CN110954442B - 一种水泥基材料3d打印动态特性在线测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，包括以下步骤：1)构建水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台；2)在线实时采集在3D打印过程中的打印工艺参数；3)建立水泥基材料3D打印动态特性预测模型，评价水泥基材料3D打印质量，即水泥基材料的可打印性。与现有技术相比，本发明具有考虑因素全面、自动连续测试、适用性强等优点。

Description

一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法

技术领域

本发明涉及水泥基材料3D打印检测技术领域，尤其是涉及一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法。

背景技术

水泥基材料3D打印是一项颠覆性的建造技术，区别于传统建造使用的混凝土材料，3D打印用水泥基材料必须具有可打印性。由于目前还没有相应的国家或行业标准，如何设计及评价混凝土打印性能是突破建筑3D打印技术瓶颈的关键。可打印性不仅与材料的流变性密切相关，同时也具有工艺依赖性。但现有的流变性测量技术并未考虑由于工艺而引起材料特性的动态变化，对可打印性的研究大多还处于定性阶段。本专利旨在建立一套水泥基材料可打印性的表征理论与测量技术，研发一个水泥基材料可打印动态特性的在线检测装置。实现可打印性检测从静态到动态，从离线到在线，从定性到定量的转变，推进材料的设计研发及打印工艺优化。

从材料科学与工程的角度，水泥基材料三维打印也是混凝土发展史上的重大转折。不同于传统混凝土材料，用于3D打印的水泥基材料需要有更加特殊的性能要求，以满足在3D打印工艺链中的可打印性，即可泵送性、可挤出性、可建造性。用于3D打印的水泥基材料需要有着与传统自密实水泥或喷浆水泥同样的流动性，以保证其可泵送性和可挤出性。同时，为了能够在打印过程中保持层的形态，可打印的水泥材料还需要满足在挤出后不会在重力作用下产生明显形变、保证打印精度的特性，即可建造性。因此，可打印水泥基材料的流变性设计、控制与测量显得尤为重要。合适的流变性能，能够使得水泥材料既能满足一定的流动性，同时也能保证打印过程中的可挤出性以及挤出后的可建造性。对于传统自密实水泥，流变仪是测量流变性能参数如屈服应力、粘度等最常用的仪器，如常见的旋转式流变仪(同轴圆柱式、叶轮式和平行板式)，以及应用较为少见的毛细管流变仪等。另外，即使是相同的水泥材料，不同的流变仪测试出来的结果也会不尽相同，因此常用的流变仪静态测试方法也无统一标准，而且流变仪的使用会比其他测试方法相对昂贵。由于用于3D打印的水泥基材料与传统自密实水泥基材料所要求的性能的差异性，传统的流变性能参数的测试方法不再适用，描述传统水泥流变性能的表征参数(如屈服应力、粘度等)也不能够充分描述用于3D打印水泥材料的可泵送性、可挤出性、可建造性等特性。

针对3D打印水泥基材料相关特性的表征参数以及测试方法目前并无统一的标准。针对3D打印水泥材料的可泵送性、可挤出性、可建造性等，常见的性能测试方法，诸如流动性测试、流动速度测试及流变性能测试等都不足以表征水泥基材料的打印性能，而现有的针对性测试方法因表征参数较少或测试方法过于繁琐，无法试验性评价水泥基材料的打印性能，特别是对在层叠工艺下材料的3D打印性能的测试及评价。针对3D打印水泥性能表征及测试，国内有不少专利开发了相应的测量装置及方法，包括针对新拌3D打印水泥承载力及形变量的测量装置及方法，以流动性、站立性两个性能指标表征3D打印水泥特性并同时测量的装置及方法，以及以时间为变量研究水泥基材料各项参数变化曲线以探究并优化其打印性能等。如中国专利《3D打印建筑砂浆工作性测试装置及应用》提出了一种可以表征不同打印砂浆工作性能的方法，通过挤压注射筒内的砂浆，测试挤出时间，量化砂浆的工作性能。该方法类似于流动测试方法，主要是可模拟一定压力材料的挤出性能变化趋势，但仍存在对挤出后材料的可建造性无法考量的问题。另外还有利用可塑造性表征3D打印水泥的特性，从成型时间、承载力、变形等表征参数予以测量表征。中国专利《一种建筑3D打印材料建造性能的测试装置及测试方法》提出了一种测试装置，依据测试出来的多个数据拟合并创建了表征3D打印水泥材料建造性能的参数，但仍是脱离实际3D打印工艺的静态测量方法。

