3D打印混凝土打印喷头的研究进展.pdf
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1、第4 2卷第3期2023年5月大 连 工 业 大 学 学 报J o u r n a l o fD a l i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t yV o l.4 2N o.3M a y2023收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 4.基金项目:国家自然科学基金项目(5 2 2 0 5 3 3 8);辽宁省教育厅科学研究经费项目(L J K Z 0 5 1 0).作者简介:张慧(1 9 9 0-),女,讲师;通信作者:李明颖(1 9 7 2-),女,副教授.机械工程与自动化D O I:1 0.1 9 6 7 0/j.c n k i.d l g y
2、 d x x b.2 0 2 3.0 3 1 03 D打印混凝土打印喷头的研究进展张 慧,杜 加 帅,庞 桂 兵,赵 学 庆,李 明 颖(大连工业大学 机械工程与自动化学院,辽宁 大连 1 1 6 0 3 4)摘要:3 D打印混凝土技术是一种利用打印喷头选择性地叠加混凝土材料的成型方法,该技术以数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等特点为绿色建筑业发展提供了新思路。3 D打印混凝土设备的机械系统具备材料混合、搅拌和挤出打印3个主要功能,主要由混料装置、供料传送装置、打印装置和机架组成。打印喷头是3 D打印混凝土设备机械系统的关键部件,不仅要满足均质浆料能够顺利挤出的需求,还应保证打
3、印出的构件不坍塌并具备良好的层间结合强度等。因此,打印喷头的结构设计也是设备研制的重要任务之一。本文系统地总结了国内外3 D打印混凝土成型工艺,按照功能特征分类介绍了3 D打印混凝土设备的打印喷头,对其结构及工作原理进行了分析。关键词:3 D打印;混凝土;打印喷头;结构设计中图分类号:TU 7 4 1.3文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-1 4 0 4(2 0 2 3)0 3-0 2 1 1-0 8R e s e a r c hp r o g r e s so fp r i n t i n gh e a do f 3 Dp r i n t i n gc o n c r e t eZ H
4、A N G H u i,D U J i a s h u a i,P A N G G u i b i n g,Z H A O X u e q i n g,L I M i n g y i n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n,D a l i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,D a l i a n1 1 6 0 3 4,C h i n a)A b s t r a c t:3 D c o n c r e t ep r
5、 i n t i n gt e c h n o l o g yi sa m o l d i n g m e t h o dt h a tu s e st h ep r i n t i n g h e a dt os e l e c t i v e l ys t a c kc o n c r e t em a t e r i a l s.I tp r o v i d e san e wi d e af o r t h ed e v e l o p m e n to fg r e e nc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y w i t h t h ec h
6、a r a c t e r i s t i c s o fd i g i t a l m a n u f a c t u r i n g,d i m e n s i o n r e d u c t i o n m a n u f a c t u r i n g,s t a c k i n gm a n u f a c t u r i n g,d i r e c tm a n u f a c t u r i n ga n dr a p i dm a n u f a c t u r i n g.T h em e c h a n i c a l s y s t e mo f 3 Dc o n c r
