3D打印建造技術(shù)實訓教程 課件 第2章 3D打印建造技術(shù)常見工藝方法及流程

3D打印建造技術(shù)實訓教程智能建造應(yīng)用與實訓系列第二章3D打印建造技術(shù)常見工藝方法及流程目錄了解3D打印建造技術(shù)的常見工藝方法掌握3D打印建造技術(shù)應(yīng)用的一般流程本章重點理解3D打印建造技術(shù)應(yīng)用的一般流程本章難點本章內(nèi)容1.3D打印建造工藝梳理分析2.基于混凝土分層噴擠疊加方法3.基于砂石粉末分層粘合疊加方法4.大型機械臂驅(qū)動的材料三維構(gòu)造建造方法5.3D打印建造技術(shù)應(yīng)用的一般流程1.3D打印建造工藝梳理分析近年來，3D打印（3D-printing）作為第三次工業(yè)革命的重要標志，在土木建筑領(lǐng)域取得了快速發(fā)展和應(yīng)用，成為建筑業(yè)在智能化、綠色化方向發(fā)展的創(chuàng)造性技術(shù)。13D打印建造工藝梳理分析3D打印建造技術(shù)作為一種新型技術(shù)被認為能夠改變傳統(tǒng)施工形式，該技術(shù)涉及建模、信息處理、機電控制、材料科學及機械設(shè)計等多項前沿技術(shù)，在縮短施工周期，降低人工成本，減少建筑廢物及周邊環(huán)境的影響等方面具有明顯優(yōu)勢。因此，近年來，國內(nèi)外大批科研院所及企業(yè)對3D打印建造技術(shù)應(yīng)用的打印方式、材料、設(shè)備及應(yīng)用場地條件進行了大量研究。目前大型3D打印建造工藝主要有3類：輪廓加工、D-shape和混凝土印刷技術(shù)；機械結(jié)構(gòu)的常見類型有3種：龍門結(jié)構(gòu)、懸索機器人和機械臂。13D打印建造工藝梳理分析2.基于混凝土分層噴擠疊加方法

輪廓工藝（ContourCrafting，CC）技術(shù)是一項通過電腦控制的噴嘴按層擠出材料的建造技術(shù)，主要包括外部輪廓和內(nèi)部輪廓兩部分，其原理是通過控制計算機對模型進行分層處理，并設(shè)定好打印路徑，噴嘴在指定路徑上不斷移動并擠出類似混凝土的打印材料，材料逐層疊加，最終完成建筑物打印。2.1輪廓工藝輪廓工藝打印工藝流程輪廓工藝基本實現(xiàn)方式：1.

一個大型龍門吊打印整個建筑物2.

