【摘 要】
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在人类文明历程中,建筑物的观赏价值从未被忽视,尤其是在重视人与自然和谐共生理念的中华文明中。然而特殊建筑的设计通常造型奇特、结构复杂,且需要定制化生产导致成本较高。如今随着3D打印工艺的应用范围越来越广,将其应用于特殊的建筑中也越来越具有价值。本文从材料、设备、路径规划三个方面对其进行系统分析和研究。3D打印建筑的材料选用混凝土。本文设计正交实验使用多指标考核、逐级优化的方式,研究适用于3D打印要
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在人类文明历程中,建筑物的观赏价值从未被忽视,尤其是在重视人与自然和谐共生理念的中华文明中。然而特殊建筑的设计通常造型奇特、结构复杂,且需要定制化生产导致成本较高。如今随着3D打印工艺的应用范围越来越广,将其应用于特殊的建筑中也越来越具有价值。本文从材料、设备、路径规划三个方面对其进行系统分析和研究。3D打印建筑的材料选用混凝土。本文设计正交实验使用多指标考核、逐级优化的方式,研究适用于3D打印要求的混凝土材料。材料主要由骨料、凝胶材料、外添加剂、水四部分组成。正交实验依据凝结时间、坍落度、可挤出性能、可堆积性能、凝结后强度等指标,对不同胶砂比、水胶比、缓凝剂掺量、减水剂掺量的材料进行极差分析,分析不同变量对材料性能的影响方式和大小。最终以3D打印性能最优者作为后期其他研究方向使用的材料,其胶砂比为0.6,水胶比为0.4,缓凝剂掺量为1.5%,减水剂掺量为0.1%,并测量了材料的密度、粘度等参数。混凝土3D打印关键设备之一就是挤出材料的机构,要求其具备连续、稳定、可控地挤出混凝土的功能。首先依据混凝土骨料颗粒直径、材料粘性、流动性、设备生产率、打印速度等主要指标来设计螺旋挤出机,后期应用FLUENT进行流体力学分析,优化螺旋挤出机的主要结构参数。依据速度流线、出料口质量流率、流场总压力分布三个仿真结果,对螺旋挤出机的螺距、螺槽、出料口径做出优化改进,确定螺距为90mm,螺槽深度为30mm,出料口直径为40mm,获得适用于混凝土3D打印用的挤出机构。区别于金属、塑料等这种热熔性材料,混凝土材料很难具备瞬时或极短时间凝结的特性。为此研究凝结时间对3D打印工艺的影响是必不可少的。材料超过初凝时间后就失去流动性和可塑性,所以在进行3D打印路径规划的时候就要以初凝时间为限制条件进行优化,保证材料在失去流动性之前堆叠到路径上。为此综合分析了不同填充路径的优缺点,选取轮廓偏置的填充路径方法。其具备启停次数较少、空走行程少、路径上折弯较少、物料填充率较高等优势,符合混凝土3D打印。然后以时间窗为限制条件,使用遗传算法对每个打印轮廓起始点的排序做优化,从而在规定时间内完成所有轮廓的遍历。基于以上的研究内容设计混凝土模块的3D打印实验,实验选用六轴机械臂作为运动主体,结合混凝土搅拌机、混凝土输送泵、螺旋挤出机等设备,以及控制柜、PLC、驱动器、变频器等电控单元共同搭建实验平台。应3D打印工程实验要求,采用离线编程软件按照规划好的路径设置机械臂的运动轨迹,得到程序后导入到控制柜中,控制机械臂末端的螺旋挤出机按照轮廓形状移动,再配合输送物料的混凝土输送泵实现3D打印作业。通过对实验结果的分析,确定了螺旋挤出机中的电机转速为30r/min比较符合工艺要求,最终验证了混凝土3D打印技术用于特定建筑是可行的,研究成果为建筑业的生产工艺创新提供一定的参考。
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