混凝土3D打印設備開發及工藝規劃*

于 穎，秦 天，王 玉

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804；2.同濟大學中德工程學院，上海 201804）

0 引言

傳統的施工工具和方法制約著建筑業的發展。一方面，傳統的施工方法使建筑師很難將自己的想象力和創造力付諸實踐；另一方面，傳統的施工方法也存在施工現場事故率高、資源利用率低、對環境造成破壞（噪聲、粉塵、污水、建筑垃圾）以及缺乏熟練勞動力等嚴重的問題?；炷寥S打印技術是一種數字化、自動化的施工方法，給建筑行業帶來了變革[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[1，4]，每一種都有其長處和短處[5-6]。對于機械結構，有3種常見類型：龍門結構[7]、懸索機器人[8]和機械臂[9-10]。門式剛架結構具有較高的穩定性、精度和承載能力，但施工尺寸受機械設備的限制；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，容易與施工中的結構發生碰撞；機器人手臂便于攜帶到施工現場，現有的機器人手臂和控制系統龐大，易于實現多機協作，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發展時間較短，目前大多數研究者只關注具體3D打印的一個方面，沒有系統的開發和工藝設計。且現有的混凝土3D打印解決方案都是從提高系統效率的角度考慮[10-11]。本文認為應優先考慮建筑物的結構強度及外觀，因此對混凝土三維打印系統及工藝進行了開發，并通過實驗對其可行性進行了驗證。

1 混凝土3D打印系統開發

混凝土三維打印系統由框架結構、控制系統、供料和擠出系統組成，如圖1所示?？蚣芙Y構采用龍門式結構，負責擠出頭在空間中的移動和定位?？刂葡到y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。進料擠出子系統包括混凝土攪拌機、蠕動泵和擠出機構，負責將混凝土漿體混合均勻后輸送至擠出機構，并通過螺桿將混凝土擠出至打印體。

圖1 混凝土3D打印系統組成

1.1 框架結構

大規模的混凝土三維打印，不僅意味著擠出頭的尺寸更大，而且要求驅動噴頭的機械結構必須足夠大，才能將施工中的結構完全封閉起來。當目標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，再進行現場組裝。為了準確地控制混凝土的擠出，減少混凝土擠出的時間延遲，必須在噴嘴附近設計擠出機構，這意味著機械結構必須具有較高的承載能力。針對上述特點，設計了2種用于大體積混凝土三維打印的機械結構，如圖2所示。

2種設計都是龍門結構。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。與機械臂結構和纜索結構相比，龍門結構具有整體剛度高、精度高、承載能力強、控制簡單、穩定性高等優點。第一種結構為帶噴嘴的龍門系統在施工現場安裝的2條平行車道上移動，如圖2（a）所示。這種結構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。主梁采用桁架結構，充分利用材料的強度，減輕自重。這種結構重量輕、易于拆卸，使現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。特別是當主梁頻繁啟停時，會產生振動。第二種結構為輕鋼框架結構，其剛性好、定位精度高，但建筑結構的尺寸受框架尺寸的限制。這個結構不能一次打印多個建筑物，因此，經常被用于實驗或印刷預制和小型建筑。

圖2 混凝土3D打印機框架結構

1.2 控制系統

控制系統負責X-Y-Z軸運動、噴嘴旋轉和材料擠出的耦合控制，即多坐標聯動控制?；炷?D打印通常用于打印房屋墻壁，墻體應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，必須在一定時間內將材料從噴嘴擠壓到適當的位置。噴嘴的運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。當移動速度過快時，材料表面會出現裂紋；當擠壓速度過快時，物料堆積過多，導致擠壓寬度過寬。因此，控制系統必須具有以下特點：

（1）控制系統必須具有高精度、良好的調速能力和高穩定性；

（2）控制驅動電機必須具有足夠的承載能力，頻繁啟停時振動較??；

（3）控制程序應易于編寫和修改；

（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的各個功能模塊；

（5）良好的可擴展性，這將有助于在設備上增加新的模塊，并有助于改進設備。

與單片機和PLC系統相比，CNC（Computer Numeri?cal Control）系統能很好地實現多坐標聯動控制，具有精度高、可靠性好的特點。CNC系統有完整的控制語言G代碼。G代碼的規則很容易理解。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以及加工路徑。在當前的三維打印技術中，G代碼作為運動控制器的控制碼也得到了廣泛的應用。

1.3 供料和擠出系統

1.3.1 供料系統

供料和擠出系統負責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。進料子系統負責混凝土（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。根據混凝土的特點，泵的設計應滿足以下要求：（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，泵脈沖??；（3）混凝土是一種磨蝕性材料，泵體應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。泵的轉速可以通過改變驅動電機的轉速來調節。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，當使用蠕動泵時，必須避免泵送空氣，這將導致出口壓力的突然變化（產生大的脈沖）。

圖3 供料系統實物圖

1.3.2擠出系統

從遠端泵送的混凝土材料會產生脈沖、不均勻供料和延時現象。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），必須在噴嘴附近設計擠出系統。擠出系統負責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。擠出系統必須滿足以下條件：（1）響應速度快；（2）擠出速度可調；（3）在連續印刷過程中，必須保持混凝土供應的連續性和均勻性；（4）擠出混凝土流動的脈動小。為滿足上述要求，設計了由料倉、預攪拌桿、電機、螺桿、旋轉機構和噴嘴組成的擠出系統，如圖4所示。

