3D打印建造技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程 課件 第2章 3D打印建造技術(shù)常見(jiàn)工藝方法及流程

3D打印建造技術(shù)實(shí)訓(xùn)教程智能建造應(yīng)用與實(shí)訓(xùn)系列第二章3D打印建造技術(shù)常見(jiàn)工藝方法及流程目錄了解3D打印建造技術(shù)的常見(jiàn)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(diǎn)理解3D打印建造技術(shù)應(yīng)用的一般流程本章難點(diǎn)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(jī)械臂驅(qū)動(dòng)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(lái)，3D打印（3D-printing）作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)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(rèn)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(jī)電控制、材料科學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)等多項(xiàng)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(shì)。因此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大批科研院所及企業(yè)對(duì)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(chǎng)地條件進(jìn)行了大量研究。目前大型3D打印建造工藝主要有3類(lèi)：輪廓加工、D-shape和混凝土印刷技術(shù)；機(jī)械結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)類(lèi)型有3種：龍門(mén)結(jié)構(gòu)、懸索機(jī)器人和機(jī)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(xiàng)通過(guò)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(guò)控制計(jì)算機(jī)對(duì)模型進(jìn)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(dòng)并擠出類(lèi)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(shí)現(xiàn)方式：1.

一個(gè)大型龍門(mén)吊打印整個(gè)建筑物2.

