基于機械臂的大空間殼體混凝土3D打印方法研究*

孫金橋,霍 亮,汪 登,陳權要,周 燕

(1.中建工程產業技術研究院有限公司,北京 101300; 2.華中科技大學國家數字建造技術創新中心,湖北 武漢 430074; 3.華中科技大學土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

混凝土3D打印作為一種數字化、智能化的建造方式,建造成型速度快、無需模板、節約成本、自動化施工減少了勞動力需求,在建筑業已有較多應用[1-2]。如今,許多建筑公司和專家學者研究使用混凝土3D打印建造個性化和幾何形狀復雜的結構構件和房屋,如Burger等[3]基于水泥基材料設計并打印了2.7m×2.7m的帶肋混凝土樓板;Xu等[4]基于移動機器人在河北武家莊現場建造了具有三維拱形屋頂和參數化紋理墻體的農房。

目前常見的混凝土3D打印成型工藝分2種,一種是基于粉末沉積的打印工藝[5];另一種是基于混凝土擠出的打印工藝(3DCP)[6]?；诜勰┏练e的打印結構強度更高,而基于混凝土擠出的打印工藝建造速度更快,成型精度更高,更適合大規模建筑3D打印?；炷?D打印設備方面,主要有龍門架式和機械臂式2種[7]。龍門架式打印設備有3個自由度,打印范圍受龍門架的封閉體積限制,而機械臂式打印設備具有6個自由度,靈活性更高,可與移動平臺相結合,打印范圍更廣,能夠實現復雜的建筑結構形式。

此外,混凝土3D打印的路徑規劃對打印的實施、效率和成型質量控制至關重要[8]。國內外學者針對連續打印路徑提出了不同的刀具打印路徑規劃方法,如費馬螺旋路徑[9]和螺旋之字形路徑[10],但缺少將復雜結構模型切片精確轉化為混凝土3D打印設備運動指令的研究。

本文提出了一個從設計到打印的大空間殼體結構工作流程,對混凝土材料的打印性能進行了評估,最后在實驗室條件下進行打印試驗驗證。

1 基于機械臂的殼體結構打印路徑規劃

1.1 大空間殼體結構模型切片

基于混凝土3D打印工藝,提出了一種仿生蛋殼曲面的雙層加肋殼體結構,如圖1所示,該結構的空間利用率高,并且能將所受壓力均勻地擴散到整個曲面上。在此基礎上,最外層曲面設置褶皺波紋,能提升殼體的剛性,同時使打印出的混凝土結構更具藝術性。

圖1 大空間殼體結構Fig.1 Large space shell structure

從建筑結構模型的設計到使用機械臂進行自動化建造需經過設計、分層切片、機械臂運動規劃與仿真等多個階段,本文建立了一個多軟件協同工作與格式轉化的工作流程,如圖2所示。首先,基于三維模型設計軟件Rhino設計出適用于3D打印的建筑結構,導出.stl格式文件;然后基于切片軟件Simplify 3D對設計結構的打印路徑進行規劃,導出.gcode格式文件;接著通過Python程序將.gcode文件的打印路徑點提取出來,同時篩除一些距離過近的路徑點,導出文本.txt文件,最后在ABB機械臂操作軟件Robot Studio中將文本文件轉化為程序指令,并讀取指令,實現機械臂的打印仿真。

圖2 機械臂3D打印工作流程Fig.2 Robotic arm 3D printing workflow

對模型進行切片后的虛擬打印過程如圖3所示,根據打印使用的噴嘴直徑,設置層寬為20mm,打印層高一般為層寬的0.4～0.6倍[11],能夠使混凝土層間具有良好的黏結性能,故設置層高為10mm。同時,為了能夠讓噴嘴連續不斷地擠出混凝土材料,打印路徑要盡量實現“一筆畫”,對于這里的雙層加肋殼體結構,打印順序是前一層先從內部墻體到中間加肋層再到外部墻體,然后下一層與前一層相反,2層一個循環。門洞部分作為結構的開口,不能直接打印,需要輔助支撐,而采用混凝土材料打印支撐,成型后難以拆除,故采用泡沫板作為支撐。

