混凝土3D打印质量影响因素及控制方法

2023年12月13日发(作者：口语测试)

-

2021年第4期4月混凝土与水泥制品CHINA

CONCRETE

AND

CEMENT

PRODUCTS2021

No.4April混凝土

3D打印质量影响因素及控制方法杨敏，来猛刚，窦艳宁，田果(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710065)摘

要：为更好地控制混凝土

3D打印构件的成型质量，从构件造型实现程度、成型精度、表面纹理质量、力学性

能、非薄壁构件的填充质量等方面介绍了混凝土

3D打印质量评价指标遥结合混凝土

3D打印技术流程，研究了影响

3D打印质量的主要因素，如打印材料、打印设备、控制系统、切片及路径规划算法、控制参数、打印环境条件等遥并针

对主要影响因素，采用定性分析与理论分析相结合的方法，提出了其相应的质量控制方法遥关键词：混凝土曰3D打印；打印质量;影响因素；质量控制方法中图分类号:TU528

文献标识码：A

doi:10.19761/j.1000-4637.2021.04.011.06Influencing

Factors

and

Control

Measures

of

Concrete

3D

Printing

QualityYANG Min,

LAI

Meng-gang,

DOU

Yan-ning,

TIAN

Guo(CCCC

First

Highway

Consultants

Co.,

Ltd.,

Xi'an

710065,

China)Abstract:

In

order

to

control

the

forming

quality

of

concrete

3D

printing

components,

a

t

of

quality

evaluation

index

of

concrete

3D

printing

was

introduced

from

the

aspects

of

the

realization

degree

of

printing

parts,

forming

precision,

surface

texture

quality,

mechanical

properties

of

printing

parts,

filling

quality

of

non

thin-walled

components.

Combinedwith

the

whole

technical

process

of

concrete

3D

printing,

the

main

quality

influencing

factors

were

studied,

includingprinting

materials,

printing

equipment,

control

system,

slicing

and

path

planning

algorithm,

control

parameters,

printing

environment

conditions

and

so

on.

According

to

the

main

influencing

factors,

qualitative

analysis

and

theoretical

analysis

were

combined

to

further

analyze,

and

the

corresponding

quality

control

measures

were

put

words:

Concrete;

3D

printing;

Printing

quality;

Influencing

factor;