7、 e t ep r i n t i n ge q u i p m e n tg e n e r a l l yh a st h r e ef u n c t i o n s,i n c l u d i n g m a t e r i a lm i x i n g,s t i r r i n ga n de x t r u s i o np r i n t i n g.I ti sm a i n l yc o m p o s e do fm i x i n gd e v i c e,f e e d i n gc o n v e y o r,p r i n t i n gd e v i c ea
8、n df r a m e.T h ep r i n t i n gh e a di sak e yc o m p o n e n to ft h em e c h a n i c a ls y s t e mf o ra3 Dc o n c r e t ep r i n t i n ge q u i p m e n t.I tn o to n l yn e e d s t op r o v i d eag u a r a n t e eo f s m o o t he x t r u s i o no fh o m o g e n e o u ss l u r r y,b u ta l s o
9、e n s u r et h a tt h ep r i n t e dc o m p o n e n t s w i l ln o tc o l l a p s ea n dh a v es u f f i c i e n ti n t e r l a y e rb o n d i n gs t r e n g t h.T h e r e f o r e,t h em e c h a n i c a ld e s i g no ft h ep r i n t i n gh e a di so n eo f i m p o r t a n tt a s k s.T h e3 Dc o n c
10、r e t ep r i n t i n gp r o c e s sa th o m ea n da b r o a d w a ss u mm a r i z e d.T h ep r i n t i n gh e a do f3 Dp r i n t i n gc o n c r e t ee q u i p m e n t a c c o r d i n g t o i t s f u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c sw a s i n t r o d u c e d,m e a n w h i l e,i t s s t r
11、u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ew a sa n a l y z e d.K e yw o r d s:3 Dp r i n t i n g;c o n c r e t e;p r i n t i n gh e a d;s t r u c t u r a l d e s i g n0 引 言1 9 9 7年,美国纽约伦斯勒理工学院J o s e p hP e g n a1首次对3 D打印混凝土技术进行了探索。3 D打印混凝土技术到现在已有2 0多年的发展历程,其主流成型工艺有轮廓工艺2、D型工艺3、混凝土打印工艺4-5、网模工艺6、滑
12、模工艺7和混凝土喷射成型工艺8。提高3 D打印混凝土成型效率和3 D打印成型件性能的研究主要围绕3 D打印混凝土设备的打印喷头装置的功能与结构展开9,包括混凝土的配筋方式1 0、添加剂的混入方法1 1、多组元混凝土挤出结构设计、喷嘴形状设计1 2等研究方向。本文按照不同的研究方向分析了3 D打印混凝土设备的打印喷头的组成结构、功能特征以及工作原理。1 基于配筋增强工艺的打印喷头设计混凝土是一种脆性材料1 3,传统建筑建造通常采用预先构架钢筋模板,然后浇筑混凝土的施工方式来提高混凝土建筑的韧性。3 D打印混凝土工艺也可以通过配筋方式来显著提高建筑物的机械性能。3 D打印混凝土技术以增材制造方式生
