于 穎，秦 天，王 玉

（1.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.同濟大學(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)造力付諸實踐；另一方面，傳統(tǒng)的施工方法也存在施工現(xiàn)場事故率高、資源利用率低、對環(huán)境造成破壞（噪聲、粉塵、污水、建筑垃圾）以及缺乏熟練勞動力等嚴(yán)重的問題?；炷寥S打印技術(shù)是一種數(shù)字化、自動化的施工方法，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]，每一種都有其長處和短處[5-6]。對于機械結(jié)構(gòu)，有3種常見類型：龍門結(jié)構(gòu)[7]、懸索機器人[8]和機械臂[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，但施工尺寸受機械設(shè)備的限制；電纜機器人相對便宜，易于運輸、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；機器人手臂便于攜帶到施工現(xiàn)場，現(xiàn)有的機器人手臂和控制系統(tǒng)龐大，易于實現(xiàn)多機協(xié)作，但機械手的運動范圍有限，有些位置無法直接到達且控制難度較大。

混凝土三維打印技術(shù)發(fā)展時間較短，目前大多數(shù)研究者只關(guān)注具體3D打印的一個方面，沒有系統(tǒng)的開發(fā)和工藝設(shè)計。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)強度及外觀，因此對混凝土三維打印系統(tǒng)及工藝進行了開發(fā)，并通過實驗對其可行性進行了驗證。

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?？蚣芙Y(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和定位?？刂葡到y(tǒng)通過對伺服電機的耦合控制，控制打印機的運動和混凝土的擠出。進料擠出子系統(tǒng)包括混凝土攪拌機、蠕動泵和擠出機構(gòu)，負(fù)責(zé)將混凝土漿體混合均勻后輸送至擠出機構(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)動噴頭的機械結(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)建筑物大于打印機機架時，必須進行分布式打印，即先打印零件，再進行現(xiàn)場組裝。為了準(zhǔn)確地控制混凝土的擠出，減少混凝土擠出的時間延遲，必須在噴嘴附近設(shè)計擠出機構(gòu)，這意味著機械結(jié)構(gòu)必須具有較高的承載能力。針對上述特點，設(shè)計了2種用于大體積混凝土三維打印的機械結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2種設(shè)計都是龍門結(jié)構(gòu)。擠出頭的X-Y-Z位置由笛卡爾龍門機器人控制，以保證噴嘴的控制精度。與機械臂結(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、控制簡單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。第一種結(jié)構(gòu)為帶噴嘴的龍門系統(tǒng)在施工現(xiàn)場安裝的2條平行車道上移動，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)，充分利用材料的強度，減輕自重。這種結(jié)構(gòu)重量輕、易于拆卸，使現(xiàn)場印刷房屋更加可行，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，會產(chǎn)生振動。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。這個結(jié)構(gòu)不能一次打印多個建筑物，因此，經(jīng)常被用于實驗或印刷預(yù)制和小型建筑。

圖2 混凝土3D打印機框架結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)X-Y-Z軸運動、噴嘴旋轉(zhuǎn)和材料擠出的耦合控制，即多坐標(biāo)聯(lián)動控制?；炷?D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?；炷恋目杀盟托?、可擠出性和抗壓強度隨時間的變化而變化，必須在一定時間內(nèi)將材料從噴嘴擠壓到適當(dāng)?shù)奈恢谩娮斓倪\動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)移動速度過快時，材料表面會出現(xiàn)裂紋；當(dāng)擠壓速度過快時，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：

（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)動電機必須具有足夠的承載能力，頻繁啟停時振動較小；

（3）控制程序應(yīng)易于編寫和修改；

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

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

與單片機和PLC系統(tǒng)相比，CNC（Computer Numeri?cal Control）系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動控制，具有精度高、可靠性好的特點。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代碼作為運動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力。根據(jù)混凝土的特點，泵的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：（1）泵必須提供足夠的壓力來推動混凝土在管道中的流動；（2）速度可調(diào)，泵脈沖?。唬?）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。

本文采用的是蠕動泵，蠕動泵是一種容積泵，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)動電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。蠕動泵沒有閥門、密封件和密封管，維修成本低，只有軟管或管道是維護項目。蠕動泵具有溫和的低剪切泵效，其工作是可逆的，電機反向工作時可以用來清洗管道。需要注意的是，當(dāng)使用蠕動泵時，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)實物圖

1.3.2擠出系統(tǒng)

從遠端泵送的混凝土材料會產(chǎn)生脈沖、不均勻供料和延時現(xiàn)象。為了保證沉積速度在任何時候都可以完全控制（混凝土流動可以隨時開始和停止），必須在噴嘴附近設(shè)計擠出系統(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）擠出混凝土流動的脈動小。為滿足上述要求，設(shè)計了由料倉、預(yù)攪拌桿、電機、螺桿、旋轉(zhuǎn)機構(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。漏斗是一個中空的圓筒，下面有漏斗形狀?；炷琳吵?，漏斗狀料倉有利于物料完全流出。料倉上共設(shè)計有2個供料口，其中大的供料口可進行人工供料，并隨時檢查料斗內(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階段進行。為了保證加工效率，在施工階段必須通過管道連續(xù)進料。因此設(shè)置了小供料口，用以通過管道進行連續(xù)供料。料倉內(nèi)的液面高度會影響擠出螺桿的初始壓力，進而影響擠出效果。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監(jiān)控料斗中的液位，并通過調(diào)整蠕動泵的進料速度來實現(xiàn)料倉內(nèi)混凝土頁面高度恒定。

