覃亞偉，　駱漢賓，　車海潮，　徐　捷

(華中科技大學(xué)　a．湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心； b．土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北　武漢　430074)

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基于擠出固化的建筑3D打印裝置設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

覃亞偉，駱漢賓，車海潮，徐捷

(華中科技大學(xué)a．湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心； b．土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北武漢430074)

摘要：建筑3D打印技術(shù)是一種全新的自動(dòng)化建造技術(shù)，在大尺寸建筑結(jié)構(gòu)的自動(dòng)建造中應(yīng)用潛力巨大，而國(guó)內(nèi)外關(guān)于建筑3D打印技術(shù)的研究尚處于起步階段。本文針對(duì)建筑3D打印工藝中的擠出固化打印技術(shù)，集成數(shù)控技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等設(shè)計(jì)研制了一套建筑3D打印裝置，該打印裝置由控制系統(tǒng)、XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等模塊組成，并且給出了各系統(tǒng)模塊的具體技術(shù)參數(shù)。最后通過一個(gè)基于擠出固化的建筑3D打印實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文中設(shè)計(jì)的基于擠出固化建筑3D打印裝置的合理性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全部過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明該建筑3D打印裝置具備良好的集成控制功能，可以完成建筑信息模型的實(shí)體化建造。

關(guān)鍵詞：建筑3D打??；擠出固化；裝置設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

目前，建筑行業(yè)的自動(dòng)化水平與其他行業(yè)相比尚顯落后，隨著世界特別是發(fā)達(dá)國(guó)家工程建造建設(shè)概念的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)快速、高效的自動(dòng)化建造已成為世界建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

上世紀(jì)末以來，美國(guó)和日本在不同程度上將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域以解決諸如生產(chǎn)效率，質(zhì)量，安全，成本和熟練勞動(dòng)力短缺等問題[1]。然而，由于機(jī)器人系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)檢測(cè)和運(yùn)行，獨(dú)立解決問題，導(dǎo)致單任務(wù)的機(jī)器人被限制到一個(gè)很小的建筑面積。此外，大多數(shù)的自動(dòng)化系統(tǒng)需要許多的預(yù)制件，這意味著額外的庫存成本，運(yùn)輸工具和機(jī)械設(shè)備。因此，使用傳統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)建立一個(gè)完全成熟的、可以解決建筑業(yè)的問題的自動(dòng)化系統(tǒng)將是相當(dāng)昂貴的[2, 3]。

現(xiàn)在，有一種分層制造技術(shù)(3D打印技術(shù))，在大尺寸建筑結(jié)構(gòu)的自動(dòng)建造中具有廣闊的應(yīng)用前景。該方法采用了整體建筑共同成型方式，改變了傳統(tǒng)的梁板柱的建筑形式。在國(guó)外，美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家從建造工藝、3D打印數(shù)據(jù)處理、建筑材料等方面對(duì)3D打印在建筑建造中的應(yīng)用進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究與探索，比較有代表性的有美國(guó)南加州大學(xué)、英國(guó)拉夫堡大學(xué)以及英國(guó)Monlite公司等。而國(guó)內(nèi)關(guān)于建筑3D打印的研究還集中于少數(shù)學(xué)者對(duì)國(guó)外已有成果的綜述上，因此本文對(duì)建筑3D打印技術(shù)進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了一套基于擠出固化的建筑3D打印裝置，并進(jìn)行了打印輸出實(shí)驗(yàn)。

1建筑3D打印基本原理及工藝類型

1.1基本原理

3D打印技術(shù)，又叫增材制造，美國(guó)的3D打印技術(shù)委員會(huì)對(duì)3D打印的定義如下：3D打印是一種與傳統(tǒng)的材料加工方法截然相反，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法[4]。其打印原理如圖1所示。

圖1　3D打印技術(shù)基本原理

建筑3D打印就是利用3D打印層層堆積的基本原理，采用工業(yè)機(jī)器人逐層重復(fù)鋪設(shè)材料層構(gòu)建自由形式的建筑結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)。建筑3D打印機(jī)的構(gòu)成和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，一般都包括控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等。建筑3D打印機(jī)根據(jù)電腦上設(shè)計(jì)的完整的三維模型數(shù)據(jù)，通過一個(gè)運(yùn)行程序?qū)⒉牧戏謱哟蛴≥敵霾⒅饘盈B加，最終將三維數(shù)字模型變?yōu)榻ㄖ?shí)物。