Quality

control

measure0前言混凝土

3D打印技术是基于三维数字化设计，

采用“层积”成型方式进行混凝土成型的一种建造

发送给打印系统，以坐标定义点形成线，进而逐层

打印混凝土结构叫混凝土

3D打印质量受打印材

料、打印机系统、泵、控制系统、打印头、出料嘴形状

技术。打印过程是将打印头安装在一个载重定位机

架上，按照设定的打印路径进行移动并持续挤出混

等多种因素共同影响叫国内外学者对于混凝土

3D

打印系统及影响打印质量的因素进行了大量研究。

郭潞杰冈在特定打印设备与材料的前提下，进行了

不同打印工艺对构件成型效果的影响研究。在打印

头移动速度控制方面,NERELLA等［4］使用的打印速

凝土料浆。成型过程与熔融沉积成型(Fud

Deposition

Modelling,以下简称FDM)具有公定的相

似性，通过打印头挤出料浆的线性层积成型，无需

借助模板。混凝土

3D打印系统一般由路径规划系统、材

料制备系统、材料输送系统、材料挤出打印头、载重

度约为75

mm/s,通过速凝剂将混凝土材料的初凝

时间控制在3

min以内，层间间隔时间为30

s,打印

时间为90

min。在PERROT等冋的研究中，打印层之

间的时间间隔在11~60

s,打印速度为1.1~6.0

m/ho

定位机及其控制系统组成。控制系统控制打印料浆

的泵出速度、打印头的位移速度、出料嘴的挤出速

度、出料嘴的角速度等打印参数，然后以机器语言基金项目：“十三五”国家重点研发计划项目

(2019YFC1907105)；中交集团2020重大研发项目(2020-

在打印头出料嘴的选择研究方面，圆形打印头在打

印路径方向改变时能够相对容易地实现打印效果

与设计模型的吻合，而方形打印头实现难度较大，

但方形比圆形或椭圆形打印头有更好的表面平整

度；出料嘴不同横截面积对料浆挤出速度及打印头

移动速度的要求不同。在NERELLA等冈和LE等［6］-11

-ZJKJ-07)；中交集团特大研发项目(2018-ZJKJ-02)o 2021

年第

4

期混凝土与水泥制品总第300期的研究中，分别采用了

9

mmx6

mm和38 mmx

15

mm

的出料嘴;LIM等［7］的研究采用直径为4~27

mm的

圆形出料嘴。武雷等［8-9］研究了搭接宽度对3D打印

混凝土基本力学性能的影响以及工艺参数对成型

精度的影响遥对于3D打印水泥基材料，一般要有适宜的流

动性、堆积性、较快的凝结时间以及较高的早期强

度,使得混凝土料浆能够顺利地从打印头中挤出并

堆积成构件［10］o

LE等［11］对适用于挤出层积打印工艺

的水泥基材料，提出了可挤出性、可堆积性、打印时

间及工作性四大指标。段严等问对3D打印混凝土材

料相关性能的研究进展进行了梳理。於家勉等问对

3D打印混凝土层间性能的影响因素与测试方法研

究进行了总结遥随着3D打印技术在土木工程领域的应用，混

凝土

3D打印技术正逐步从“可打印”到“可批量化、

精准化、规模化打印”发展。目前,混凝土

3D打印

质量成为制约3D打印技术推广及进一步发展的瓶

颈，开展混凝土

3D打印质量影响因素及控制措施

的研究，对促进其发展与应用具有重要意义。目前

的研究工作主要集中在影响3D打印质量的某一个

因素或某一类因素，而3D打印质量往往受多种因

素综合影响。因此，有必要对混凝土

3D打印质量影

响因素展开更为全面、系统的研究遥

本文基于工业

机械臂驱动的混凝土

3D打印工艺，对工艺流程中

影响打印质量的关键因素进行分析,综合考虑后提

出质量控制方法，以期为混凝土

3D打印技术相关

研究提供参考遥1混凝土

3D打印质量及影响因素1.1 打印质量3D打印混凝土构件的打印质量一般由打印件

造型实现程度、成型精度、表面纹理质量、力学性

能、非薄壁构件的填充质量等指标来评定。其中，每

个方面又有一些具体的质量指标，所以本文将混凝

土

3D打印质量划分为一个质量体系，见图1o

1.2影响因素3D打印混凝土结构的成型质量受打印技术流

程各个环节中的多种因素共同影响。混凝土

3D打

印技术流程如图2所示。1.2.1

设计建模阶段模型设计者对于打印系统的打印能力范围需

要有清晰的认知,应对打印设备特征、打印尺寸、打

印系统可实现的打印件曲率、双曲面、镂空、局部悬

空等情况进行充分考虑。在开始打印前，此方面因

素均会对打印质量产生影响遥-12-图1混凝土

3D打印质量体系分类示意图机械臂运数字模型 动控制打印头挤图2混凝土

3D打印流程图1.2.2模型切片及路径规划阶段在模型切片阶段,切片厚度直接影响打印的分

层厚度,而分层厚度又是影响打印质量的关键工艺

参数之一。打印路径规划思路及图形算法的不同，

直接导致打印运动轨迹不同，从而影响构件的打印

质量遥1.2.3

3D打印阶段(1)3D打印过程是指混凝土的制备到打印层堆

积成型的过程，包含了原材料混合搅拌、泵车螺杆

挤出、管道输送、打印头挤出、堆积成形等过程。此

过程各环节对水泥基材料的性能提出了不同的要

求，如图3所示。结合挤出层积打印工艺流程，不同

的性能指标对应不同的工艺阶段遥

打印材料的触变

性、流动性、可挤出性、可堆积性、凝结时间、用水

量、纤维及骨料类型、拌和时间、挤出压实度等均对

打印过程及打印质量产生影响遥触变性、流变性可挤岀性可堆积性I打印头I

］挤出成品

II成型构件搅拌养护图3

3D打印工艺过程混凝土所需性能杨

敏，来猛刚,窦艳宁，等

混凝土

3D打印质量影响因素及控制方法(2)