國內外一些學者對混凝土3D打印傾斜角度進行了研究[12],一般打印速度越慢,層間間隔越長,打印的傾斜角度越大,但最大不超過45°。對于此殼體結構,頂部傾斜角度過大,且頂的下方為中空,難以建立支撐,故將結構頂部與主體分為兩階段切片打印。

1.2 六自由度機械臂虛擬仿真打印

如圖4所示[13],六自由度機械臂由底座、腰部、大臂、小臂、電機和末端執行器(打印噴頭)組成,具有6個運動關節,每個關節配有1個電機進行控制。

圖4 機械臂組成結構Fig.4 The structure of robotic arm

基于六自由度機械臂的殼體結構虛擬仿真打印在Robot Studio軟件中完成。導入打印路徑代碼后,需根據結構的實際打印位置設置打印物體的工件坐標系和打印噴頭的工具坐標系,以打印噴頭末端為參考點設置TCP追蹤,在仿真時就能查看到打印噴頭末端的運動路徑。

機械臂具有2種運動模式,分別是Move J和Move L。Move J的運動軌跡為弧線,用于大范圍移動,Move L的運動軌跡為直線,當路徑點較密時,可能出現死機。如圖5所示,每行路徑代碼包含機械臂運動模式、目標點坐標、機械臂位姿、移動速度等信息,黑色框代表當前機械臂運動所處的位置和姿態,紅色框表示機械臂計算求解到即將運行的運動位置和姿態。導入運動路徑代碼并應用后,就能對機械臂打印殼體結構過程進行可視化虛擬仿真,檢測機械臂是否與打印結構發生碰撞,以及是否出現機械臂無法運動到達的位置(奇點),當出現碰撞或奇點時,需要重新對殼體結構打印路徑進行軌跡規劃。

圖5 機械臂虛擬仿真3D打印Fig.5 Robotic arm virtual simulation 3D printing

2 混凝土3D打印材料

2.1 原材料與配合比

由于混凝土3D打印是通過擠出打印材料并層層堆疊成型,因此對打印材料的性能要求相較于傳統混凝土材料更加嚴格,成分也更加復雜[14]。制備混凝土3D打印的原材料包括硅酸鹽水泥、硫鋁硅酸鹽水泥、調凝劑、石英砂、減水劑、纖維和水,水膠比為0.37,各原材料每立方米質量組分如表1所示。

表1 混凝土3D打印材料配合比Table 1 Concrete 3D printing material mix ratio (kg/m3)

其中,硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料,強度等級為42.5,硫鋁酸鹽水泥能顯著提高混凝土材料的早期強度;調凝劑包括緩凝劑、早強劑和速凝劑,目的是調控打印材料的凝結時間;混凝土3D打印材料不含粗骨料,石英砂作為細骨料,粒徑范圍為80～120目(124～178μm);減水劑為高性能粉體聚羧酸減水劑,能夠在不改變材料和易性的同時減少拌合水的用量;添加聚丙烯微纖維增強混凝土3D打印材料的抗裂性能和抗拉強度,同時不影響打印材料的流變性能。

2.2 材料性能

混凝土3D打印的材料性能要求與普通混凝土不同[15-16],既要具有流動性能夠從噴頭中擠出,又要有一定的屈服應力能夠支撐后續層的打印。因此,在進行大空間殼體結構打印試驗前,需對材料的流動性、凝結時間、可擠出性和可建造性進行測試和評估。

1)流動性

良好的流動性是混凝土3D打印材料需要滿足的重要條件之一,材料的流動性會影響可擠出性和可建造性。跳桌試驗是測量水泥基材料流動性的常見方法之一[17]。將攪拌均勻的砂漿材料裝填到截錐圓模中,取走圓模并啟動跳桌,以每秒一次的頻率完成25次跳動,跳動完畢用卡尺測量材料2個垂直方向的流動直徑并取平均值,用來表示該砂漿材料的跳桌流動度。如圖6所示,該打印材料的跳桌流動度為185mm,根據經驗,跳桌流動度在180～200mm的砂漿材料適用于3D打印,過低或過高都會影響材料的成形效果。