多個小型機器人打印各個建筑外墻從而完成整體結(jié)構(gòu)2.1輪廓工藝輪廓工藝泥刀示意圖不管哪種實現(xiàn)方式，相對于傳統(tǒng)方式來說，輪廓工藝在時間和成本上均具有明顯優(yōu)勢。此外，輪廓工藝利用噴嘴附帶的泥刀隨擠隨抹，有效解決了分層疊加建造方式所造成的產(chǎn)品表面層狀條紋明顯的不美觀問題，實現(xiàn)了建筑構(gòu)件表面的光滑處理。采用輪廓工藝進行現(xiàn)場3D打印建造施工時，其基本工序流程為：混凝土罐車將混凝土泵送到龍門架上，然后由噴頭擠出混凝土，堆疊形成建筑墻體、柱等豎向構(gòu)件；而樓板、過梁等水平構(gòu)件則需預(yù)先在地面制作成型，而后由龍門架上的吊車進行吊裝（圖a），先根據(jù)截面信息打印外部輪廓，再向內(nèi)部全填充混凝土或者波紋狀填充（圖b）2.1輪廓工藝輪廓工藝在建筑中的應(yīng)用技術(shù)難點主要優(yōu)勢不足之處技術(shù)難點輪廓工藝的技術(shù)難點在于合理控制打印混凝土模板所受的側(cè)壓力，這是限制打印構(gòu)建高度和填充內(nèi)核體積的決定因素。主要優(yōu)勢利用抹刀實現(xiàn)構(gòu)件平整光滑的表面，可根據(jù)打印材料配合比控制擠出速度，同時定制化程度高、設(shè)計較自由。節(jié)約資金、材料和人工。不足之處需預(yù)先打印性能要求極高的腔體，增加了材料設(shè)計的難度；分層澆灌建筑墻體內(nèi)核會增加材料層間銜接部位性能薄弱區(qū)，為材料長期性能留下隱患；其打印精度有待提高2.1輪廓工藝2007年，美國俄亥俄大學（OhioUniversity）Paul等人改進并提出了輪廓工藝-帶纜索系統(tǒng)（CC-cable-suspended），以剛框架作為機械骨架，通過12條纜索控制終端噴嘴的三維運動，稱其為基于直角坐標系的輪廓工藝纜索機器人（ContourCraftingCartesianCableRobot，C4Robot）優(yōu)點：用輕質(zhì)框架代替笨重龍門架，更加便攜、靈活、易拆裝，使得在工地現(xiàn)場打印建造房屋更具有可行性輪廓工藝-帶纜索系統(tǒng)示意圖輪廓工藝-帶纜索系統(tǒng)工藝流程2.2輪廓工藝-帶纜索系統(tǒng)FDC打印機械裝置2.3混凝土熔融沉積（FDC）技術(shù)FDC打印工藝流程英國拉夫堡大學（LoughboroughUniversity）創(chuàng)新和建筑研究中心Lim等人于2008年提出基于混凝土噴擠堆積成型工藝的后來被稱為“混凝土打印（ConcretePrinting）”的3D打印建造技術(shù)，通過噴擠材料分層打印和植入橫向鋼筋網(wǎng)的交叉操作實現(xiàn)實體構(gòu)建打印，能夠靈活控制內(nèi)部和外部形狀，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自由，同時也有學者根據(jù)成型原理將其命名為混凝土熔融沉積（FDC）技術(shù)。3.基于砂石粉末分層粘合疊加方法D型技術(shù)的原理是通過一個大型的3D打印機，選擇性地將砂子和鎂質(zhì)黏合物結(jié)合在一起，逐層打印形成三維實體建筑，具有良好的抗壓能力和足夠的抗拉強度，即使用該技術(shù)打印的建筑物不需要鋼筋來提升抗拉強度。D型技術(shù)的優(yōu)點在于其建造價格低廉，可較好地控制產(chǎn)品質(zhì)量，能通過掃描技術(shù)定制修補缺損構(gòu)件，且打印的構(gòu)件光滑堅硬。3.1D型D型機械裝置D型工藝流程數(shù)字異形體工藝流程數(shù)字異形體雕塑3.2數(shù)字異性體從2012年開始，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的Michael等人以砂石粉末為材料，經(jīng)過數(shù)字算法建模、分塊三維打印、壘砌組裝等過程，該技術(shù)稱作數(shù)字異形體（DigitalGrotesque）技術(shù)。Michael等人應(yīng)用數(shù)字異形體打印技術(shù)完成了一個3.2m高的Grotesque構(gòu)筑物的3D打印建造，打印建造的數(shù)字異形體雕塑被置于工作室中用于展示，是建筑師數(shù)字設(shè)計建造方法的一個典型嘗試。4.大型機械臂驅(qū)動的

