凝时间的实测值；运用响应曲面分析的方法进行拟合，得到待测材料在所述混合材料中的浓度与初凝时间、终凝时间的函数关系，进而得到初凝时间、终凝时间的预测值；建立不同实验配比的混合物的初凝时间、终凝时间的实验值与预测值的正态分布图、实验分析方差图、残差与预测图、预测与实际图、预测与运行值图以及待测材料的质量与水的体积之间的等高线图、三维响应曲面图；通过实验分析方差图、拟合二次回归方程、残差图、预测值图、等高线图、三维响应曲面图，优化待测材料的质量以及水的体积的取值，使其响应值在相应的映射范围内并输出最小的响应值；分析所述正态分布图、实验分析方差图、残差与预测图、预测与实际图、预测与运行值图，并通过实验得到初凝时间、终凝时间的实验值，对所述实验值进行响应面分析，得到回归模型，并计算出初凝时间、终凝时间的理论值，并得到初凝时间、终凝时间的预测值与待测材料的质量、水的体积之间的函数关系以及待测材料的质量之间的相互函数关系；(3)根据中心组合设计，结合步骤(2)中得到的结果，利用二次函数的拟合方程对初凝时间、终凝时间进行拟合，根据拟合结果得到待测材料与水的优化配比方案及相应的初凝时间、终凝时间、期望值；(4)根据优化配比方案，选取等质量的待测材料和水再次进行3D打印实验，得到优化配比方案的初凝时间、终凝时间的实验值，并将实验值与所述理论值进行比较，得到相对误差，判断拟合是否合理：若合理，选取其中初凝时间最短，期望最...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵弘，赵毅鑫，吴婷婷，张毅然，张岩，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11