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        混凝土3D打印質量影響因素及控制方法

        混凝土3D打印質量影響因素及控制方法

        打印 0條評論來源:中國混凝土與水泥制品協會

        0   前言


        混凝土3D打印技術是基于三維數字化設計,采用“層積”成型方式進行混凝土成型的一種建造技術。打印過程是將打印頭安裝在一個載重定位機架上,按照設定的打印路徑進行移動并持續擠出混凝土料漿。成型過程與熔融沉積成型(Fused Deposition Modelling,以下簡稱FDM)具有一定的相似性,通過打印頭擠出料漿的線性層積成型,無需借助模板。


        混凝土3D打印系統一般由路徑規劃系統、材料制備系統、材料輸送系統、材料擠出打印頭、載重定位機及其控制系統組成??刂葡到y控制打印料漿的泵出速度、打印頭的位移速度、出料嘴的擠出速度、出料嘴的角速度等打印參數,然后以機器語言發送給打印系統,以坐標定義點形成線,進而逐層打印混凝土結構?;炷?D打印質量受打印材料、打印機系統、泵、控制系統、打印頭、出料嘴形狀等多種因素共同影響。國內外學者對于混凝土3D打印系統及影響打印質量的因素進行了大量研究。郭潞杰在特定打印設備與材料的前提下,進行了不同打印工藝對構件成型效果的影響研究。在打印頭移動速度控制方面,NERELLA等使用的打印速度約為75 mm/s,通過速凝劑將混凝土材料的初凝時間控制在3 min以內,層間間隔時間為30 s,打印時間為90 min。在PERROT等的研究中,打印層之間的時間間隔在11~60 s,打印速度為1.1~6.0 m/h。在打印頭出料嘴的選擇研究方面,圓形打印頭在打印路徑方向改變時能夠相對容易地實現打印效果與設計模型的吻合,而方形打印頭實現難度較大,但方形比圓形或橢圓形打印頭有更好的表面平整度;出料嘴不同橫截面積對料漿擠出速度及打印頭移動速度的要求不同。在NERELLA等[4]和LE等的研究中,分別采用了9 mm×6 mm和38 mm×15 mm的出料嘴;LIM等的研究采用直徑為4~27 mm的圓形出料嘴。武雷等研究了搭接寬度對3D打印混凝土基本力學性能的影響以及工藝參數對成型精度的影響。


        對于3D打印水泥基材料,一般要有適宜的流動性、堆積性、較快的凝結時間以及較高的早期強度,使得混凝土料漿能夠順利地從打印頭中擠出并堆積成構件。LE等對適用于擠出層積打印工藝的水泥基材料,提出了可擠出性、可堆積性、打印時間及工作性四大指標。段嚴等對3D打印混凝土材料相關性能的研究進展進行了梳理。於家勉等對3D打印混凝土層間性能的影響因素與測試方法研究進行了總結。


        隨著3D打印技術在土木工程領域的應用,混凝土3D打印技術正逐步從“可打印”到“可批量化、精準化、規?;蛴 ?發展。目前,混凝土3D打印質量成為制約3D打印技術推廣及進一步發展的瓶頸,開展混凝土3D打印質量影響因素及控制措施的研究,對促進其發展與應用具有重要意義。目前的研究工作主要集中在影響3D打印質量的某一個因素或某一類因素,而3D打印質量往往受多種因素綜合影響。因此,有必要對混凝土3D打印質量影響因素展開更為全面、系統的研究。本文基于工業機械臂驅動的混凝土3D打印工藝,對工藝流程中影響打印質量的關鍵因素進行分析,綜合考慮后提出質量控制方法,以期為混凝土3D打印技術相關研究提供參考。


        1   混凝土3D打印質量及影響因素


        1.1   打印質量


        3D打印混凝土構件的打印質量一般由打印件造型實現程度、成型精度、表面紋理質量、力學性能、非薄壁構件的填充質量等指標來評定。其中,每個方面又有一些具體的質量指標,所以本文將混凝土3D打印質量劃分為一個質量體系,見圖1。