材料三維構(gòu)造建造方法磚塊堆疊以磚塊作為材料單元，由數(shù)控程序驅(qū)動\3m×3m×8m的機械手以錯位形式抓取堆疊磚塊，上下兩塊磚之間用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑連接補強，建造了外立面超過300平方米的“動態(tài)磚墻”（Informingbrickwall）該方法以磚塊為建造材料，將原始建筑材料與數(shù)字建造技術(shù)相結(jié)合，彰顯了非線性建筑之美，但其建造尺寸仍受機械限制。4.1磚塊堆疊機械手驅(qū)動磚塊堆疊過程2010年，德國斯圖加特大學ArchimMenges教授的ICD工作室開始了以公園展亭（Pavilion）為對象的數(shù)字設(shè)計建造探索。2012年，團隊采用計算數(shù)學設(shè)計和機器臂自動操作的方式，使用碳纖維材料及設(shè)定的編織工藝，通過精準控制機器人與自動旋轉(zhuǎn)的模具之間協(xié)同工作，編織了一個可自支撐的殼體結(jié)構(gòu)展亭。展亭自動編織工藝流程4.2展亭編織展亭自動編織過程5.3D打印建造技術(shù)應(yīng)用的一般流程工程應(yīng)用的一般流程還包括原材料貯存、混凝土制備與輸送、打印和養(yǎng)護等四個步驟。3D打印建造工藝流程圖一、控制系統(tǒng)具有以下特點：1）控制系統(tǒng)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，將有助于在設(shè)備上增加新的模塊，并有助于改進設(shè)備。5.13D打印建造系統(tǒng)基本組成二、梳料、布料系統(tǒng)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5.13D打印建造系統(tǒng)基本組成目前3D打印建筑材料主要分為四類：水泥基材料、石膏類材料、樹脂類材料以及金屬類材料。水泥基材料作為目前世界上用量最大的建筑材料，因其原材料易得、經(jīng)濟且具有可控可調(diào)的流變性、良好的包容性及耐久性等特點，依然是目前研究及應(yīng)用最多的3D打印建筑材料。5.2原材料貯存主要的材料貯存要求如下：1）水泥應(yīng)按品種、強度等級和生產(chǎn)廠家分別儲存，并應(yīng)防止受潮。2）集料是混凝土中占比最大的材料，3D打印混凝土對集料的要求比傳統(tǒng)混凝土更高，含泥量、有害物質(zhì)含量等指標要求更加嚴格，應(yīng)按品種、規(guī)格分別堆放，并應(yīng)采取遮雨防塵措施。3）礦物摻合料應(yīng)按品種、生產(chǎn)廠家分別儲存，并應(yīng)防止受潮。4）外加劑在混凝土組成材料中占比最小，但卻能顯著改變混凝土的性能，應(yīng)按品種、生產(chǎn)廠家分別儲存。粉狀外加劑應(yīng)有防潮措施，液體外加劑儲存在密閉容器中，并應(yīng)防曬和防凍，使用前應(yīng)攪拌均勻。5）由于3D打印混凝土性能對用水量比較敏感，尤其是拌合物性能，為減少集料含水率變化導致混凝土質(zhì)量波動，建議對集料的存放地點采用加屋頂蓋處置，并設(shè)有排水通道。5.2原材料貯存為滿足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必須達到特定的性能要求。對混凝土的組成及其制備主要要求如下：1）普通硅酸鹽水泥在強度，凝結(jié)時間等方面可能無法達到3D打印的要求，需在此基礎(chǔ)上做進一步的研究。如改變水泥組成中的礦物組成、熟料的細度等。2）3D打印是通過噴嘴來實現(xiàn)的。噴嘴的大小決定了混凝土拌合物配制中的顆粒大小，并且必須找到最合適的集料粒徑大小。3）配制的混凝土拌合物要有合適的配合比，由于作為滿足3D打印的原料新型混凝土已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的混凝土，其各項性能發(fā)生了很大的變化，為使打印混凝土獲得理想的狀態(tài)，如高強度，好耐久性，良好的拌合性能，合適的凝固時間，良好的工作性、可泵性和可建筑性，需要從新的角度去完善理論。4）外加劑是現(xiàn)代混凝土必不可少的組分之一，是混凝土改性的一種重要方法和技術(shù)。因此，在進行混凝土原材料制備過程中，原材料計量應(yīng)全程采用電子計量設(shè)備。5.3混凝土制備與輸送5.4打印新拌3D打印混凝土要求及檢驗方法打印過程中應(yīng)注意：1）3D打印建造施工過程中應(yīng)有專人進行實時監(jiān)測，觀察打印效果和打印設(shè)備運行狀況，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即調(diào)整或停止打印，問題解決后方可繼續(xù)打印施工。2）打印過程中，上、下兩層間隔時間不宜超過混凝土拌合物的凝結(jié)時間。3）原位3D打印建筑打印施工時，如遇高溫、大風、雨、雪等惡劣天氣，不宜進行打印。打印過程中因故暫停打印，繼續(xù)打印時，應(yīng)在界面處涂覆水泥基界面黏結(jié)劑后繼續(xù)打印。4）當暫停時間過長或混凝土不能滿足可打印性要求時，應(yīng)及時清除輸送設(shè)備和打印頭中的混凝土。5）打印完成應(yīng)及時清洗攪拌設(shè)備、輸送設(shè)備和打印頭。3D打印建造的構(gòu)件或建筑物需進行及時養(yǎng)護，基本要求及注意事項如下：1）水中養(yǎng)護對打印混凝土的性能有較大影響，主要原因在于水中養(yǎng)護會對打印混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善作用，填充打印混凝土在打印過程中造成的孔隙，從