圖6 跳桌試驗Fig.6 Table jumping test

2)凝結時間

混凝土3D打印材料的凝結時間一般是指可擠出時間,即從加水到失去可擠出性的時間,凝結時間與材料的成形強度有關,混凝土3D打印材料的凝結時間要明顯快于普通混凝土材料,但在打印過程中,材料從攪拌到泵送再到擠出需要一定時間,如果材料的凝結時間過快,就會導致材料在還沒有泵送或者泵送的過程中硬化,從而無法正常擠出。

參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》,凝結時間采用SN-100數顯式砂漿凝結時間測定儀進行測試,室內溫度為20℃,如圖7所示,試針的截面積Ap為30mm2,將攪拌均勻的砂漿材料裝入試模內,按壓壓桿將試針緩慢垂直插入砂漿25mm,記錄此刻壓力顯示器的數值Np(單位為N),然后松開壓桿,之后每隔一段時間重復一次,直到阻力值達到0.7mPa為止,材料的貫入阻力值Fp計算如下式:

圖7 混凝土3D打印凝結時間測定Fig.7 Concrete 3D printing setting-time test

(1)

計算得到的混凝土3D打印材料強度隨時間的變化曲線如圖8所示,可以看出,材料在加水后的前30min還沒進行反應,強度提升較慢,因此在進行實際打印試驗時,材料加水后需要攪拌一段時間,直到材料開始發生水化反應再進行泵送,此時材料強度提升快,能夠在擠出后迅速硬化,從而不會因為上層的擠壓而發生變形,大概1h左右,材料會失去塑性,達到初凝狀態。

圖8 材料強度隨時間變化曲線Fig.8 Material strength curve with time

3)可擠出性

可擠出性是混凝土材料連續從噴嘴中擠出的能力,與材料的流動性密切相關,目前沒有統一的評價標準,可通過用手擠壓攪拌好的混凝土材料,觀察材料是否順暢地從掌心之間流出,材料狀態是否達到類似牙膏的非牛頓流體來判斷可擠出性是否達到要求?；?.1節的材料配合比,通過預試驗打印了2段40cm的混凝土條,如圖9所示,沒有出現斷裂情況,表明該配合比下的打印材料可擠出性良好。

圖9 材料擠出效果Fig.9 Material extrusion results

4)可建造性

可建造性是混凝土在擠出后能夠支撐后續層擠壓的能力。因此,測試它的方法與可建造的層數有關,在混凝土發生過度變形或倒塌之前,能夠堆疊的層數越多,表明材料的可建造性越好。如圖10所示,基于2.1節的材料配合比,通過預試驗打印了1個單層空心柱體結構,當結構打印到40層時,仍未出現坍塌,說明該配合比下的打印材料具有可建造性。

圖10 單層空心柱體結構3D打印Fig.10 Single-layer hollow column structure 3D printing

3 混凝土3D打印試驗與結果分析

3.1 打印裝備

混凝土3D打印輸送料系統如圖11所示,主要由混凝土攪拌機、泵機、柔性輸料管和打印機械臂4個部件組成,各部件型號規格如表2所示。通過混凝土攪拌機將干拌料和水混合均勻,泵機將攪拌均勻的打印材料通過螺旋擠出桿輸送到輸料管并從打印噴頭擠出,泵機的選擇與混凝土材料的最大骨料尺寸和水灰比有關,打印機械臂具有6個自由度,執行路徑程序進行打印。泵機和柔性輸料管的連接處安裝有壓力指示器,能反映打印過程中的材料行為。正常泵送料情況下,壓力指示器顯示壓力幾乎為0,當出現材料硬化,流動性降低導致泵送不暢時,壓力指示器會出現跳動,顯示當前輸料管內的壓力大小,此時需要停止打印并檢查設備。

表2 輸送料系統各部件設備參數Table 2 Equipment parameters for each component of the conveying material system

圖11 混凝土3D打印輸送料系統Fig.11 Concrete 3D printing conveying material system

混凝土3D打印的另一個關鍵部件是打印噴頭,噴頭的設計對混凝土的擠出成形有很大影響。設計了一種雙組分二級噴頭,如圖12所示,混凝土經過泵送從輸料管進入噴頭后,伺服電機轉動二次攪拌送料,同時側邊存在另外一個接口連接蠕動泵,通過10mm硅膠管泵送速凝劑,速凝劑與混凝土在打印噴頭的料斗中經過攪拌充分混合。噴頭底部的噴嘴設計長度為15cm,能夠讓速凝劑和混凝土材料有一定時間進行反應,同時使擠出的材料更加密實。此外,打印噴頭上還安裝了工業相機,監測打印過程中混凝土材料的擠出狀態,當出現斷料或堵塞的情況時可及時做出調整。

