混凝土3D打印設(shè)備開發(fā)及工藝規(guī)劃*

于 穎，秦 天，王 玉

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

傳統(tǒng)的施工工具和方法制約著建筑業(yè)的發(fā)展。一方面，傳統(tǒng)的施工方法使建筑師很難將自己的想象力和創(chuàng)造力付諸實(shí)踐；另一方面，傳統(tǒng)的施工方法也存在施工現(xiàn)場(chǎng)事故率高、資源利用率低、對(duì)環(huán)境造成破壞（噪聲、粉塵、污水、建筑垃圾）以及缺乏熟練勞動(dòng)力等嚴(yán)重的問題。混凝土三維打印技術(shù)是一種數(shù)字化、自動(dòng)化的施工方法，給建筑行業(yè)帶來了變革[1-2]。

目前，大型混凝土3D打印工藝主要有3種：輪廓加工[3]、D-shape和混凝土印刷技術(shù)[1，4]，每一種都有其長(zhǎng)處和短處[5-6]。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)，有3種常見類型：龍門結(jié)構(gòu)[7]、懸索機(jī)器人[8]和機(jī)械臂[9-10]。門式剛架結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性、精度和承載能力，但施工尺寸受機(jī)械設(shè)備的限制；電纜機(jī)器人相對(duì)便宜，易于運(yùn)輸、拆卸和重新組裝，但控制難度大，容易與施工中的結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞；機(jī)器人手臂便于攜帶到施工現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)有的機(jī)器人手臂和控制系統(tǒng)龐大，易于實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)作，但機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍有限，有些位置無法直接到達(dá)且控制難度較大。

混凝土三維打印技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，目前大多數(shù)研究者只關(guān)注具體3D打印的一個(gè)方面，沒有系統(tǒng)的開發(fā)和工藝設(shè)計(jì)。且現(xiàn)有的混凝土3D打印解決方案都是從提高系統(tǒng)效率的角度考慮[10-11]。本文認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先考慮建筑物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及外觀，因此對(duì)混凝土三維打印系統(tǒng)及工藝進(jìn)行了開發(fā)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 混凝土3D打印系統(tǒng)開發(fā)

混凝土三維打印系統(tǒng)由框架結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、供料和擠出系統(tǒng)組成，如圖1所示。框架結(jié)構(gòu)采用龍門式結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)擠出頭在空間中的移動(dòng)和定位。控制系統(tǒng)通過對(duì)伺服電機(jī)的耦合控制，控制打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)和混凝土的擠出。進(jìn)料擠出子系統(tǒng)包括混凝土攪拌機(jī)、蠕動(dòng)泵和擠出機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)將混凝土漿體混合均勻后輸送至擠出機(jī)構(gòu)，并通過螺桿將混凝土擠出至打印體。

圖1 混凝土3D打印系統(tǒng)組成

1.1 框架結(jié)構(gòu)

大規(guī)模的混凝土三維打印，不僅意味著擠出頭的尺寸更大，而且要求驅(qū)動(dòng)噴頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)必須足夠大，才能將施工中的結(jié)構(gòu)完全封閉起來。當(dāng)目標(biāo)建筑物大于打印機(jī)機(jī)架時(shí)，必須進(jìn)行分布式打印，即先打印零件，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。為了準(zhǔn)確地控制混凝土的擠出，減少混凝土擠出的時(shí)間延遲，必須在噴嘴附近設(shè)計(jì)擠出機(jī)構(gòu)，這意味著機(jī)械結(jié)構(gòu)必須具有較高的承載能力。針對(duì)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了2種用于大體積混凝土三維打印的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2種設(shè)計(jì)都是龍門結(jié)構(gòu)。擠出頭的X-Y-Z位置由笛卡爾龍門機(jī)器人控制，以保證噴嘴的控制精度。與機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和纜索結(jié)構(gòu)相比，龍門結(jié)構(gòu)具有整體剛度高、精度高、承載能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。第一種結(jié)構(gòu)為帶噴嘴的龍門系統(tǒng)在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝的2條平行車道上移動(dòng)，如圖2（a）所示。這種結(jié)構(gòu)可以一次在同一條線上打印多個(gè)房屋，有利于提高打印效率。主梁采用桁架結(jié)構(gòu)，充分利用材料的強(qiáng)度，減輕自重。這種結(jié)構(gòu)重量輕、易于拆卸，使現(xiàn)場(chǎng)印刷房屋更加可行，但桁架梁的撓度大、剛度小、可靠性較低。特別是當(dāng)主梁頻繁啟停時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。第二種結(jié)構(gòu)為輕鋼框架結(jié)構(gòu)，其剛性好、定位精度高，但建筑結(jié)構(gòu)的尺寸受框架尺寸的限制。這個(gè)結(jié)構(gòu)不能一次打印多個(gè)建筑物，因此，經(jīng)常被用于實(shí)驗(yàn)或印刷預(yù)制和小型建筑。