多個(gè)小型機(jī)器人打印各個(gè)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(shí)現(xiàn)方式，相對(duì)于傳統(tǒng)方式來(lái)說(shuō)，輪廓工藝在時(shí)間和成本上均具有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，輪廓工藝?yán)脟娮旄綆У哪嗟峨S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(guān)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了建筑構(gòu)件表面的光滑處理。采用輪廓工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)3D打印建造施工時(shí)，其基本工序流程為：混凝土罐車(chē)將混凝土泵送到龍門(mén)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(guò)梁等水平構(gòu)件則需預(yù)先在地面制作成型，而后由龍門(mén)架上的吊車(chē)進(jìn)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(diǎn)主要優(yōu)勢(shì)不足之處技術(shù)難點(diǎn)輪廓工藝的技術(shù)難點(diǎn)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(shì)利用抹刀實(shí)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(shí)定制化程度高、設(shè)計(jì)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(jì)的難度；分層澆灌建筑墻體內(nèi)核會(huì)增加材料層間銜接部位性能薄弱區(qū)，為材料長(zhǎng)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(guó)俄亥俄大學(xué)（OhioUniversity）Paul等人改進(jìn)并提出了輪廓工藝-帶纜索系統(tǒng)（CC-cable-suspended），以剛框架作為機(jī)械骨架，通過(guò)12條纜索控制終端噴嘴的三維運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)其為基于直角坐標(biāo)系的輪廓工藝?yán)|索機(jī)器人（ContourCraftingCartesianCableRobot，C4Robot）優(yōu)點(diǎn)：用輕質(zhì)框架代替笨重龍門(mén)架，更加便攜、靈活、易拆裝，使得在工地現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(guó)拉夫堡大學(xué)（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(lái)被稱(chēng)為“混凝土打?。–oncretePrinting）”的3D打印建造技術(shù)，通過(guò)噴擠材料分層打印和植入橫向鋼筋網(wǎng)的交叉操作實(shí)現(xiàn)實(shí)體構(gòu)建打印，能夠靈活控制內(nèi)部和外部形狀，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自由，同時(shí)也有學(xué)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(guò)一個(gè)大型的3D打印機(jī)，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(shí)體建筑，具有良好的抗壓能力和足夠的抗拉強(qiáng)度，即使用該技術(shù)打印的建筑物不需要鋼筋來(lái)提升抗拉強(qiáng)度。D型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其建造價(jià)格低廉，可較好地控制產(chǎn)品質(zhì)量，能通過(guò)掃描技術(shù)定制修補(bǔ)缺損構(gòu)件，且打印的構(gòu)件光滑堅(jiān)硬。3.1D型D型機(jī)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(kāi)始，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Michael等人以砂石粉末為材料，經(jīng)過(guò)數(shù)字算法建模、分塊三維打印、壘砌組裝等過(guò)程，該技術(shù)稱(chēng)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(gè)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(jì)建造方法的一個(gè)典型嘗試。4.大型機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)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(dòng)\3m×3m×8m的機(jī)械手以錯(cuò)位形式抓取堆疊磚塊，上下兩塊磚之間用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑連接補(bǔ)強(qiáng)，建造了外立面超過(guò)300平方米的“動(dòng)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(xiàn)性建筑之美，但其建造尺寸仍受機(jī)械限制。4.1磚塊堆疊機(jī)械手驅(qū)動(dòng)磚塊堆疊過(guò)程2010年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)ArchimMenges教授的ICD工作室開(kāi)始了以公園展亭（Pavilion）為對(duì)象的數(shù)字設(shè)計(jì)建造探索。2012年，團(tuán)隊(duì)采用計(jì)算數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)器臂自動(dòng)操作的方式，使用碳纖維材料及設(shè)定的編織工藝，通過(guò)精準(zhǔn)控制機(jī)器人與自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的模具之間協(xié)同工作，編織了一個(gè)可自支撐的殼體結(jié)構(gòu)展亭。展亭自動(dòng)編織工藝流程4.2展亭編織展亭自動(dòng)編織過(guò)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(hù)等四個(gè)步驟。3D打印建造工藝流程圖一、控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：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(dòng)電機(jī)須具有足夠的承載能力，頻繁啟停時(shí)振動(dòng)較小；3）控制程序應(yīng)易于編寫(xiě)和修改；4）具有良好的人機(jī)交互界面，用戶(hù)可以通過(guò)人機(jī)交互界面操作系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊；5）良好的可擴(kuò)展性，將有助于在設(shè)備上增加新的模塊，并有助于改進(jìn)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(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：1）泵必須提供足夠的壓力來(lái)推動(dòng)混凝土在管道中的流動(dòng)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(mǎn)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(guò)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(dòng)的脈動(dòng)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(lèi)：水泥基材料、石膏類(lèi)材料、樹(shù)脂類(lèi)材料以及金屬類(lèi)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(jì)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(diǎn)，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(qiáng)度等級(jí)和生產(chǎn)廠(chǎng)家分別儲(chǔ)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(duì)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(biāo)要求更加嚴(yán)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(chǎng)家分別儲(chǔ)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(chǎng)家分別儲(chǔ)存。粉狀外加劑應(yīng)有防潮措施，液體外加劑儲(chǔ)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(duì)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(dǎo)致混凝土質(zhì)量波動(dòng)，建議對(duì)集料的存放地點(diǎn)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(mǎn)足3D打印建筑的需求，混凝土拌合物必須達(dá)到特定的性能要求。對(duì)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(qiáng)度，凝結(jié)時(shí)間等方面可能無(wú)法達(dá)到3D打印的要求，需在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究。如改變水泥組成中的礦物組成、熟料的細(xì)度等。2）3D打印是通過(guò)噴嘴來(lái)實(shí)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(mǎn)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(xiàng)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(qiáng)度，好耐久性，良好的拌合性能，合適的凝固時(shí)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(jìn)行混凝土原材料制備過(guò)程中，原材料計(jì)量應(yīng)全程采用電子計(jì)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(yàn)方法打印過(guò)程中應(yīng)注意：1）3D打印建造施工過(guò)程中應(yīng)有專(zhuān)人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，觀(guān)察打印效果和打印設(shè)備運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)立即調(diào)整或停止打印，問(wèn)題解決后方可繼續(xù)打印施工。2）打印過(guò)程中，上、下兩層間隔時(shí)間不宜超過(guò)混凝土拌合物的凝結(jié)時(shí)間。3）原位3D打印建筑打印施工時(shí)，如遇高溫、大風(fēng)、雨、雪等惡劣天氣，不宜進(jìn)行打印。打印過(guò)程中因故暫停打印，繼續(xù)打印時(shí)，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(dāng)暫停時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或混凝土不能滿(mǎn)足可打印性要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)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(shí)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(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)，基本要求及注意事項(xiàng)如下：1）水中養(yǎng)護(hù)對(duì)打印混凝土的性能有較大影響，主要原因在于水中養(yǎng)護(hù)會(huì)對(duì)打印混凝土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)有一定的改善作用，填充打印混凝土在打印過(guò)程中造成的孔隙，從