1.2工藝類型

根據(jù)以上基本原理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)3D打印技術(shù)在建筑建造中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的探索和研究，由此衍生出了多種具體的建筑3D打印技術(shù)。筆者根據(jù)成型方式將目前已有的建筑3D打印技術(shù)劃分為擠出固化打印(Extrusion Printing)和選擇性粘結(jié)打印(Selective Solidification Printing)兩種工藝類型。

擠出固化打印是指用噴嘴擠出膠狀材料，然后層層堆積至所需高度的一種打印工藝。其工藝流程如圖2所示。

圖2　擠出固化打印工藝流程

選擇性粘結(jié)打印是指用粘接劑逐層選擇性粘結(jié)固化粉末狀材料，以打印建筑實(shí)體的過程。其工藝流程如圖3所示。

圖3　選擇性粘結(jié)打印工藝流程

擠出固化打印和選擇性粘結(jié)打印的典型代表分別為輪廓工藝(Contour Crafting)[5, 6]、混凝土打印(Concrete Printing)[7～9]和D-shape打印[10]。各種技術(shù)的特點(diǎn)及使用對(duì)象見表1。

兩種工藝相比，各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇性粘結(jié)打印是真正意義上的3D打印，適合打印異形建筑，但需要較多的材料作為輔助；而擠出固化打印比較符合現(xiàn)有的建筑模式，類似于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工。因此，本文將在下一節(jié)針對(duì)擠出固化打印技術(shù)，設(shè)計(jì)一套基于擠出固化的建筑3D打印裝置。

表1　建筑3D打印技術(shù)工藝類型

2基于擠出固化的3D打印裝置設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

基于擠出固化3D打印基本原理，將自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床與建筑機(jī)械結(jié)合，本文提出了基于擠出固化的建筑3D打印裝置由四個(gè)部分組成：控制系統(tǒng)、XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)各裝置的自動(dòng)控制和順序運(yùn)動(dòng)，提高加工效率。XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用于接收控制系統(tǒng)的指令，做出各種直線、曲線等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。擠出系統(tǒng)包括螺桿泵、電動(dòng)噴嘴以及將噴嘴和螺桿泵連接起來的導(dǎo)管，用于擠出砂漿拌合物。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于將STL文件(3D打印快速成型中常用的一種文件格式)進(jìn)行切片分層處理、路徑規(guī)劃，然后轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)識(shí)別的代碼?；跀D出固化的建筑3D打印裝置構(gòu)成如圖4所示。

圖4　建筑3D打印裝置組成模塊

2.2控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是本裝置的核心，采用可集成控制一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械裝置的數(shù)控系統(tǒng)，基于擠出固化的建筑3D打印裝置的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備以下基本功能：

(1)微處理器：微處理器是數(shù)控系統(tǒng)的大腦，其性能將對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的性能產(chǎn)生直接影響，因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備性能強(qiáng)大的微處理器。同時(shí)，微處理器還應(yīng)具備管理人機(jī)交互界面的功能。

(2)外部輸入功能：數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備接收外部數(shù)據(jù)的功能，具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，如串口通信、USB通信等。

(3)G代碼解釋功能：數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能夠識(shí)別G代碼(數(shù)控領(lǐng)域常用的一種數(shù)控代碼)，并能夠直接將G代碼解釋為運(yùn)動(dòng)控制識(shí)別的控制流。

(4)軸聯(lián)動(dòng)功能：數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能夠控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)XYZ三軸勻速運(yùn)動(dòng)、位置運(yùn)動(dòng)以及回零運(yùn)動(dòng)，并能夠控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)XYZ三軸直線插補(bǔ)及任意兩軸的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

(5)機(jī)械信號(hào)的處理：數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)停止信號(hào)、限位信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)等機(jī)械信號(hào)進(jìn)行有效處理，還應(yīng)該對(duì)一些異常信號(hào)如報(bào)警信號(hào)、急停信號(hào)等進(jìn)行有效處理。