打印设备系统中，机械臂为打印提供了空间

定位,其定位精度、启停控制、运动控制逻辑等直接

影响打印质量。打印头及出料嘴是混凝土材料的打

印挤出设备，打印头是否储料且进行二次螺杆挤

出、构造设计、出料嘴的类型、尺寸、形状、材质、出

料原理、机电性能等均影响出料的质量。(3)

打印工艺及系统参数设置,包括打印层厚

度、打印头移动线速度、材料挤出速度、泵车泵出速

度(泵压)、输料方式及路径等，均可对打印质量产

生影响。(4)

混凝土

3D打印质量同时受打印环境温度、

湿度以及养护条件的影响。2混凝土

3D打印工艺流程中影响打印质量的因

素及控制方法2.1

设计建模阶段混凝土

3D打印受技术本身发展的局限性影

响，目前还不能完全实现任意三维模型的直接打印

成型。设计人员对打印设备打印能力范围的把握，

将直接影响构件打印成型质量。打印过程中受打印头的尺寸、形状等的影响，会

造成不同程度的“造型损失”，模型中如果设有尖

角，则打印实现难度较大。以打印矩形为例,在转角

处存在“造型损失”,如图4所示。若选择圆形出料

嘴，造型损失受出料嘴直径影响较大;选择矩形可

旋转出料嘴打印头，“造型损失”受出料嘴长边边长

及出料嘴的路径、转角方式的影响较大，可通过出

料嘴的启停、转角算法的调整减少造型损失。(a)模型切片图形

(b)打印成型图形(c)实际打印成型效果

图4造型损失双曲面的打印实现能力是打印设备系统及材

料研发的重要能力体现。双曲面的打印可通过两种

方式实现:一种是通过打印层之间的偏移量累积拟

合形成曲面，如图5所示;另一种是通过控制算法,

调整机械臂的运动，使打印头出料嘴与水平面形成

夹角,即料条之间不再是水平层积，而是有内外高

度差的层积状态,从而实现曲面打印。如图6所示。图5通过打印层间偏移量累积实现双曲面打印(c)实际效果图6通过算法调整机械臂实现曲面打印对于存在局部悬空造型的打印实现，在材料确

