تأثير هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز على خصائص ملاط ​​الطباعة ثلاثية الأبعاد

من خلال دراسة تأثير جرعات مختلفة من هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز (HPMC) على قابلية الطباعة، والخواص الريولوجية، والخواص الميكانيكية لمونة الطباعة ثلاثية الأبعاد، نوقشت الجرعة المناسبة من HPMC، وحُللت آلية تأثيرها بالاقتران مع المورفولوجيا المجهرية. تُظهر النتائج أن سيولة المونة تنخفض مع زيادة محتوى HPMC، أي أن قابلية البثق تنخفض مع زيادة محتوى HPMC، ولكن قدرة الاحتفاظ بالسيولة تتحسن. تزداد قابلية البثق، ومعدل الاحتفاظ بالشكل، ومقاومة الاختراق تحت الوزن الذاتي بشكل ملحوظ مع زيادة محتوى HPMC، أي أنه مع زيادة محتوى HPMC، تتحسن قابلية التراص ويطول وقت الطباعة. من وجهة نظر الريولوجيا، مع زيادة محتوى HPMC، زادت اللزوجة الظاهرية، وإجهاد الخضوع، واللزوجة البلاستيكية للملاط بشكل ملحوظ، وتحسنت قابلية التراص. زادت خاصية الانسيابية أولاً ثم انخفضت مع زيادة محتوى HPMC، وتحسنت قابلية الطباعة. زيادة محتوى HPMC ستؤدي إلى زيادة مسامية الملاط وقوته. يوصى بألا يتجاوز محتوى HPMC 0.20%.

شهدت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (المعروفة أيضًا باسم "التصنيع بالإضافة") تطورًا سريعًا في السنوات الأخيرة، وانتشر استخدامها على نطاق واسع في العديد من المجالات، مثل الهندسة الحيوية، والفضاء، والإبداع الفني. وقد ساهمت عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد الخالية من القوالب في تحسين المواد بشكل كبير، كما أن مرونة التصميم الهيكلي وطريقة البناء الآلية لا توفران القوى العاملة فحسب، بل تجعلانها مناسبة أيضًا لمشاريع البناء في مختلف البيئات القاسية. ويُعدّ دمج تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مع مجال البناء ابتكارًا واعدًا. حاليًا، تُعدّ عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد الأسمنتية هي العملية التمثيلية للطباعة ثلاثية الأبعاد، وتتمثل في عملية التكديس بالبثق (بما في ذلك عملية تشكيل المحيط) وعملية طباعة الخرسانة وربط المسحوق (عملية الشكل D). ومن بين هذه العمليات، تتميز عملية التكديس بالبثق بمزايا عديدة، منها قلة الاختلاف عن عملية صب الخرسانة التقليدية، وإمكانية إنتاج مكونات كبيرة الحجم، وانخفاض تكاليف البناء. وقد أصبحت هذه المزايا من أبرز مجالات البحث الحالية في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد الأسمنتية.

تختلف متطلبات أداء المواد الأسمنتية المستخدمة كـ"أحبار" في الطباعة ثلاثية الأبعاد عن متطلبات المواد الأسمنتية العادية: فمن جهة، توجد متطلبات محددة لقابلية تشغيل المواد الأسمنتية الطازجة، ويجب أن تلبي عملية البناء متطلبات البثق السلس. ومن جهة أخرى، يجب أن تكون المادة الأسمنتية المبثوقة قابلة للتكديس، أي ألا تنهار أو تتشوه بشكل ملحوظ تحت تأثير وزنها وضغط الطبقة العلوية. إضافةً إلى ذلك، تتطلب عملية الترقق في الطباعة ثلاثية الأبعاد أن تكون الطبقات متماسكة. ولضمان الخصائص الميكانيكية الجيدة لمنطقة التماس بين الطبقات، يجب أن تتمتع مواد البناء المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالتصاق جيد. باختصار، يُصمم كل من قابلية البثق والتكديس والالتصاق العالي في آن واحد. تُعد المواد الأسمنتية من المتطلبات الأساسية لتطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال البناء. ويُعد تعديل عملية الترطيب والخصائص الريولوجية للمواد الأسمنتية من أهم الطرق لتحسين أداء الطباعة. يُعدّ ضبط عملية ترطيب المواد الأسمنتية أمرًا صعبًا، وقد يتسبب بسهولة في مشاكل مثل انسداد الأنابيب؛ كما يتطلب تنظيم الخصائص الريولوجية الحفاظ على السيولة أثناء عملية الطباعة وسرعة التشكيل بعد عملية التشكيل بالبثق. في الأبحاث الحالية، تُستخدم مُعدِّلات اللزوجة، والمضافات المعدنية، والطين النانوي، وغيرها، غالبًا لضبط الخصائص الريولوجية للمواد الأسمنتية لتحقيق أداء طباعة أفضل.

يُعدّ هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز (HPMC) مُكثّفًا بوليمريًا شائعًا. ترتبط روابط الهيدروكسيل والإيثر في السلسلة الجزيئية بجزيئات الماء الحرة عبر روابط هيدروجينية. يُحسّن إدخاله في الخرسانة تماسكها وقدرتها على الاحتفاظ بالماء بشكلٍ فعّال. حاليًا، تُركّز الأبحاث حول تأثير HPMC على خصائص المواد الأسمنتية في الغالب على تأثيره على السيولة والاحتفاظ بالماء والريولوجيا، بينما لا تزال الأبحاث قليلة حول خصائص المواد الأسمنتية المطبوعة ثلاثية الأبعاد (مثل قابلية البثق وقابلية التراص، إلخ). إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لعدم وجود معايير موحدة للطباعة ثلاثية الأبعاد، لم يتم بعد وضع طريقة تقييم لقابلية طباعة المواد الأسمنتية. تُقيّم قابلية تراص المادة بعدد الطبقات القابلة للطباعة مع تشوّه ملحوظ أو أقصى ارتفاع للطباعة. تتسم طرق التقييم المذكورة أعلاه بقدر كبير من الذاتية، وضعف الشمولية، وتعقيد الإجراءات. تتمتع طريقة تقييم الأداء بإمكانات وقيمة كبيرتين في التطبيقات الهندسية.

في هذه الورقة البحثية، أُضيفت جرعات مختلفة من هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز (HPMC) إلى مواد أسمنتية لتحسين قابلية طباعة الملاط، وجرى تقييم تأثير جرعة HPMC على خصائص الملاط المستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل شامل من خلال دراسة قابلية الطباعة، والخصائص الريولوجية، والخصائص الميكانيكية. وبناءً على خصائص مثل السيولة، تم اختيار الملاط المخلوط بالكمية المثلى من HPMC للتحقق من الطباعة، وجرى اختبار المعايير ذات الصلة بالنموذج المطبوع. كما تم استكشاف الآلية الداخلية لتطور أداء مادة الطباعة من خلال دراسة المورفولوجيا المجهرية للعينة. وفي الوقت نفسه، تم وضع طريقة تقييم شاملة لأداء الطباعة ثلاثية الأبعاد لمادة أسمنتية، وذلك بهدف تعزيز تطبيق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال البناء.