相较于传统建造模式下水泥基材料的高性能化发展，建筑3D打印水泥基材料的性能设计要求却并不趋同，如何系统地设计及评价水泥基材料的3D打印性能十分重要。然而目前还没有相应的国家标准或行业标准，也缺乏针对建筑材料建造性能的测试及评价方法，这极大地制约了3D打印技术在建筑领域的应用及发展。因此，如何设计及评价水泥基材料的打印性能，是突破建筑3D打印技术瓶颈的重点。目前已有的测试仪器主要针对材料流变性能的某一个或两个指标进行静态测试，测试是在单独的测试仪器上进行，与实际的水泥3D打印设备分离且难以进行集成，因此不能综合反映出各个指标与3D打印设备的各个参数的关联性，无法动态反馈性能参数，也不能反映出实际打印过程中性能参数的变化情况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，包括以下步骤：

1)构建水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台；

2)在线实时采集在3D打印过程中的打印工艺参数；

3)建立水泥基材料3D打印动态特性预测模型，评价水泥基材料3D打印质量，即水泥基材料的可打印性。

所述的水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台包括由下至上依次设置的设备层、采集层、数据层、表示层和功能层，所述的采集层用以在线实时获取在3D打印过程中的打印工艺参数，所述的数据层和表示层用以获取打印工艺参数的动态数据曲线，所述的功能层用以根据打印工艺参数评价水泥基材料的可打印性。

所述的采集层包括设置在搅拌系统搅拌轴处的第一扭矩传感器T1、设置在泵送系统螺杆轴处的第二扭矩传感器T2、设置在挤出打印系统挤出螺杆轴处的第三扭矩传感器T3、设置在供料管道始末两端的第一压力传感器P1和第二压力传感器P2、设置在泵送系统与供料管道连接口处的第一流量计Q1、设置在打印挤出头处的第二流量计Q2和TOF传感器。

所述的步骤3)中，水泥基材料的可打印性包括可泵送性、可挤出性和可建造性三项指标，所述的可泵送性为新拌水泥基材料采用泵送的方式通过管道，保持不发生堵塞或泌水现象的能力，所述的可挤出性为新拌水泥基材料采用螺旋挤出方式通过挤出口，挤出来的条状水泥基材料保持均匀连续，不发生撕裂或者断裂的情况的能力，所述的可建造性为新拌水泥基材料挤出成型后，在承受自重以及上部覆盖层的压力后，维持自身形状的能力。

所述的可泵送性通过水平设置的供料管道内水泥基材料的泵送屈服剪切应力来表征，该泵送屈服剪切应力由实时检测的水泥基材料在水平设置的供料管道内的流速v和两端压力差ΔP得到，具体为：

其中，S为水平设置的供料管道内水泥基材料圆柱体单元的横截面积，V为该水泥基材料圆柱体单元的体积，t为时间，η₁为材料泵送粘度系数，τ₁为泵送屈服剪切应力，r、l为圆柱体水泥基材料单元的半径和长度，当