        1.2   影響因素


        3D打印混凝土結構的成型質量受打印技術流程各個環節中的多種因素共同影響?;炷?D打印技術流程如圖2所示。



        1.2.1   設計建模階段


        模型設計者對于打印系統的打印能力范圍需要有清晰的認知,應對打印設備特征、打印尺寸、打印系統可實現的打印件曲率、雙曲面、鏤空、局部懸空等情況進行充分考慮。在開始打印前,此方面因素均會對打印質量產生影響。


        1.2.2   模型切片及路徑規劃階段


        在模型切片階段,切片厚度直接影響打印的分層厚度,而分層厚度又是影響打印質量的關鍵工藝參數之一。打印路徑規劃思路及圖形算法的不同,直接導致打印運動軌跡不同,從而影響構件的打印質量。


        1.2.3   3D打印階段


        (1)3D打印過程是指混凝土的制備到打印層堆積成型的過程,包含了原材料混合攪拌、泵車螺桿擠出、管道輸送、打印頭擠出、堆積成形等過程。此過程各環節對水泥基材料的性能提出了不同的要求,如圖3所示。結合擠出層積打印工藝流程,不同的性能指標對應不同的工藝階段。打印材料的觸變性、流動性、可擠出性、可堆積性、凝結時間、用水量、纖維及骨料類型、拌和時間、擠出壓實度等均對打印過程及打印質量產生影響。



        (2)打印設備系統中,機械臂為打印提供了空間定位,其定位精度、啟??刂?、運動控制邏輯等直接影響打印質量。打印頭及出料嘴是混凝土材料的打印擠出設備,打印頭是否儲料且進行二次螺桿擠出、構造設計、出料嘴的類型、尺寸、形狀、材質、出料原理、機電性能等均影響出料的質量。


        (3)打印工藝及系統參數設置,包括打印層厚度、打印頭移動線速度、材料擠出速度、泵車泵出速度(泵壓)、輸料方式及路徑等,均可對打印質量產生影響。


        (4)混凝土3D打印質量同時受打印環境溫度、濕度以及養護條件的影響。


        2   混凝土3D打印工藝流程中影響打印質量的因素及控制方法


        2.1   設計建模階段


        混凝土3D打印受技術本身發展的局限性影響,目前還不能完全實現任意三維模型的直接打印成型。設計人員對打印設備打印能力范圍的把握,將直接影響構件打印成型質量。


        打印過程中受打印頭的尺寸、形狀等的影響,會造成不同程度的“造型損失”,模型中如果設有尖角,則打印實現難度較大。以打印矩形為例,在轉角處存在“造型損失”,如圖4所示。若選擇圓形出料嘴,造型損失受出料嘴直徑影響較大;選擇矩形可旋轉出料嘴打印頭,“造型損失”受出料嘴長邊邊長及出料嘴的路徑、轉角方式的影響較大,可通過出料嘴的啟停、轉角算法的調整減少造型損失。



        雙曲面的打印實現能力是打印設備系統及材料研發的重要能力體現。雙曲面的打印可通過兩種方式實現:一種是通過打印層之間的偏移量累積擬合形成曲面,如圖5所示;另一種是通過控制算法,調整機械臂的運動,使打印頭出料嘴與水平面形成夾角,即料條之間不再是水平層積,而是有內外高度差的層積狀態,從而實現曲面打印。如圖6所示。



        對于存在局部懸空造型的打印實現,在材料確定的情況下,隨著懸空尺寸的增大,打印造型的變形也隨之變大,如圖7所示。此類局部表面小紋理懸空造型的打印質量,可以通過調整材料配合比,提升混凝土料漿的形狀保持度來改善。同時,設計者在模型設計中還需要考慮打印料漿及設備能夠實現的最大局部懸空量。