（2）預(yù)攪拌機構(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)的流動性較高，便于擠出；又要保證混凝土在擠出至打印建筑時能夠很快凝固達到一定的早期強度，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加入速凝劑以加快固化速度?；炷辽皾{是一種具有觸變性的賓漢姆體。觸變性是指物體在剪切時稠度降低，在停止剪切時稠度增加的特性。預(yù)攪拌機構(gòu)就是用來提高料倉內(nèi)混凝土砂漿的流動性，通過電機帶動預(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性降低。預(yù)攪拌機構(gòu)的設(shè)計如圖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，噴嘴是一個空心組件，具有指定的橫截面，混凝土從中離開打印機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。實驗表明，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)計了噴嘴的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，通過電機帶動齒輪及噴嘴旋轉(zhuǎn)，其機械結(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：利用電機帶動帶有螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)，使物料產(chǎn)生沿螺旋面的相對運動，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)生對混凝土的軸向推力，實現(xiàn)混凝土的軸向移動。螺桿擠出具有擠出均勻、無脈沖的特點，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)動不僅可以對混凝土產(chǎn)生向下推力，還對混凝土施加剪切力，改善其流動性。通過對比分析，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)計了螺桿參數(shù)：D=60 mm，P=48 mm，d=10 mm，δ=4 mm。利用ANSYS Workbench對螺桿及套筒內(nèi)的混凝土進行了流固耦合分析。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，說明螺桿對混凝土砂漿起到了推動作用。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，遠小于螺桿葉片與筒壁之間的距離。

圖8 ANSYS對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，從原材料輸入到成品輸出的連續(xù)打印的全過程。包括：（1）材料制備及運輸過程；（2）模型設(shè)計、修改、切片、程序?qū)氪蛴C；（3）工藝參數(shù)設(shè)計，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性，便于運輸，在泵送混凝土前必須對管道進行濕潤處理。濕潤管道的方法是泵送稀釋的混凝土泥漿。清洗管道后，管道中會殘留一些水，影響混凝土的性能。泵送混凝土后，必須對部分混凝土進行擠壓，以測試其稠度和流動性。待測得的混凝土性能符合要求后，方可執(zhí)行打印程序。

設(shè)計者設(shè)計的三維模型數(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)換成可識別的數(shù)據(jù)形式，以便進行三維打印。切片還包括了對打印路徑的設(shè)計，并將切片文件存儲為G代碼格式，這是一種可以由打印機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，必須考慮建筑結(jié)構(gòu)的強度。

圖9 混凝土3D打印工藝規(guī)劃

3 實驗及改進

實驗的目的：（1）測試混凝土3D打印設(shè)備的性能；（2）確定印刷工藝參數(shù)；（3）發(fā)現(xiàn)并解決實際印刷中的問題。本文利用混凝土3D打印機做了實驗，設(shè)計并打印了幾個模型。通過實驗，最終確定了混凝土材料配比及混凝土3D打印機的運行參數(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）和噴嘴運動速率的影響。為了擠出均勻厚度的層，擠出速度必須與噴嘴的移動速度相匹配。如果噴嘴移動速度過快，則擠壓材料的寬度小于設(shè)計寬度，甚至軌跡不連續(xù)（斷裂）。如果噴嘴的移動速度太慢，可能會出現(xiàn)過多的材料堆積，如圖10所示。因此必須經(jīng)過實驗來確定擠出速率和噴嘴運動速率的比值。

本文設(shè)計了3組實驗來確定合適的擠壓速度與噴嘴移動速度的比值。3組實驗中，噴嘴的運動速度不同，同一對照組，噴嘴移動速率與螺桿擠出速率比值相同。通過測量混凝土的寬度，取3組試驗的平均值，最終得到合適的擠出/移動速度的配合比，如圖10所示。

圖10 混凝土3D打印機噴嘴移動速率和擠出速率實驗

實驗中發(fā)現(xiàn)一些打印缺陷，本文對打印缺陷進行了分析及改進建議：

（1）隨著層數(shù)的增加，下層的混凝土在重力作用下會發(fā)生變形，甚至導(dǎo)致坍塌，如圖11所示。因此，每個打印的最大層數(shù)是有限的，必須等到混凝土砂漿初始凝固，并達到足夠的支撐強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 混凝土交點粘結(jié)性能較差

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

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

4 結(jié)束語

本文介紹了混凝土三維打印的一些特點以及這些特點對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，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)和伺服電機作為控制和驅(qū)動子系統(tǒng)。供料系統(tǒng)的功能是將混凝土砂漿攪拌均勻，并用蠕動泵將混凝土連續(xù)泵送至打印機。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)計了一個由料倉、攪拌機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、螺桿和噴嘴組成的擠出系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計的混凝土三維打印系統(tǒng)，對混凝土三維打印的工藝流程進行了規(guī)劃。最后通過實驗驗證了系統(tǒng)和工藝的可行性，并對打印過程中出現(xiàn)的問題進行了分析及解決。