(6)人機(jī)交互界面：數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備良好的人機(jī)交互界面，以便于用戶通過人機(jī)交互界面對(duì)數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)功能模塊進(jìn)行操作。

按照以上功能需求，本文選擇了廣州數(shù)控GSK980MDc鉆銑床CNC作為本裝置的數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)采用了32位高性能CPU和超大規(guī)模可編程器件FPGA，運(yùn)用實(shí)時(shí)多任務(wù)控制技術(shù)和硬件插補(bǔ)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)um級(jí)精度控制和PLC邏輯控制。

2.3XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

XYZ 運(yùn)動(dòng)是建筑3D打印裝置進(jìn)行三維建筑打印的基本條件。用于基于擠出固化的建筑3D打印XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下基本功能：

(1)X、Y軸組成平面掃描運(yùn)動(dòng)，Z軸機(jī)械臂由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)做垂直于XY平面的運(yùn)動(dòng)。

(2)XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件應(yīng)該簡(jiǎn)單輕便、易于安拆，具備良好的工地適應(yīng)性。

(3)XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件應(yīng)具備較高的強(qiáng)度、剛度，以滿足結(jié)構(gòu)自身的負(fù)載及其他工作需要，同時(shí)應(yīng)該具備較高的精度以滿足精準(zhǔn)建造的要求。

基于以上功能需求，本文設(shè)計(jì)了圖5所示的XYZ運(yùn)行系統(tǒng)，包括設(shè)備結(jié)構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)軌道、運(yùn)動(dòng)滑塊、傳動(dòng)元件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。其具體的工作方法是：Z軸安裝3D打印噴頭，采用垂直向下的工作方式，噴頭在水平移動(dòng)時(shí)始終保持垂直于被打印建筑。

圖5　XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1)設(shè)備結(jié)構(gòu)件：設(shè)備結(jié)構(gòu)件由優(yōu)質(zhì)鋼板和型材通過焊接或螺栓連接而成，包括四根立柱、一個(gè)橫梁、一個(gè)Z軸機(jī)械臂、側(cè)邊斜撐以及由四根方形鋼管焊接而成的方形框架組成。在便于安裝和拆卸的同時(shí)，最大限度地保證了設(shè)備的穩(wěn)定性。

2)運(yùn)動(dòng)軌道：三軸共六條1.2米長(zhǎng)高精度直線滾動(dòng)導(dǎo)軌；1.2米長(zhǎng)用于驅(qū)動(dòng)Z軸的精密齒條。

3)運(yùn)動(dòng)滑塊：線性軸裝有潤(rùn)滑系統(tǒng)，能持續(xù)提供自潤(rùn)滑和除塵刮屑系統(tǒng)。

4)傳動(dòng)元件：X、Y軸采用高精度高強(qiáng)度同步齒形帶驅(qū)動(dòng)，同步齒形帶具有定位精度高、磨損小等優(yōu)點(diǎn)，并且可以適用于高速運(yùn)動(dòng)，組裝容易并具互換性。

5)驅(qū)動(dòng)元件：三軸都采用型號(hào)為80SJT的廣數(shù)伺服電機(jī)，高分辨率編碼器使傳動(dòng)更加精準(zhǔn)；伺服電機(jī)通過行星變速器驅(qū)動(dòng)齒輪齒條和同步帶輪和同步齒形帶，加大各軸的扭矩，能使設(shè)備Z軸執(zhí)行端有更大的負(fù)載能力。

按照以上功能需求，本文中XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的其他相關(guān)技術(shù)參數(shù)參照表2。

表2　XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.4擠出系統(tǒng)

擠出系統(tǒng)是與成型效果直接相關(guān)的一個(gè)組成模塊，按照基于擠出固化的建筑3D打印基本原理，基于擠出固化的建筑3D打印擠出系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)將拌制好的砂漿拌合物通過導(dǎo)管勻速泵送并從噴頭擠出，泵送過程中不出現(xiàn)堵管、漏漿，不形成渦流。