时，水泥基材料会在管道内流动，满足可泵送性要求，水泥基材料的泵送屈服应力越小，表明水泥基材料的可泵性越好。

所述的可挤出性通过料仓搅拌过程中水泥基材料的搅拌屈服剪切应力来表征，该搅拌屈服剪切应力由实时检测的搅拌电机转速ω和实际扭矩T得到，具体为：

其中，K为设备系数，n为搅拌叶片的个数，a为搅拌叶片的宽度，η₂为材料搅拌粘度系数，β为搅拌叶片的螺旋角度，R_a、R_b分别为搅拌叶片上下两端距离搅拌中心轴的距离，τ₂为搅拌屈服剪切应力，即拌水泥基材料能否产生塑性变形主要指标，当搅拌中心轴作用而产生的剪切应力τ＜τ₂时，则不会发生流动；当τ＞τ₂时，则会发生流动，满足可挤出性要求，水泥基材料的搅拌屈服应力越小，表明水泥基材料的挤出性越好。

所述的可建造性通过TOF传感器实时测量打印体的坍落度和打印体截面宽度变形量来表征，所述的坍落度为水泥基材料在承受自重以及上部覆盖层的压力后，向下坍落的高度，所述的打印体截面宽度变形量为水泥基材料在承受自重以及上部覆盖层的压力后，截面宽度在横向的变形量，则有：

ΔWi＝AWi-W

其中，T_i为打印到第i层时的塌落度，ΔWi为打印到第i层时的截面宽度变形量，TH_i为打印到第i层时打印体的理论高度，AH_i为打印到第i层时打印体的实际高度，AWi为打印到第i层时打印体的实际最大截面宽度，W为打印头的挤出口宽度，H为打印体的总高度，L为打印体总层数，在打印过程中，水泥基材料打印体的塌落度和截面宽度变形量越小，表明3D打印水泥基材料的可建造性越好。

所述的水泥基材料可打印性基于层次分析法通过可泵送性、可挤出性及可建造性三个准则进行综合评价。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，通过在水泥基材料3D打印过程中实时对动态数据进行采集与分析，分析动态工况下的水泥基材料各项参数，进而实现表征3D打印水泥基材料的动态特性。

(2)现有的流变性测量技术并未考虑由于工艺而引起材料特性的动态变化，本发明是一个集成于水泥基材料三维打印工艺链的在线测试方法，考虑了工艺引起的材料流变特性的变化因素，测试贯穿3D打印的全工艺链条，自动连续的测试技术特点减少了测试中的人为干预，同时可具有在线监测和反馈控制的潜在功能。

(3)现有对材料可打印性的评价指标研究还未成体系，本发明提出建立一套水泥基材料可打印性的表征理论与测量技术，对改进材料设计、预测材料性能、优化工艺参数、提高可打印性与设备的匹配度等具有重要应用价值。

附图说明

图1为水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台整体架构。

图2为层次结构模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种水泥基材料3D打印动态特性在线测方法，用于表征测试水泥基材料的可打印性。

水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台总体架构如图1所示。仪器架构“自下而上”依次设有设备层、采集层、数据层、表示层及功能层。其中，设备层(硬件平台)包括搅拌系统、泵送系统、CNC控制系统、供料管道及挤出打印系统等；采集层为传感器布置方案，具体是扭矩传感器T1位于搅拌系统搅拌轴处，扭矩传感器T2位于泵送系统的螺杆轴处，扭矩传感器T3位于挤出打印系统的挤出螺杆轴处，压力传感器P1和压力传感器P2分别位于供料管道的始末两端，流量计Q1位于泵送系统与供料管道的连接口处，流量计Q2位于打印挤出头处，TOF(Time of flight)传感器安装在打印挤出头处；在数据层和表示层中，通过分别获取扭矩传感器、压力传感器以及流量计、TOF传感器等的实时检测数据，按照可泵送性(温度、压力、流量、扭矩等)、可挤出性(温度、压力、流速、功率、挤出比、锥度等)以及可建造性(截面形状、已打印层的形变)相应测量指标，在打印过程中基于LabVIEW对数据进行实时处理，进而得到可以表征材料的可泵送性、可挤出性以及可建造性的动态数据曲线，实现水泥基材料三维打印动态特性在线综合测试；功能层通过材料三维打印动态特性，可以评价材料的可打印性，预测材料性能变化，进而指导科研人员优化打印工艺和研发材料。