        由此可見,在模型設計過程中要充分考慮混凝土3D打印的技術特征及其現階段的技術局限性,對于打印構件的質量具有重要影響。


        2.2   切片及路徑規劃階段


        設計模型的切片及路徑規劃過程決定了打印設備設定及運行的最基本參數。模型切片厚度、路徑規劃算法等均對成型件表面質量、成型結構的力學性能產生影響。


        在打印材料確定的條件下,同一構件,切片厚度決定了分層數量,切片厚度越薄,分層數量越多,同一模型打印的層數越多,層間黏結力對構件總體力學性能影響越大。因此,在通過材料物理力學指標、層間黏結力指標等對打印構件力學性能進行評估時,需要充分考慮切片厚度及分層數量的影響。另外,混凝土3D打印工藝使打印出的構件具有天然的打印紋理,切片厚度決定了紋理形成的間距及視覺效果。


        常規FDM工藝采用的切片方式是水平切片,每層切片打印填充完成后再進行之后的打印。以空心圓柱的打印實現為例,如圖8所示??招膱A柱本質上是由兩個同心圓環之間填充形成的,通過圓環的逐層打印堆疊形成空心圓柱。目前,混凝土3D打印對空心圓柱的打印多采用同心軸切片,即將物體的三維模型按照平行于z軸方向、以同心軸嵌套面進行切片,再將各嵌套面進行同心圓環打印堆疊、層間連接,從而形成空心圓柱。因此,切片的縱向嵌套同心圓環及其間距的合理設置尤為重要,合理的設置可有效控制打印出的成品構件實際尺寸與設計尺寸之間的偏差。



        混凝土3D打印逐層累積成型,完成底層的打印后再進行上一層的打印,會在下層和上層的抬升處出現“臺階”現象。經過多層的累積,在抬升累積處就會形成“結點面”??赏ㄟ^改進路徑規劃,將抬升處放置在結構的內部或拼接處,保證結構外部的整體性、均勻性和表面質量;或者將每一個打印層的抬升處設置在不同的位置,消除抬升點的累積效應,弱化“結點面”的形成,見圖9。



        2.3   3D打印階段


        2.3.1   3D打印混凝土的制備


        混凝土的性狀是影響3D打印成型質量的關鍵因素之一。以坍落度為例,混凝土坍落度的大小,直接影響打印擠出料條的形變量。以圓形擠出嘴為例,見圖10。打印料條的初始截面形狀近似圖10(a),自然接觸時近似圖10(b),經打印頭移動、料條與下層粘接、上層擠壓粘接、坍落變形后,實際成型截面近似圖10(c)?;炷撂涠仍酱?,成型截面的高度a越小,寬度b越大。在打印分層厚度、打印頭擠出速度、打印頭移動速度固定的情況下,擠出料條的形狀及a、b保持不變,坍落度成為影響打印層累積誤差C的關鍵指標(C≈分層厚度α×層數n-實際打印成型總高度h)。



        在打印層間隔時間、打印參數、材料一定的條件下,當打印分層厚度大于打印頭擠出料條的成型厚度時,單層料條的層高誤差Δh主要受三種因素影響:打印過程中料嘴距離打印層高度自由下落“拉扯”料條引起的變形高度差Δh1、材料坍落變形引起的高度差Δh2、上層堆積料堆壓引起的高度差Δh3,即Δh主要由Δh1、Δh2和Δh3三部分組成。當打印分層厚度等于打印頭擠出料條的成型厚度時,單層料條的層高誤差Δh主要由Δh2和Δh3組成;當打印分層厚度小于打印頭擠出料條的成型厚度時,單層料條的層高誤差Δh主要由Δh3和出料嘴擠壓引起的層高誤差Δh4組成。


        2.3.2   打印設備及控制參數


        打印設備及其控制參數對打印質量的影響主要體現在設備的系統定位精度、打印頭擠料方式、打印頭出料嘴形式及其控制、出料嘴形狀及其運動控制方面,這些因素對打印構件的表面及結構總體力學性能影響較大。