(2)泵送材料的開、關(guān)應(yīng)該能夠受數(shù)控程序控制，并可以通過人工方式實(shí)現(xiàn)泵送速度的調(diào)整。

(3)由于擠出系統(tǒng)是擠出水泥砂漿等膠狀物，應(yīng)便于清洗。

按照以上要求，基于擠出固化的建筑3D打印擠出系統(tǒng)應(yīng)該包括三個(gè)部分：泵送裝置、導(dǎo)管、電動(dòng)噴嘴，整體設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　擠出系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

其中泵送裝置采用螺桿泵，螺桿泵是一種容積式轉(zhuǎn)子泵，主要由電機(jī)、螺桿、襯套組成，螺桿和襯套之間可以形成密封腔，電機(jī)帶動(dòng)螺桿泵轉(zhuǎn)動(dòng)引起密封腔的變化以吸入和擠出砂漿。螺桿泵最大的特點(diǎn)在于它能夠均勻輸送介質(zhì)，對(duì)材料的稠度不敏感。因此，螺桿泵可以滿足擠出系統(tǒng)對(duì)于泵送裝置的要求。另外，為使螺桿泵電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以采用變頻器與螺桿泵電機(jī)相集成，以達(dá)到可以人工調(diào)整轉(zhuǎn)速的目的。為使螺桿泵的開、關(guān)可以由數(shù)控程序控制，采用數(shù)控系統(tǒng)與螺桿泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成，達(dá)到可以自動(dòng)控制螺桿泵開、關(guān)的目的。

電動(dòng)噴嘴由噴頭及電動(dòng)開關(guān)組成。噴頭可做成螺紋形式，宜采用不銹鋼材料，通過螺絲的形式擰緊在電動(dòng)開關(guān)的鋼套管上，方便拆卸。電動(dòng)開關(guān)固定在XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械臂上，可以采用電磁閥線圈與帶有空洞的鐵片做成電磁閥開關(guān)，由于要求電動(dòng)噴嘴和泵送裝置同步開關(guān)，因此，需要電動(dòng)噴嘴和泵送裝置接受數(shù)控系統(tǒng)中統(tǒng)一指令的控制，可設(shè)置M03和M05分別控制泵、噴嘴的開和關(guān)。電磁閥線圈是一種可以產(chǎn)生電磁力的工業(yè)自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，其基本原理是通電產(chǎn)生電磁力，斷電電磁力消失。本裝置中用電磁閥線圈控制噴嘴開關(guān)的基本原理如圖7所示，給電磁閥線圈1斷電，電磁閥線圈2通電，則電磁力將帶有圓孔的鐵片拉向右側(cè)，使圓孔正對(duì)噴嘴，此時(shí)噴嘴打開；給電磁閥線圈1通電，電磁閥線圈2斷電，則電磁力將帶有圓孔的鐵片拉向左側(cè)，使鐵片擋住噴嘴，此時(shí)噴嘴關(guān)閉。

圖7　電動(dòng)噴嘴的基本原理

按照以上要求，本文選定了幾種主要設(shè)備的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)，如表3所示。

表3　主要設(shè)備型號(hào)及技術(shù)參數(shù)

2.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于對(duì)STL文件進(jìn)行解析，根據(jù)設(shè)置的相關(guān)參數(shù)及系統(tǒng)內(nèi)置的分層算法、填充算法生成控制機(jī)械臂XYZ運(yùn)動(dòng)、泵送裝置及噴嘴開關(guān)的數(shù)控程序(G代碼)。本文根據(jù)建筑3D打印的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于建筑3D打印數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理軟件如圖8所示。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖8　數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)界面

(1)數(shù)據(jù)處理：根據(jù)設(shè)置的分層厚度、分層方向、偏置間距、偏置次數(shù)、填充間距等參數(shù)，系統(tǒng)將STL模型進(jìn)行分層處理，并進(jìn)行路徑規(guī)劃，生成控制機(jī)械臂XYZ運(yùn)動(dòng)、泵送裝置及噴嘴開關(guān)的數(shù)控程序(G代碼)。

(2)模型顯示：用于顯示導(dǎo)入的STL文件三維重構(gòu)模型，將STL文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后，系統(tǒng)STL文件的數(shù)據(jù)信息將其重構(gòu)為STL三維模型，如圖9所示。