圖4 擠出系統結構圖

（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進料。因此設置了小供料口，用以通過管道進行連續供料。料倉內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控料斗中的液位，并通過調整蠕動泵的進料速度來實現料倉內混凝土頁面高度恒定。

（2）預攪拌機構

在混凝土3D打印中，既要保證混凝土在供料管道及料倉內的流動性較高，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，以支撐后續打印并保持自身形狀不發生大的改變。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。預攪拌機構就是用來提高料倉內混凝土砂漿的流動性，通過電機帶動預攪拌葉片旋轉，為料斗內的混凝土提供連續剪切力，防止混凝土砂漿流動性降低。預攪拌機構的設計如圖5所示。預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、尺寸可任意設計。實驗表明，矩形噴嘴更適合于輪廓技術的快速成型[12-13]。矩形噴嘴不僅可以提供良好的層間結合強度，也能創建所需的外部輪廓，減小階梯效應。但是矩形噴嘴對方位要求較高，矩形噴嘴在轉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，使噴嘴的方向始終與刀具路徑相切。本文設計了噴嘴的旋轉機構，通過電機帶動齒輪及噴嘴旋轉，其機械結構如圖4所示。

圖6 矩形噴嘴轉角的扭曲

圖7 擠出螺桿結構圖

（4）螺桿

螺桿負責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軸進行旋轉，使物料產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，從而使螺桿產生對混凝土的軸向推力，實現混凝土的軸向移動。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，噴嘴出口流量與螺桿轉速成正比。螺桿的轉動不僅可以對混凝土產生向下推力，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與螺桿端部形成的角度；P為螺距，指螺桿葉片環繞螺桿一周的軸向距離；D為螺桿直徑；δ為葉片厚度。

螺桿必須產生足夠的壓力，以確保材料的致密性和印刷表面的質量。本文從打印效率，打印質量的角度出發設計了螺桿參數：D=60 mm，P=48 mm，d=10 mm，δ=4 mm。利用ANSYS Workbench對螺桿及套筒內的混凝土進行了流固耦合分析。其中，螺桿轉速為100 r/min，仿真結果如圖8所示。套筒內的混凝土砂漿均處于流動狀態且套筒內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打印工藝規劃

混凝土3D打印工藝規劃是指通過混凝土3D打印機，從原材料輸入到成品輸出的連續打印的全過程。包括：（1）材料制備及運輸過程；（2）模型設計、修改、切片、程序導入打印機；（3）工藝參數設計，如圖9所示。

泵送混凝土前，必須事先編制打印程序，并導入控制系統。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，方可執行打印程序。

設計者設計的三維模型數據格式多種多樣，如dwg、stp、slprt、stl等，這些原始數據文件不能直接作為三維打印的輸入數據，必須通過切片軟件轉換成可識別的數據形式，以便進行三維打印。切片還包括了對打印路徑的設計，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。印刷的路徑和方向對建筑物的力學性能有很大的影響，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，必須考慮建筑結構的強度。

圖9 混凝土3D打印工藝規劃

3 實驗及改進

實驗的目的：（1）測試混凝土3D打印設備的性能；（2）確定印刷工藝參數；（3）發現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打印機的運行參數如表1所示。

表1 混凝土3D打印工藝參數

印刷細絲的寬度和質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計寬度，甚至軌跡不連續（斷裂）。如果噴嘴的移動速度太慢，可能會出現過多的材料堆積，如圖10所示。因此必須經過實驗來確定擠出速率和噴嘴運動速率的比值。

本文設計了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

實驗中發現一些打印缺陷，本文對打印缺陷進行了分析及改進建議：

（1）隨著層數的增加，下層的混凝土在重力作用下會發生變形，甚至導致坍塌，如圖11所示。因此，每個打印的最大層數是有限的，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 混凝土交點粘結性能較差

（2）軌道交叉口混凝土流動性差，粘結能力差。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，以確保足夠的結合強度，如圖12（a）所示。

（3）混凝土打印路徑的起點與終點結合強度較差，如果每一層在同一點開始和結束，則性能差的點將連接成一條線，從而降低結構的強度，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點強度差的問題，即不同層的起點與終點相互錯開。

4 結束語

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開發和工藝規劃的影響。根據混凝土的材料特性和大尺寸三維打印的特點，開發了混凝土三維打印系統，包括框架結構、控制與驅動系統、供料與擠出系統。從精度、承載能力和穩定性等方面考慮，設計了2種龍門式大型立體印刷設備。選擇數控系統和伺服電機作為控制和驅動子系統。供料系統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，設計了一個由料倉、攪拌機構、轉向機構、螺桿和噴嘴組成的擠出系統。根據設計的混凝土三維打印系統，對混凝土三維打印的工藝流程進行了規劃。最后通過實驗驗證了系統和工藝的可行性，并對打印過程中出現的問題進行了分析及解決。