本实施例中，水泥基材料3D打印动态特性在线测方法具体内容如下：

一、定义

可泵送性：新拌水泥基材料采用泵送的方式通过管道，保持不发生堵塞或泌水现象的能力。

可挤出性：新拌水泥基材料采用螺旋挤出方式通过挤出口，挤出来的条状水泥基材料保持均匀连续，不发生撕裂或者断裂的情况的能力。

可建造性：新拌水泥基材料挤出成型后，在承受自重以及上部覆盖层的压力后，维持自身形状的能力。

二、表征

(1)可泵送性

水泥基3D打印材料可以近似看作宾汉姆体，可以利用宾汉姆的流变方程推导新拌水泥基3D打印材料在泵松管道中的流动。通过测量水泥基材料在水平设置的供料管道内的流速v和压降ΔP得到水泥基材料的屈服应力，进而表征可泵送性。

水泥基材料拌合物的泵送压力损失随着其在泵管中的流动速度不同而有所差异，流动速度越大则泵送压力损失越大。研究表明，高流动性水泥基材料符合宾汉姆体模型，其流变学的一般方程为：

其中，η₁为粘度系数，τ₁为材料泵送屈服剪切应力，τ为剪切应力，V为水泥基材料体积，t为时间。

以管道内长度为l，半径为r的材料圆柱体单元作为研究对象。该材料圆柱体单元外周的剪切应力为τ，两端压力差为ΔP，由该材料圆柱体单元在X轴方向的力的平衡可得：

ΔPπr²＝2πrlτ (2)

将式(1)带入上式可得：

当

时，水泥基材料会在管道内流动。因此，试验可以通过测定两组相对应(v，ΔP)数值得到水泥基材料的屈服应力，进而表征可泵送性。水泥基材料的泵送屈服应力越小，表明水泥基材料的可泵性越好。

(2)可挤出性

通过测量水泥基材料的流动性来表征，水泥基材料的流动性越大，可挤出性越好。通过测量搅拌电机转速及实际扭矩得到水泥基材料的屈服应力，进而表征可挤出性。

流体的屈服应力是指对于某些非牛顿流体，施加的剪应力较小时流体只发生变形，不产生流动。当剪应力增大到某一定值时流体才开始流动，此时的剪应力称为该流体的屈服应力。新拌水泥基材料能否产生塑性变形主要指标为τ₀，当某外力作用而产生的剪切应力τ＜τ₂，水泥基材料不会发生流动；当τ＞τ₂，则水泥基材料将会发生流动。因此，水泥基材料的屈服应力可以表征其流动性。

根据《公路工程水泥及水泥水泥基材料试验规程》，扭矩、搅拌电机转速及水泥基材料屈服应力的关系如式(4)所示：

式中，ω为电机转速；T为实际测得的扭矩值；K为设备系数；n为搅拌叶片的个数；a为搅拌叶片的宽度；η₂为材料搅拌粘度系数；β为搅拌叶片的螺旋角度；R_a，R_b分别为搅拌叶片上下两端距离搅拌中心轴的距离；τ₂为材料搅拌屈服应力。式中，除搅拌电机转速及实际扭矩外，其余参数均为常数。因此，试验时可以通过测定两组相对应(ω，T)数值得到水泥基材料的屈服应力，进而表征可挤出性。水泥基材料的搅拌屈服应力越小，表明水泥基材料的挤出性越好。

(3)可建造性

水泥基材料的可建造性可通过测量打印体的坍落度和打印体截面宽度变形量来反应。打印体的坍落度和截面宽度变形量越小，水泥基材料的可建造性越好。提出通过TOF相机获取打印体的高度值和宽度值以计算水泥基材料打印体的坍落度和截面宽度变形量，进而表征可建造性。