圖9　模型顯示

(3)路徑模擬：可以將STL文件經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到的路徑以圖形方式顯示出來，如圖10所示，淺色實(shí)線表示輪廓線；深色實(shí)線表示掃描路徑，此時(shí)噴嘴打開；深色虛線表示跳轉(zhuǎn)路徑，此時(shí)噴嘴關(guān)閉。

本系統(tǒng)中模型顯示、路徑模擬等圖形顯示功能主要借助于OpenGL，配合 Windows 的 GDI 來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理功能由系統(tǒng)內(nèi)置的分層算法與填充算法來實(shí)現(xiàn)，分層算法采用基于三角面片位置信息的分層處理算法[11, 12]，用于路徑規(guī)劃的填充算法參照文獻(xiàn)[13]。

圖10　模型顯示與路徑模擬功能

3基于擠出固化的建筑3D打印實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)裝置

華中科技大學(xué)數(shù)字建造與工程安全實(shí)驗(yàn)室依據(jù)本文中的設(shè)計(jì)方案研制了一套基于擠出固化的建筑3D打印裝置，包括數(shù)控系統(tǒng)、XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等模塊，如圖11所示。

圖11　建筑3D打印裝置整體實(shí)物

基于擠出固化的建筑3D打印系裝置的運(yùn)行流程如圖12所示。

圖12　建筑3D打印裝置運(yùn)行流程

首先，利用AutoCAD軟件建立目標(biāo)模型，并將模型輸出為STL文件。

其次，將STL文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，經(jīng)過切片、路徑規(guī)劃等數(shù)據(jù)處理過程獲得控制機(jī)械臂運(yùn)行、螺桿泵及噴嘴開關(guān)的數(shù)控程序。

再次，利用攪拌裝置拌制建筑材料拌合物，并加入泵送裝置(螺桿泵)的料斗中，準(zhǔn)備就緒。

最后，將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到的數(shù)控程序?qū)肟刂葡到y(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其予以執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂、螺桿泵及噴嘴運(yùn)行，以完成建筑信息模型的實(shí)體化建造。

3.2實(shí)驗(yàn)材料

(1)原材料

本實(shí)驗(yàn)擬采用建筑工程施工中常用的水泥砂漿作為建筑3D打印材料，原材料有水泥、砂、減水劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑等。

水泥采用華新牌42.5R硅酸鹽水泥，密度3.1 g/cm3，化學(xué)成分見表4，主要技術(shù)指標(biāo)見表5。砂的主要性能指標(biāo)見表6。

減水劑采用蘇州市興邦化學(xué)建材有限公司生產(chǎn)的磺化三聚氰胺樹脂高效減水劑。

早強(qiáng)劑采用無水硫酸鈉試劑。緩凝劑采用葡萄糖酸鈉試劑。

表4　水泥化學(xué)成分　%

表5　水泥主要技術(shù)指標(biāo)

表6　砂的主要性能指標(biāo)

(2)材料配比

基于擠出固化的建筑3D打印材料在進(jìn)行材料配比時(shí)，需要盡可能地考慮以下性能指標(biāo)[8, 9]：

1)可擠出性?？蓴D出性是指新拌制的膠狀物通過料斗和泵送系統(tǒng)可以順暢、連續(xù)地到達(dá)噴嘴并由噴嘴勻速擠出的能力。

2)可建造性。建筑3D打印中所用的建筑材料的可建造性是指材料可形成自支持，并能支撐打印材料的性能。

(3)可用性?？捎眯允侵缸罱K硬化的材料的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與擠出物中空氣含量及打印路徑有關(guān)。

(4)和易性。和易性是指新拌膠狀物易于各工序施工操作(攪拌、擠出等)并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的性能，其含義包含流動(dòng)性、粘聚性及保水性。也稱膠狀物的工作性。

為了使水泥砂漿盡可能滿足以上性能指標(biāo)，本文采用了課題組李璇[14]在其碩士畢業(yè)論文《3D打印混凝土配合比設(shè)計(jì)及其基本性能研究》中研究的關(guān)于建筑3D打印水泥砂漿的最佳配合比，即水灰比0.32、灰砂比1∶1、減水劑摻量0.5%、早強(qiáng)劑摻量1%和緩凝劑摻量0.3%。