圖2 混凝土3D打印機(jī)框架結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)X-Y-Z軸運(yùn)動(dòng)、噴嘴旋轉(zhuǎn)和材料擠出的耦合控制，即多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制。混凝土3D打印通常用于打印房屋墻壁，墻體應(yīng)具有足夠的承載力和良好的抗震性能。混凝土的可泵送性、可擠出性和抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化而變化，必須在一定時(shí)間內(nèi)將材料從噴嘴擠壓到適當(dāng)?shù)奈恢谩娮斓倪\(yùn)動(dòng)速度與材料的擠出速度之比是恒定的，這取決于材料的性能。當(dāng)移動(dòng)速度過快時(shí)，材料表面會(huì)出現(xiàn)裂紋；當(dāng)擠壓速度過快時(shí)，物料堆積過多，導(dǎo)致擠壓寬度過寬。因此，控制系統(tǒng)必須具有以下特點(diǎn)：

（1）控制系統(tǒng)必須具有高精度、良好的調(diào)速能力和高穩(wěn)定性；

（2）控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須具有足夠的承載能力，頻繁啟停時(shí)振動(dòng)較小；

（3）控制程序應(yīng)易于編寫和修改；

（4） 具有良好的人機(jī)交互界面，用戶可以通過人機(jī)交互界面操作系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊；

（5）良好的可擴(kuò)展性，這將有助于在設(shè)備上增加新的模塊，并有助于改進(jìn)設(shè)備。

與單片機(jī)和PLC系統(tǒng)相比，CNC（Computer Numeri?cal Control）系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制，具有精度高、可靠性好的特點(diǎn)。CNC系統(tǒng)有完整的控制語言G代碼。G代碼的規(guī)則很容易理解。通過G代碼的路徑碼可以清楚地觀測(cè)到擠出頭的位置坐標(biāo)以及加工路徑。在當(dāng)前的三維打印技術(shù)中，G代碼作為運(yùn)動(dòng)控制器的控制碼也得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3 供料和擠出系統(tǒng)

1.3.1 供料系統(tǒng)

供料和擠出系統(tǒng)負(fù)責(zé)將混凝土砂漿均勻地混合，然后將其輸送到擠出頭的末端，并最終將其沉積在印刷體上。

在混凝土的三維打印中，每棟建筑都需要大量的混凝土材料。進(jìn)料子系統(tǒng)負(fù)責(zé)混凝土（水泥、砂、粗骨料、水）的混合，然后通過管道將混凝土輸送到料斗。攪拌混凝土的主要目的是獲得一種均勻、易加工的混凝土漿料。泵的主要用途是為混凝土輸送提供動(dòng)力。根據(jù)混凝土的特點(diǎn)，泵的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：（1）泵必須提供足夠的壓力來推動(dòng)混凝土在管道中的流動(dòng)；（2）速度可調(diào)，泵脈沖小；（3）混凝土是一種磨蝕性材料，泵體應(yīng)便于拆卸清洗和零件修理。

本文采用的是蠕動(dòng)泵，蠕動(dòng)泵是一種容積泵，通過改變密封腔的容積來提供壓力。泵的轉(zhuǎn)速可以通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。蠕動(dòng)泵沒有閥門、密封件和密封管，維修成本低，只有軟管或管道是維護(hù)項(xiàng)目。蠕動(dòng)泵具有溫和的低剪切泵效，其工作是可逆的，電機(jī)反向工作時(shí)可以用來清洗管道。需要注意的是，當(dāng)使用蠕動(dòng)泵時(shí)，必須避免泵送空氣，這將導(dǎo)致出口壓力的突然變化（產(chǎn)生大的脈沖）。

圖3 供料系統(tǒng)實(shí)物圖

1.3.2擠出系統(tǒng)