13、成实体虽然提高了建造物结构设计的自由度,但也增加了配筋工艺的难度,是打印喷头结构设计的难点。目前,3 D打印混凝土技术通常在混凝土材料中添加纤维、同步送丝和预置钢筋模板三种配筋增强方式,所设计的打印喷头也各不相同。1.1 纤维增强混凝土的打印喷头设计以纤维作为加强筋添入打印耗材以提高打印构件强度的研究中,常用的增强纤维有碳纤维、玻璃纤维、钢纤维、玄武岩纤维、聚合物纤维等1 4。N e m a t o l l a h i等1 5使用的3 D打印混凝土设备喷头如图1(a)所示,打印喷头设计了一个4 5 倾斜的方形喷嘴,开口尺寸为2 5mm1 5mm,使得聚对苯撑苯并二噁唑纤维、聚乙烯醇、聚丙烯等聚
14、合物纤维增强混凝土浆料顺利挤出,打印构件强度分别提升了1 7%、2 3%和3 4%。H a m b a c h等1 6采用碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维增强硅酸盐水泥浆体时,使用的打印喷头如图1(b)所示,形状与漏斗类似。打印喷头的喷嘴根据短纤维的长度(36mm)设计成倒锥形,末端直径为2mm,目的是使挤出的打印耗材中的纤维沿路径摆放。L o n g(龙武剑)等1 7在研究含微晶纤维素的水泥基复合材料的流变性和可建造性时使用的3 D打印设备如图1(c)所示,该设备的打印喷头采用圆形喷嘴,工作时直接将掺入微晶纤维素的打印耗材倒入打印喷头内。(a)漏斗形打印喷头(b)4 5 倾斜打印喷头(c)龙武剑
15、使用的打印喷头图1 短纤维增强混凝土的打印喷头F i g.1 P r i n t i n gh e a d s f o r s h o r t f i b e r sr e i n f o r c e dc o n c r e t e1.2 同步送丝打印喷头的设计针对长纤维、钢丝这类长丝增强打印构件强度的方法,国内外开发出了同步送丝成型工艺。在该工艺中,打印喷头处安装送丝机构使长丝与混凝土浆料同时加载到打印平面上。M e c h t c h e r i n e等1 8为将长纤维材料加入3 D打印混凝土中,设计了一种外置同步送丝装置用于在连续打印混凝土过程中掺入纤维材料。如图2所示,送丝装置移动
16、速度与打印喷头移动速度相同,打印开始时,挤出机构和送丝机构同时工作,长纤维被混凝土覆盖在下方,如此反复直至构件打印完成。与M e c h t c h e r i n e使用的送丝原理类似,图3(a)、(b)、(c)分 别 展 示 了L i m1 9、B o s2 0、M a2 1、L i2 2等使用钢丝作为增强3 D打印混凝土构件强度的加强筋,在打印喷头处设置由步进电机控制的送丝机构,实现埋入钢丝与打印混凝土同步进行。S a l e t等2 3在2 0 1 8年使用3 D打印建造技术建造了一座自行车桥,为防止配筋过程中钢筋将打印混凝土细丝割裂,研究团队开发出新的打印喷头结构,如图3(d)所示,
17、并探究了不同加筋方式对打印结构强度的影响。经验证,使用图3(e)这种结构能够使层与层之间黏合得更牢固,而且可以防止钢筋在嵌入过程中从混凝土抽离。赵学庆等2 4则将送丝装置集成到打印喷头内部,如图3(f)、(g)所示。螺旋搅拌轴内部设置送丝装置,用于输送缠绕钢丝或长纤维丝。212大 连 工 业 大 学 学 报第4 2卷图2 同步送丝的混凝土3 D打印过程F i g.2 T h ec o n c r e t e3 Dp r i n t i n gp r o c e s so f s y n c h r o n o u sw i r e f e e d i n g(a)L i m使用带有同步送丝装置
18、的打印喷头示意图(b)B o s使用的打印喷头(c)M a使用的打印喷头(d)S a l e t使用的打印喷头(e)S a l e t的打印喷头结构(f)赵学庆使用的打印喷头(g)赵学庆使用的出丝结构图3 钢丝加强打印构件强度的打印喷头F i g.3 T h ep r i n t i n gh e a d su s i n gs t e e lw i r e t os t r e n g t h e nt h es t r e n g t ho fp r i n t i n gc o m p o n e n t1.3 预置钢筋的打印喷头的设计在网模工艺和滑模工艺中,将钢筋预先制成钢筋模板,3
19、D打印混凝土设备在预置钢筋上逐层打印。A s p r o n e2 5和H a c k2 6等开发出网模打印工艺,使用机械臂对钢筋结构和混凝土同时建造。该工艺设计了一种可以在输送钢筋过程中对钢筋进行弯曲、焊接的机械手,如图4(a)所示,可协同打印喷头边布筋边打印。C l a s s e n等1 2提出了3 D打印钢筋混凝土增材制造成型工艺,该工艺使用双头喷头可实现钢筋网和混凝土的同步建造,如图4(b)所示。华商腾达建筑公司采用预配筋方法,在钢筋网两侧通过两个喷嘴进行逐层打印,其使用的打印喷头如图4(c)所示2 7。使用钢丝增强3 D打印混凝土构件强度的方法可以显著提高打印构件的抗拉性能和韧性,