3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的正確性，本文采用以上實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了建筑3D打印輸出實(shí)驗(yàn)(三維空心圓柱體3D打印實(shí)驗(yàn))。

首先，用AUTOCAD軟件建立圖13中所示的三維空心圓柱體，圓柱體外徑為300 mm，內(nèi)徑為160 mm，高為24 mm。建立好模型之后，將模型輸出為STL文件，再將STL文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，在系統(tǒng)界面中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如表7所示。從而輸出數(shù)控程序到建筑3D打印裝置的數(shù)控系統(tǒng)中，同時(shí)將拌制好的水泥砂漿加入螺桿泵的料斗中。最后，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)控程序，進(jìn)行空心圓柱體的打印輸出。

表7　圓環(huán)實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

表7中的偏置間距是指輪廓偏置掃描時(shí)多變形輪廓線向圖形內(nèi)部偏置的間距，一般為噴嘴擠出材料寬度的一半。填充間距是指平行于X軸、Y軸掃描時(shí)，掃描線的間距。掃描速度是指機(jī)械臂運(yùn)行速度，可以在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置。掃描速度和泵送速度兩組數(shù)據(jù)是結(jié)合填充間距、分層高度經(jīng)過多次試驗(yàn)確定的。

實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果如圖13所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程較流暢，水平及豎向尺寸精度控制較好，各系統(tǒng)模塊運(yùn)行良好。實(shí)驗(yàn)證明，集成了數(shù)控系統(tǒng)、XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、螺桿泵、電動(dòng)噴嘴的建筑3D打印輸出裝置具備良好的集成控制功能，是可以完成建筑打印輸出實(shí)驗(yàn)的。因此，本文基于擠出固化的建筑3D打印裝置的設(shè)計(jì)是正確、可行的，可以完成復(fù)雜形狀的三維數(shù)字模型的實(shí)體化建造。

圖13　圓環(huán)3D打印流程

4結(jié)語

建筑3D打印技術(shù)是一種新興建造技術(shù)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于建筑3D打印技術(shù)的研究尚處于起步階段，本文設(shè)計(jì)研制了一套基于擠出固化的建筑3D打印裝置，并完成了水泥砂漿構(gòu)件打印輸出實(shí)驗(yàn)，希望可以為我國(guó)建筑3D打印技術(shù)的研究提供借鑒與參考。

當(dāng)然，建筑3D打印技術(shù)還存在許多有待進(jìn)一步深入研究的問題，比如適用于3D打印并能滿足建筑結(jié)構(gòu)性能要求的新型建筑材料的研發(fā)，適用于打印大型建筑的新型、巨型建筑3D打印裝置的研發(fā)。另外，用于評(píng)價(jià)3D打印建筑穩(wěn)定性、可靠性、安全性等各項(xiàng)性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以及連接構(gòu)造措施也是亟待解決的一個(gè)問題。

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Design and Verification of a Building 3D Printing Device Based on Extrusion

QINYa-wei,LUOHan-bin,CHEHai-chao,XUJie

(a．Hubei Engineering Research Center for Digital Construction and Safety；

b．School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan 430074， China)

Abstract:Building 3D printing technology is a new automatic construction technology which has great potential applications in the automatic construction of large size structures. The related research at home and abroad is still in its initial stage. Aimming at extrusion curing printing technology in building 3D printing, this paper developed a extrusion printing device integrated with numerical control technology, mechanical technology and computer technology. This printing device consisted of control systems, XYZ motion system, extrusion system, data processing system，and the specific technical parameters of the system were given. And then, the rationality of this building 3D printing device was verified through the printing experiments. Finally, the analysis was made among all the process of experimental apparatus, experimental materials and experimental verification. The experimental results show that the building 3D extrusion printing device has a good integrated control function, which can complete the construction of the building information model.

Key words：building 3D printing; extrusion printing; device design; experimental verification

中圖分類號(hào)：TU741. 2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0985(2016)01-0054-07

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAK24B00)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(2015TS119)

作者簡(jiǎn)介：覃亞偉(1974-)，男，湖北宜昌人，講師，博士，研究方向?yàn)橥聊竟こ淌┕づc數(shù)字建造(Email:qinyawei@ hust.edu.cn)

收稿日期：2015-09-17修回日期： 2015-10-27