新拌水泥基材料的可建造性表征的第一个指标为坍落度，即水泥基材料在承受自重以及上部覆盖层的压力后，向下坍落的高度。第二个指标为截面宽度变形量，即水泥基材料在承受自重以及上部覆盖层的压力后，截面宽度在横向的变形量。通过固定在打印头上的TOF相机采集的高度数据和宽度数据可以分别计算出坍落度和截面宽度变形量，具体过程如下：假设打印一个总高度为H的打印体，打印体总层数为L，当打印到第i层时：用T_i表示打印到第i层时的塌落度，ΔWi表示打印到第i层时的截面宽度变形量；TH_i表示打印到第i层时打印体的理论高度，W表示打印头的挤出口宽度；AH_i表示打印到第i层时打印体的实际高度，AWi表示打印到第i层时打印体的实际最大截面宽度。通过TOF相机可以实时获取第i层时打印体的实际高度值AH_i和实际最大截面宽度AWi。因此：

ΔWi＝AWi-W (6)

进而可表征3D打印水泥基材料的可建造性。打印过程中，水泥基材料打印体的塌落度和截面宽度变形量越小，表明3D打印水泥基材料的可建造性越好。

在获得材料的可泵送性、可挤出性及可建造性后，可采用层次分析法对不同配比的水泥基材料的可打印性进行评价和比较。假设有三种不同配比的水泥基材料，需要评价并比较这三种材料的可打印性，具体实施过程如下：

(1)建立层次结构模型，如图2所示。其中，目标层为可打印性P，表示层次分析要达到的总目标；准则层为可泵送性P₁、可挤出性P₂及可建造性P₃，表示影响总目标的因素；方案层为材料M₁、材料M₂及材料M₃，表示分析对象。

(2)构造成对比较矩阵A，其中，a_ij＝P_i:P_j，表示因素P_i比因素P_j的重要程度(比值1、3、5、7、9分别表示同样重要、稍微重要、明显重要、强烈重要、极端重要；2、4、6、8表示上述两相邻判断的中间值)。由此，构造矩阵A：

可以求出A的最大特征值λ_Amax＝3.0093，对应的特征向量为：

W_λA＝[0.8685,0.4779,0.1315]^T

获取一致性指标

随机一致性指标RI＝0.58(查表)；可得一致性比率

通过一致性检验。

因此，特征向量归一化得权重向量W₁＝[0.5877,0.3234,0.0889]^T

(3)进行层次单排序

构造三种配比材料M₁、M₂及M₃关于可泵送性、可挤出性及可建造性的判断矩阵，其中，b_ij＝M_i:M_j,表示材料M_i比材料M_j的性能好(比值1、3、5、7、9分别表示好的程度、稍微好、明显好、特别好、极其好；2、4、6、8表示上述两相邻判断的中间值)。由此，构造三个判断矩阵B₁、B₂和B₃：

可泵送性

可挤出性

可建造性

求出各属性最大特征值和特征向量：

λ_B1max＝3.0092；λ_B2max＝3.0183；λ_B3max＝3.0092

对应的特征向量为：

均通过一致性检验。因此，权重向量：

(4)层次总排序：

由此得出材料的可打印性评价结果材料M_1＞材料M_2＞材料M₃。

Claims (7)

1.一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台，测试贯穿3D打印的全工艺链条，所述的水泥基材料3D打印动态特性在线测试平台包括由下至上依次设置的设备层、采集层、数据层、表示层和功能层，所述的采集层用以在线实时获取在3D打印过程中的打印工艺参数，所述的数据层和表示层用以获取打印工艺参数的动态数据曲线，所述的功能层用以根据打印工艺参数评价水泥基材料的可打印性，设备层包括搅拌系统、泵送系统、CNC控制系统、供料管道及挤出打印系统；