定的情况下,随着悬空尺寸的增大，打印造型的变形

也随之变大，如图7所示。此类局部表面小纹理悬空

造型的打印质量，可以通过调整材料配合比，提升混

凝土料浆的形状保持度［14-15来改善。同时，设计者在

模型设计中还需要考虑打印料浆及设备能够实现的

最大局部悬空量。(a)局部悬空的纹理变形

(b)改善的局部悬空纹理图7部分悬空打印造型由此可见，在模型设计过程中要充分考虑混凝

土

3D打印的技术特征及其现阶段的技术局限性，

对于打印构件的质量具有重要影响。2.2切片及路径规划阶段设计模型的切片及路径规划过程决定了打印设

备设定及运行的最基本参数。模型切片厚度、路径规

划算法等均对成型件表面质量、成型结构的力学性

能产生影响。在打印材料确定的条件下，同一构件，切片厚度

决定了分层数量,切片厚度越薄，分层数量越多，同

一模型打印的层数越多袁层间黏结力对构件总体力

学性能影响越大。因此,在通过材料物理力学指标、-13- 2021

年第

4

期混凝土与水泥制品总第300期层间黏结力指标等对打印构件力学性能进行评估

时，需要充分考虑切片厚度及分层数量的影响。另

外，混凝土

3D打印工艺使打印出的构件具有天然

的打印纹理，切片厚度决定了纹理形成的间距及视

觉效果。常规FDM工艺采用的切片方式是水平切片，

每层切片打印填充完成后再进行之后的打印。以空

心圆柱的打印实现为例，如图8所示。空心圆柱本

质上是由两个同心圆环之间填充形成的，通过圆环

的逐层打印堆叠形成空心圆柱。目前,混凝土

3D打

印对空心圆柱的打印多采用同心轴切片，即将物体

的三维模型按照平行于z轴方向、以同心轴嵌套面

进行切片，再将各嵌套面进行同心圆环打印堆叠、

层间连接,从而形成空心圆柱。因此,切片的纵向嵌

套同心圆环及其间距的合理设置尤为重要，合理的

设置可有效控制打印出的成品构件实际尺寸与设

计尺寸之间的偏差。(a)常规FDM工艺切片(b)混凝土打印切片图8空心圆柱打印切片实现混凝土

3D打印逐层累积成型，完成底层的打

印后再进行上一层的打印，会在下层和上层的抬升

处出现“台阶”现象。经过多层的累积，在抬升累积

处就会形成“结点面”。可通过改进路径规划，将抬

升处放置在结构的内部或拼接处,保证结构外部的

整体性、均匀性和表面质量；或者将每一个打印层

的抬升处设置在不同的位置,消除抬升点的累积效

应，弱化“结点面”的形成，见图9o(a)层间抬升台阶接头(b)节点累积的“节点面”1(c

)路径规划优化后的打印面图9

3D打印“台阶”现象2.3

3D打印阶段2.3.1

3D

打印混凝土的制备-14-混凝土的性状是影响3D打印成型质量的关键

因素之一。以坍落度为例，混凝土坍落度的大小，直

接影响打印挤出料条的形变量。以圆形挤出嘴为

例，见图10o打印料条的初始截面形状近似图10(a),

自然接触时近似图10(b),经打印头移动、料条与下

层粘接、上层挤压粘接、坍落变形后，实际成型截面

近似图10(c)o混凝土坍落度越大，成型截面的高度

a越小，宽度b越大。在打印分层厚度、打印头挤出

速度、打印头移动速度固定的情况下，挤出料条的

形状及a、b保持不变，坍落度成为影响打印层累积

误差C的关键指标(C抑分层厚度ax层数n-实际打

印成型总高度h)。(a)初始形状

(b)自然接触形状

(c)定型形状图10圆形挤岀嘴料条形状在打印层间隔时间、打印参数、材料一定的条

件下袁当打印分层厚度大于打印头挤出料条的成型

厚度时，单层料条的层高误差Ah主要受三种因素

影响：打印过程中料嘴距离打印层高度自由下落

“拉扯”料条引起的变形高度差Ah1、材料坍落变形

引起的高度差Ah、上层堆积料堆压引起的高度差

Ah3，即Ah主要由Ah1、Ah2和Ah3三部分组成。当打

印分层厚度等于打印头挤出料条的成型厚度时袁单

层料条的层高误差Ah主要由Ah2和Ah3组成;当打

印分层厚度小于打印头挤出料条的成型厚度时袁单

层料条的层高误差Ah主要由Ah3和出料嘴挤压引

起的层高误差Ah4组成。2.3.2

打印设备及控制参数打印设备及其控制参数对打印质量的影响主

要体现在设备的系统定位精度、打印头挤料方式、

打印头出料嘴形式及其控制、出料嘴形状及其运动

控制方面，这些因素对打印构件的表面及结构总体

力学性能影响较大。打印头按是否临时储料可分为储料型打印头

与直出型打印头，见图11o储料型打印头通过螺杆

等结构对打印头内临时存储的混凝土料浆进行二

次挤出，排出因泵送过程可能产生的孔隙及空气，

挤出的料条具有较好的密实度袁但整个打印头会因

螺杆的内部转动引起一定程度的晃动；直出型打印

头不存储料浆,不二次挤出，料浆依靠泵送直接从

出料嘴挤出，打印头内不存在螺杆的挤料搅拌过

程,具有更好的打印定位稳定性。打印头的出料嘴是混凝土料浆离开打印系统杨敏，来猛刚,窦艳宁，等

混凝土 3D打印质量影响因素及控制方法o特定的可控可动姿态。根据材质可分为不同的类

型，包括金属出料嘴、塑料出料嘴以及组合材料出

料嘴等,由于材料表面摩擦系数的差异,出料嘴材

料会影响挤出料条的表面光滑度。出料嘴形状对挤出料条的形状、结构外观以及

结构力学性能均有较大影响。目前使用较多的出料

嘴形状主要有圆形、正方形、矩形。对于正方形和圆

(b)直岀型打印头