圖12 雙組分二級噴頭Fig.12 Two-component secondary spray nozzle

3.2 打印流程

良好的試驗流程對于試驗是否成功至關重要。如圖13所示,在試驗正式開始之前,需要準備好試驗所需的混凝土3D打印材料,經計算,1.5m高大空間殼體結構打印需要850kg材料,考慮到泵機及輸料管內的消耗,準備了1 000kg材料,這些材料按照2.1節中的配合比提前混合好,形成干混料。此外,將調試好的打印程序導入到機械臂控制柜中,通過示教器讀取指令驅動機械臂空走,確認無誤后開始打印。

圖13 3D打印試驗流程Fig.13 3D printing experiment flow chart

一次倒入60kg干混料至混凝土攪拌機中,加入2/3的水混合攪拌,在攪拌過程中加入剩下1/3的水,總攪拌時間10～15min。攪拌完畢后,將混凝土材料倒入泵機中,啟動泵機,材料由于泵機螺旋桿的擠壓力通過輸料管進入打印噴頭,啟動噴頭的伺服電機,觀察材料從噴嘴擠出的狀態,如果材料偏干或偏稀,需及時送回攪拌機重新攪拌,直至材料的擠出效果良好,啟動機械臂進行打印。

打印過程中,混凝土打印材料的擠出效果受到機械臂的移動速度、泵機的泵送速度以及二級噴頭伺服電機轉速等多因素的影響,不匹配的打印參數會導致擠出材料線寬過大或出現斷料無法正常擠出等情況。經過多次預試驗,得到了適合于當前混凝土打印材料的打印工藝參數,如表3所示,每層打印時長控制在60～100s。

表3 3D打印試驗工藝參數Table 3 3D printing experimental process parameters

3.3 打印結果分析

在室溫30℃的環境下開展打印試驗。試驗過程如圖14所示,前三部分為第1階段打印,完成1.5m殼體結構的主體部分,僅在拱門處安置泡沫板作為支撐,整個打印過程中結構未出現坍塌,打印時長約8h;第4部分為第2階段打印,完成1.5m殼體結構的圓頂部分,這部分打印的結構懸挑角度過大,直接打印難以成型,需要依靠支撐,打印時長約2h。

圖14 3D打印試驗過程Fig.14 3D printing experiment process

打印完成后,混凝土材料仍在進行水化反應,需每天澆水養護,防止打印結構出現收縮開裂,導致結構性能降低。養護7d后,結構強度基本達到50%以上,將結構主體與圓頂進行拼裝,成型效果如圖15所示?？梢钥吹?結構成型精度良好,最外層的紋理及仿生蛋殼曲面輪廓清晰可見,但成型質量欠佳,存在裂縫、隆起、表面孔洞等缺陷。

圖15 1.5m殼體結構打印成型效果Fig.15 1.5m shell structure printing result

4 結語

1)提出了一種基于機械臂的混凝土3D打印從設計到建造的工作流程和方法,很好地解決了大空間殼體結構全過程不同階段、不同軟件格式之間的轉化問題,提高了打印路徑規劃的效率。但仍存在局限性,未來需針對混凝土3D打印如何將多個軟件功能集成在一個軟件系統中進行研究。

2)設計了一種用于混凝土3D打印的材料配合比,從流動性、凝結時間、可擠出性、可建造性四方面分別進行測試,結果表明所提出的材料配合比具有良好的打印性能,為混凝土3D打印試驗提供保障。

3)在實驗室環境下進行打印試驗驗證,使用機械臂打印系統分兩階段打印并組裝,成功打印了1.5m高大空間殼體混凝土結構。結構成型精度良好,但出現裂縫、隆起、表面孔洞等缺陷,后續需考慮增加銑削、打磨等工藝改善結構外觀質量,以及進一步研究如何采用自動化監測方法,加強混凝土3D打印的質量控制。