2)在线实时采集在3D打印过程中的打印工艺参数；

3)建立水泥基材料3D打印动态特性预测模型，评价水泥基材料3D打印质量，即水泥基材料的可打印性。

2.根据权利要求1所述的一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，其特征在于，所述的采集层包括设置在搅拌系统搅拌轴处的第一扭矩传感器T1、设置在泵送系统螺杆轴处的第二扭矩传感器T2、设置在挤出打印系统挤出螺杆轴处的第三扭矩传感器T3、设置在供料管道始末两端的第一压力传感器P1和第二压力传感器P2、设置在泵送系统与供料管道连接口处的第一流量计Q1、设置在打印挤出头处的第二流量计Q2和TOF传感器。

3.根据权利要求2所述的一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，其特征在于，所述的步骤3)中，水泥基材料的可打印性包括可泵送性、可挤出性和可建造性三项指标，所述的可泵送性为新拌水泥基材料采用泵送的方式通过管道，保持不发生堵塞或泌水现象的能力，所述的可挤出性为新拌水泥基材料采用螺旋挤出方式通过挤出口，挤出来的条状水泥基材料保持均匀连续，不发生撕裂或者断裂的情况的能力，所述的可建造性为新拌水泥基材料挤出成型后，在承受自重以及上部覆盖层的压力后，维持自身形状的能力。

4.根据权利要求3所述的一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，其特征在于，所述的可泵送性通过水平设置的供料管道内水泥基材料的泵送屈服剪切应力来表征，该泵送屈服剪切应力由实时检测的水泥基材料在水平设置的供料管道内的流速v和两端压力差ΔP得到，具体为：

其中，S为水平设置的供料管道内水泥基材料圆柱体单元的横截面积，V为该水泥基材料圆柱体单元的体积，t为时间，η₁为材料泵送粘度系数，τ₁为泵送屈服剪切应力，r、l为圆柱体水泥基材料单元的半径和长度，当

时，水泥基材料会在管道内流动，满足可泵送性要求，水泥基材料的泵送屈服应力越小，表明水泥基材料的可泵性越好。

5.根据权利要求3所述的一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，其特征在于，所述的可挤出性通过料仓搅拌过程中水泥基材料的搅拌屈服剪切应力来表征，该搅拌屈服剪切应力由实时检测的搅拌电机转速ω和实际扭矩T得到，具体为：

其中，K为设备系数，n为搅拌叶片的个数，a为搅拌叶片的宽度，η₂为材料搅拌粘度系数，β为搅拌叶片的螺旋角度，R_a、R_b分别为搅拌叶片上下两端距离搅拌中心轴的距离，τ₂为搅拌屈服剪切应力，即拌水泥基材料能否产生塑性变形主要指标，当搅拌中心轴作用而产生的剪切应力τ＜τ₂时，则不会发生流动；当τ＞τ₂时，则会发生流动，满足可挤出性要求，水泥基材料的搅拌屈服应力越小，表明水泥基材料的挤出性越好。

6.根据权利要求3所述的一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，其特征在于，所述的可建造性通过TOF传感器实时测量打印体的坍落度和打印体截面宽度变形量来表征，所述的坍落度为水泥基材料在承受自重以及上部覆盖层的压力后，向下坍落的高度，所述的打印体截面宽度变形量为水泥基材料在承受自重以及上部覆盖层的压力后，截面宽度在横向的变形量，则有：

ΔWi＝AWi-W

其中，T_i为打印到第i层时的塌落度，ΔWi为打印到第i层时的截面宽度变形量，TH_i为打印到第i层时打印体的理论高度，AH_i为打印到第i层时打印体的实际高度，AWi为打印到第i层时打印体的实际最大截面宽度，W为打印头的挤出口宽度，H为打印体的总高度，L为打印体总层数，在打印过程中，水泥基材料打印体的塌落度和截面宽度变形量越小，表明3D打印水泥基材料的可建造性越好。

7.根据权利要求3所述的一种水泥基材料3D打印动态特性在线测试方法，其特征在于，所述的水泥基材料可打印性基于层次分析法通过可泵送性、可挤出性及可建造性三个准则进行综合评价。

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