20、但钢丝只能沿着打印喷头设置的路径铺设,对于打印路径垂直方向并不能实现抗拉性能和韧性的提升。为了解决这一状况,M a r c h m e n t等2 8采用钢丝网增强3 D打印混凝土构件强度,并设计出相应的打印喷头。如图4(d)所示,打印喷头的喷嘴部分被设计成了两头挤出合并打印的方式,中间留出用于架设钢丝网的狭缝,钢丝网通过由步进电机驱动的卷轴进行架设,利用每层混凝土沉积时使钢丝网部分重叠,使钢丝网的高度略高于打印层高,大大提高了打印结构的强度。(a)网模打印工艺(b)双头打印喷头(c)双面打印喷头(d)M a r c h m e n t设计的可包裹钢丝网打印示意图图4 使用钢筋加强打印构件的打
21、印喷头F i g.4 T h ep r i n t i n gh e a d su s i n gs t e e l r e i n f o r c e m e n t t os t r e n g t h e nt h ep r i n t e dc o m p o n e n t s2 添加外加剂的打印喷头设计3 D打印混凝土常用的外加剂通常有以下几类:用于减少打印耗材含水量的减水剂;调节打印耗材凝结时间及硬化性能的速凝剂、缓凝剂;改善312第3期张慧等:3 D打印混凝土打印喷头的研究进展打印耗材耐久性能的阻锈剂;改善打印耗材其他性能的防冻剂、膨胀剂等2 9。外加剂的掺和方式主要有干混和湿
22、混两种3 0。与短纤维材料的掺入方式相同,外加剂多数采用干混掺和方式,因而设计打印喷头时对结构上没有特殊要求。R e i t e r等1 1通过在打印喷头料筒搅拌位置连接用于输送速凝剂的管路,如图5(a)示,利用气流将速凝剂输送至料筒内,打印喷头内部螺旋杆做了需求集成的处理,螺旋杆同时担任混合速凝剂与混凝土浆料、搅拌挤出的角色。W o l f s等3 1-3 4使用的3 D打印设备,其打印喷头如图5(b)所示,通过外置泵送系统将混合好的混凝土浆料通过打印喷头一侧的软管泵送进打印喷头内。R u s h i n g等3 5在研究外加剂掺入混凝土混合料时使用柱塞式3 D打印混凝土设备,将锥形喷嘴焊接
23、到挤出机上,如图5(c)所示。C h e n(陈明旭)等3 6使用了一台名为“陶瓷艺术家”的3 D打印设备来测试缓凝剂与硅藻土改性3 D打印硫铝酸盐水泥浆体的流变参数,缓凝剂与速凝硫铝酸盐水泥干混后再与水进行混合,输送进打印喷头后由内部螺旋杆二次搅拌后挤出,装置结构如图5(d)所示。(a)R e i t e r使用的打印喷头(b)W o l f s使用的打印喷头(c)R u s h i n g使用的打印设备(d)陈明旭使用的打印喷头图5 使用外加剂设计的打印喷头结构F i g.5 P r i n t i n gh e a ds t r u c t u r ed e s i g n e du s
24、 i n ga d m i x t u r e基于经济效益和技术方案等方面的考虑,外加剂的掺和方式都采用干混,其打印喷头结构较为简单,只需要保证混凝土浆料顺利挤出且不发生堵塞。相较于干混,在使用湿混时需要考虑其外加剂的添加时机、浆料的流动速度、混凝土的凝结时间等因素。S a l v a d o r等3 7采用湿混方法加入促进剂,使用的打印喷头包含3个管道入口,分别为砂浆、促进剂和压缩空气,浆料和促进剂在打印喷头内混合后由压缩空气带动喷出,打印喷头如图6所示。对于湿混方法,C h e n等3 8指出打印喷头的进水口越多,其混合均匀性越好。同时,T a o等3 9指出在喷射混凝土时有必要使用压缩空
25、气,虽然湿混通常采用泵送方式,但压缩空气能够增加混凝土浆料与外加剂的混合均匀度,因此添加剂湿混方式相较于干混设计的打印喷头,其结构较为复杂。图6 S a l v a d o r进行喷射混凝土使用的打印喷头F i g.6 P r i n t i n gh e a du s e db yS a l v a d o r f o rs h o t c r e t e3 针对打印构件外表面质量的打印喷头的设计3 D打印混凝土构件的表面质量也是一项重要的评判标准,这方面最具代表性的就是轮廓工艺4 0。如图7所示,轮廓工艺使用的打印喷头由刮刀、进料缸、活塞和通过喷嘴挤出材料的螺纹推料杆组成,其中刮刀又分为顶
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