從遠(yuǎn)端泵送的混凝土材料會(huì)產(chǎn)生脈沖、不均勻供料和延時(shí)現(xiàn)象。為了保證沉積速度在任何時(shí)候都可以完全控制（混凝土流動(dòng)可以隨時(shí)開始和停止），必須在噴嘴附近設(shè)計(jì)擠出系統(tǒng)。擠出系統(tǒng)負(fù)責(zé)將混凝土材料從料倉擠出到噴嘴末端，并將其沉積在建筑物上。擠出系統(tǒng)必須滿足以下條件：（1）響應(yīng)速度快；（2）擠出速度可調(diào)；（3）在連續(xù)印刷過程中，必須保持混凝土供應(yīng)的連續(xù)性和均勻性；（4）擠出混凝土流動(dòng)的脈動(dòng)小。為滿足上述要求，設(shè)計(jì)了由料倉、預(yù)攪拌桿、電機(jī)、螺桿、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和噴嘴組成的擠出系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 擠出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）料倉

料倉是存放混凝土材料的地方，如圖4所示。漏斗是一個(gè)中空的圓筒，下面有漏斗形狀。混凝土粘稠，漏斗狀料倉有利于物料完全流出。料倉上共設(shè)計(jì)有2個(gè)供料口，其中大的供料口可進(jìn)行人工供料，并隨時(shí)檢查料斗內(nèi)液面高度、清洗料倉等。料倉的大小是有限的，人工供料只能在試驗(yàn)階段進(jìn)行。為了保證加工效率，在施工階段必須通過管道連續(xù)進(jìn)料。因此設(shè)置了小供料口，用以通過管道進(jìn)行連續(xù)供料。料倉內(nèi)的液面高度會(huì)影響擠出螺桿的初始?jí)毫ΓM(jìn)而影響擠出效果。因此在印刷過程中，必須保證料倉中的物料是一定量的。本文通過無線攝像機(jī)監(jiān)控料斗中的液位，并通過調(diào)整蠕動(dòng)泵的進(jìn)料速度來實(shí)現(xiàn)料倉內(nèi)混凝土頁面高度恒定。

（2）預(yù)攪拌機(jī)構(gòu)

在混凝土3D打印中，既要保證混凝土在供料管道及料倉內(nèi)的流動(dòng)性較高，便于擠出；又要保證混凝土在擠出至打印建筑時(shí)能夠很快凝固達(dá)到一定的早期強(qiáng)度，以支撐后續(xù)打印并保持自身形狀不發(fā)生大的改變。因此用于混凝土立體印刷的混凝土砂漿通常會(huì)加入速凝劑以加快固化速度。混凝土砂漿是一種具有觸變性的賓漢姆體。觸變性是指物體在剪切時(shí)稠度降低，在停止剪切時(shí)稠度增加的特性。預(yù)攪拌機(jī)構(gòu)就是用來提高料倉內(nèi)混凝土砂漿的流動(dòng)性，通過電機(jī)帶動(dòng)預(yù)攪拌葉片旋轉(zhuǎn)，為料斗內(nèi)的混凝土提供連續(xù)剪切力，防止混凝土砂漿流動(dòng)性降低。預(yù)攪拌機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖5所示。預(yù)攪拌葉片下方與豎直平面呈45°，還可以為料倉中的混凝土提供向下的壓力，利于混凝土的擠出。

圖5 預(yù)攪拌葉片

（3）噴嘴

打印頭的末端是噴嘴，噴嘴是一個(gè)空心組件，具有指定的橫截面，混凝土從中離開打印機(jī)并沉積在打印建筑物表面。噴嘴可以有不同的形狀，包括圓形、橢圓形、矩形和其他形狀。本文所用噴嘴采用塑料ABS熔融沉積成型，其形狀、尺寸可任意設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，矩形噴嘴更適合于輪廓技術(shù)的快速成型[12-13]。矩形噴嘴不僅可以提供良好的層間結(jié)合強(qiáng)度，也能創(chuàng)建所需的外部輪廓，減小階梯效應(yīng)。但是矩形噴嘴對(duì)方位要求較高，矩形噴嘴在轉(zhuǎn)角處容易造成打印體扭曲以及層間間隙，如圖6所示。因此必須添加新的自由度來控制噴嘴的旋轉(zhuǎn)，使噴嘴的方向始終與刀具路徑相切。本文設(shè)計(jì)了噴嘴的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)帶動(dòng)齒輪及噴嘴旋轉(zhuǎn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖6 矩形噴嘴轉(zhuǎn)角的扭曲