        打印頭按是否臨時儲料可分為儲料型打印頭與直出型打印頭,見圖11。儲料型打印頭通過螺桿等結構對打印頭內臨時存儲的混凝土料漿進行二次擠出,排出因泵送過程可能產生的孔隙及空氣,擠出的料條具有較好的密實度,但整個打印頭會因螺桿的內部轉動引起一定程度的晃動;直出型打印頭不存儲料漿,不二次擠出,料漿依靠泵送直接從出料嘴擠出,打印頭內不存在螺桿的擠料攪拌過程,具有更好的打印定位穩定性。



        打印頭的出料嘴是混凝土料漿離開打印系統堆積成型的最后一處設備接觸點,其類型、材質、形狀對打印表面質量及結構力學性能產生顯著影響。出料嘴類型多樣,如圖12所示。根據是否可動可控分為固定型出料嘴和可動型出料嘴。固定型出料嘴僅僅是料漿擠出的出口,僅影響擠出料條的截面形狀和尺寸,可動型出料嘴根據打印需求的不同具有特定的可控可動姿態。根據材質可分為不同的類型, 包括金屬出料嘴、塑料出料嘴以及組合材料出料嘴等,由于材料表面摩擦系數的差異,出料嘴材料會影響擠出料條的表面光滑度。


        出料嘴形狀對擠出料條的形狀、結構外觀以及結構力學性能均有較大影響。目前使用較多的出料嘴形狀主要有圓形、正方形、矩形。對于正方形和圓形出料嘴,路徑規劃及打印實現相對簡單,不會在拐彎處因出料嘴的形狀引起料條及打印尺寸的變化,見圖13。矩形出料嘴因其沿長、寬兩個方向移動產生的料條寬度不同,若采用矩形出料嘴,在相同的切片及路徑規劃下,對打印形狀產生影響,見圖14。因此,在實際研究及應用中,常見的矩形出料嘴具有可動可控、隨打印路徑轉動跟隨的功能,以實現圖15、圖16的打印路徑。



        打印設備定位系統的定位精度受打印機空間結構剛度、打印機運動控制系統算法、打印機系統硬件控制精度、打印機端頭載重等多種因素的影響。目前,采用技術成熟的高精度工業機械臂作為打印設備的定位系統,較桁架定位系統具有更高的精度,重復定位精度可達到0.1 mm?;炷链蛴☆^往往具有一定的自重,儲料型打印頭還需承載存料的重量。打印頭的總體重量將對系統承重變形產生影響,系統剛度越小,打印頭重量越大,硬件系統變形越大,定位精度越低。


        打印機運動控制算法決定了系統的運動路徑及路徑的實現方式。打印填充拐點影響打印條的堆積狀態,拐點越多,局部堆積量越大,在打印尺寸相對較小的情況下,局部堆積效應更加明顯。打印路徑少,可節省打印時間,提高打印填充效率,節省打印成本。在實際的構件打印中,需要根據構件具體的特征,在效率與質量之間進行平衡、選擇,調整填充打印的路徑規劃算法。


        在混凝土3D打印過程中,打印頭移動速度對出料形成的打印層尺寸產生影響。在材料配合比、泵速、出料嘴擠出速度確定的情況下,打印頭移動速度越快,擠出料條會與下層粘接造成拉扯,減小打印條截面尺寸,打印條呈現“細薄”狀;打印頭移動速度越慢,擠出的混凝土打印條產生堆積,打印層截面積越大,打印條呈現“厚粗”狀,甚至堆積外擠變形。因此,實際情況中,在正式打印前可對于特定打印材料、出料嘴、進行出料速度、分層厚度以及打印頭移動速度的匹配測試,采用最佳質量效果的一組打印工藝參數進行構件打印。


        3   結論與展望


        混凝土3D打印質量影響因素較多,在未來的研究中,應綜合考慮多種因素的綜合影響,進行定量測試與試驗,對于質量控制研究具有實際意義。


           

           

           (編輯:奚雅青)

           

           

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        [責任編輯:Susan]

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