形出料嘴，路径规划及打印实现相对简单,不会在

图11打印头拐弯处因出料嘴的形状引起料条及打印尺寸的变化，见图13o矩形出料嘴因其沿长、宽两个方向移动

堆积成型的最后一处设备接触点,其类型、材质、形

状对打印表面质量及结构力学性能产生显著影响。

出料嘴类型多样，如图12所示。根据是否可动可控

产生的料条宽度不同，若采用矩形出料嘴，在相同

的切片及路径规划下，对打印形状产生影响，见图

分为固定型出料嘴和可动型出料嘴。固定型出料嘴

仅仅是料浆挤出的出口，仅影响挤出料条的截面形

状和尺寸，可动型出料嘴根据打印需求的不同具有

14o因此,在实际研究及应用中，常见的矩形出料嘴具有可动可控、随打印路径转动跟随的功能，以实

现图15、图16的打印路径。忙:…r；

-■：■旋转图12混凝土打印

图13圆形(或正方形)图14矩形固定

头岀料嘴

固定岀料嘴打印路径岀料嘴打印路径图15矩形可动可控岀料嘴打印路径图16矩形可动岀料嘴打印路径与常规路径对比打印设备定位系统的定位精度受打印机空间

动速度越慢，挤出的混凝土打印条产生堆积，打印

结构刚度、打印机运动控制系统算法、打印机系统

层截面积越大，打印条呈现“厚粗”状,甚至堆积外

挤变形。因此,实际情况中，在正式打印前可对于特

定打印材料、出料嘴、进行出料速度、分层厚度以及

硬件控制精度、打印机端头载重等多种因素的影

响。目前，采用技术成熟的高精度工业机械臂作为

打印设备的定位系统，较桁架定位系统具有更高的

打印头移动速度的匹配测试，采用最佳质量效果的

精度,重复定位精度可达到0.1mm。混凝土打印头

往往具有一定的自重，储料型打印头还需承载存料

的重量。打印头的总体重量将对系统承重变形产生

一组打印工艺参数进行构件打印。3结论与展望混凝土

3D打印质量影响因素较多，在未来的

研究中，应综合考虑多种因素的综合影响，进行定

量测试与试验,对于质量控制研究具有实际意义。参考文献：影响,系统刚度越小,打印头重量越大，硬件系统变

形越大，定位精度越低。打印机运动控制算法决定了系统的运动路径

及路径的实现方式。打印填充拐点影响打印条的堆

积状态,拐点越多，局部堆积量越大,在打印尺寸相

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WOLFS

R

J

M.3D

printing

of

concrete

structures

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Technology,2015.[2]

PAUL

S

C,VAN

ZIJL

GPA

G,TAN

M

J,et

al.A

review

of

3D

concrete

printing

systems

and

materials

properties:

current

对较小的情况下，局部堆积效应更加明显。打印路

径少，可节省打印时间,提高打印填充效率,节省打

印成本。在实际的构件打印中，需要根据构件具体

的特征，在效率与质量之间进行平衡、选择,调整填

充打印的路径规划算法遥在混凝土

3D打印过程中，打印头移动速度对

出料形成的打印层尺寸产生影响。在材料配合比、

status

and

future

rearch

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ng

printability

of

fresh

concrete

for

formwork

free Concrete

on-site

3D

Printing

technology

(CONPrint3D)

[C].Germany:25th

泵速、出料嘴挤出速度确定的情况下，打印头移动

速度越快，挤出料条会与下层粘接造成拉扯,减小

打印条截面尺寸，打印条呈现“细薄”状;打印头移

Conference

on

Rheology

of

Building

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built-up

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LE

T

T,AUSTIN S

A,LIM

S,et

design

and

fresh

收稿日期：2021-02-03作者简介:杨敏（1982—）,女，高级工程师，硕士生导师。properties

for

high

-performance

printing

concrete

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(12):

2401-2407.收稿日期：

2020-11-04作者简介:吴永魁（2000—）,男，本科生。通讯地址:江苏省南京市江宁区秣陵街道东南大学九龙

湖校区联系电话：175****6252[42]

王培铭，丰曙霞,刘贤萍.用于背散射电子图像分析的水泥

浆体抛光样品制备[J].硅酸盐学报,2013,41(2):211-217.E-mail:

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