圖7 擠出螺桿結(jié)構(gòu)圖

（4）螺桿

螺桿負(fù)責(zé)將混凝土從料斗中擠出至打印建筑物上，其原理為：利用電機(jī)帶動(dòng)帶有螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使物料產(chǎn)生沿螺旋面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而物料受筒壁的摩擦力不與螺桿一起旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿產(chǎn)生對(duì)混凝土的軸向推力，實(shí)現(xiàn)混凝土的軸向移動(dòng)。螺桿擠出具有擠出均勻、無脈沖的特點(diǎn)，可使打印建筑物表面平整。在一定范圍內(nèi)，噴嘴出口流量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比。螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)不僅可以對(duì)混凝土產(chǎn)生向下推力，還對(duì)混凝土施加剪切力，改善其流動(dòng)性。通過對(duì)比分析，本文采用單螺桿、矩形截面定螺距螺桿作為混凝土3D打印機(jī)噴頭的螺桿輸送元件，如圖7所示。其中， β為螺旋升角，螺旋升角為螺桿齒側(cè)與螺桿端部形成的角度；P為螺距，指螺桿葉片環(huán)繞螺桿一周的軸向距離；D為螺桿直徑；δ為葉片厚度。

螺桿必須產(chǎn)生足夠的壓力，以確保材料的致密性和印刷表面的質(zhì)量。本文從打印效率，打印質(zhì)量的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了螺桿參數(shù)：D=60 mm，P=48 mm，d=10 mm，δ=4 mm。利用ANSYS Workbench對(duì)螺桿及套筒內(nèi)的混凝土進(jìn)行了流固耦合分析。其中，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min，仿真結(jié)果如圖8所示。套筒內(nèi)的混凝土砂漿均處于流動(dòng)狀態(tài)且套筒內(nèi)的混凝土砂漿有明顯的速度梯度，表明螺桿對(duì)物料的剪切及混合作用較為明顯。從螺桿所受壓力圖可看出，螺桿朝向輸出端的壓力明顯大于背面葉片的壓力，說明螺桿對(duì)混凝土砂漿起到了推動(dòng)作用。本文的螺桿采取輸入端軸承固定，輸出端懸空的方式。從螺桿形變圖可看出，輸出端形變量最大，且僅為3.78×10-5m，遠(yuǎn)小于螺桿葉片與筒壁之間的距離。

圖8 ANSYS對(duì)螺桿及混凝土砂漿的流固耦合分析圖

2 混凝土3D打印工藝規(guī)劃

混凝土3D打印工藝規(guī)劃是指通過混凝土3D打印機(jī)，從原材料輸入到成品輸出的連續(xù)打印的全過程。包括：（1）材料制備及運(yùn)輸過程；（2）模型設(shè)計(jì)、修改、切片、程序?qū)氪蛴C(jī)；（3）工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，如圖9所示。

泵送混凝土前，必須事先編制打印程序，并導(dǎo)入控制系統(tǒng)。在泵送過程中，混凝土與管壁之間存在較大的摩擦。為了提高混凝土在管道中的流動(dòng)性，便于運(yùn)輸，在泵送混凝土前必須對(duì)管道進(jìn)行濕潤(rùn)處理。濕潤(rùn)管道的方法是泵送稀釋的混凝土泥漿。清洗管道后，管道中會(huì)殘留一些水，影響混凝土的性能。泵送混凝土后，必須對(duì)部分混凝土進(jìn)行擠壓，以測(cè)試其稠度和流動(dòng)性。待測(cè)得的混凝土性能符合要求后，方可執(zhí)行打印程序。

設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的三維模型數(shù)據(jù)格式多種多樣，如dwg、stp、slprt、stl等，這些原始數(shù)據(jù)文件不能直接作為三維打印的輸入數(shù)據(jù)，必須通過切片軟件轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，以便進(jìn)行三維打印。切片還包括了對(duì)打印路徑的設(shè)計(jì)，并將切片文件存儲(chǔ)為G代碼格式，這是一種可以由打印機(jī)直接讀取和使用的文件格式。印刷的路徑和方向?qū)ㄖ锏牧W(xué)性能有很大的影響，特別是加入聚丙烯纖維后，材料的各向異性更大。因此，在生成混凝土三維打印的刀具路徑時(shí)，必須考慮建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

圖9 混凝土3D打印工藝規(guī)劃

3 實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)的目的：（1）測(cè)試混凝土3D打印設(shè)備的性能；（2）確定印刷工藝參數(shù)；（3）發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際印刷中的問題。本文利用混凝土3D打印機(jī)做了實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并打印了幾個(gè)模型。通過實(shí)驗(yàn)，最終確定了混凝土材料配比及混凝土3D打印機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土3D打印工藝參數(shù)

印刷細(xì)絲的寬度和質(zhì)量不僅受材料特性的影響，還受擠出速率（通過噴嘴的混凝土流量）和噴嘴運(yùn)動(dòng)速率的影響。為了擠出均勻厚度的層，擠出速度必須與噴嘴的移動(dòng)速度相匹配。如果噴嘴移動(dòng)速度過快，則擠壓材料的寬度小于設(shè)計(jì)寬度，甚至軌跡不連續(xù)（斷裂）。如果噴嘴的移動(dòng)速度太慢，可能會(huì)出現(xiàn)過多的材料堆積，如圖10所示。因此必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)來確定擠出速率和噴嘴運(yùn)動(dòng)速率的比值。

本文設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn)來確定合適的擠壓速度與噴嘴移動(dòng)速度的比值。3組實(shí)驗(yàn)中，噴嘴的運(yùn)動(dòng)速度不同，同一對(duì)照組，噴嘴移動(dòng)速率與螺桿擠出速率比值相同。通過測(cè)量混凝土的寬度，取3組試驗(yàn)的平均值，最終得到合適的擠出/移動(dòng)速度的配合比，如圖10所示。

圖10 混凝土3D打印機(jī)噴嘴移動(dòng)速率和擠出速率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些打印缺陷，本文對(duì)打印缺陷進(jìn)行了分析及改進(jìn)建議：

（1）隨著層數(shù)的增加，下層的混凝土在重力作用下會(huì)發(fā)生變形，甚至導(dǎo)致坍塌，如圖11所示。因此，每個(gè)打印的最大層數(shù)是有限的，必須等到混凝土砂漿初始凝固，并達(dá)到足夠的支撐強(qiáng)度后才能開始打印下一輪。

圖11 混凝土在重力作用下的變形及坍塌

圖12 混凝土交點(diǎn)粘結(jié)性能較差

（2）軌道交叉口混凝土流動(dòng)性差，粘結(jié)能力差。因此，在軌跡的交點(diǎn)處，需要將彼此的一部分嵌入而不是相切，以確保足夠的結(jié)合強(qiáng)度，如圖12（a）所示。

（3）混凝土打印路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度較差，如果每一層在同一點(diǎn)開始和結(jié)束，則性能差的點(diǎn)將連接成一條線，從而降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，如圖12（b）所示。采用分層錯(cuò)縫的方法，可以解決三維印制混凝土節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度差的問題，即不同層的起點(diǎn)與終點(diǎn)相互錯(cuò)開。

4 結(jié)束語

本文介紹了混凝土三維打印的一些特點(diǎn)以及這些特點(diǎn)對(duì)混凝土三維打印系統(tǒng)開發(fā)和工藝規(guī)劃的影響。根據(jù)混凝土的材料特性和大尺寸三維打印的特點(diǎn)，開發(fā)了混凝土三維打印系統(tǒng)，包括框架結(jié)構(gòu)、控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供料與擠出系統(tǒng)。從精度、承載能力和穩(wěn)定性等方面考慮，設(shè)計(jì)了2種龍門式大型立體印刷設(shè)備。選擇數(shù)控系統(tǒng)和伺服電機(jī)作為控制和驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。供料系統(tǒng)的功能是將混凝土砂漿攪拌均勻，并用蠕動(dòng)泵將混凝土連續(xù)泵送至打印機(jī)。為了使混凝土的擠出更為均勻，減少混凝土擠出的延遲，設(shè)計(jì)了一個(gè)由料倉、攪拌機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、螺桿和噴嘴組成的擠出系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)的混凝土三維打印系統(tǒng)，對(duì)混凝土三維打印的工藝流程進(jìn)行了規(guī)劃。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)和工藝的可行性，并對(duì)打印過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析及解決。