CN111413272A - 3d打印材料的性能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印材料的性能测试方法，包括如下步骤：提供一3D打印设备，将所述3D打印设备的打印头调整至距离打印作业面一设定高度处；启动所述3D打印设备进行打印出料，直至挤出的打印材料于所述打印头的出口处发生断裂，关闭所述3D打印设备；测量得到挤出的打印材料的长度；将得到的打印材料的长度与设计理论范围进行比较，则判断所述打印材料的性能是否满足要。本发明的性能测试方法利用测量发生断裂时的出料长度来判断打印材料的工作性能和稳定性，可实现快速的判断打印材料是否满足性能要求，有效的节省测试时间，且测试的成本低，具有较好的实用性和经济性。

Description

3D打印材料的性能测试方法
技术领域
本发明涉及建筑3D打印技术领域，特指一种3D打印材料的性能测试方法。
背景技术
建筑3D打印材料是典型的宾汉流体，在打印头螺杆旋转产生的应力下，会像粘性流体一样流动，从打印头挤出后处于低应力状态，但又需要具有一定刚度，才能保证打印的建筑构件不坍塌，为了保证打印的建筑构件不坍塌，需要使打印材料满足一定的性能要求，现有技术中在判断打印材料是否满足性能要求时，需要使用流变仪、收缩变形测试仪等一系列混凝土材料性能试验设备进行定量分析，费用较高，且测试的时间较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种3D打印材料的性能测试方法，解决现有的采用性能试验设备对打印材料进行定量分析存在的费用高、测试时间长的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种3D打印材料的性能测试方法，包括如下步骤：
提供一3D打印设备，将所述3D打印设备的打印头调整至距离打印作业面一设定高度处；
启动所述3D打印设备进行打印出料，直至挤出的打印材料于所述打印头的出口处发生断裂，关闭所述3D打印设备；
测量得到挤出的打印材料的长度；
将得到的打印材料的长度与设计理论范围进行比较，若所得到的打印材料的长度在所述设计理论范围内，则判断所述打印材料的性能满足要求；若所得到的打印材料的长度超出所述设计理论范围，则判断所述打印材料的性能不满足要求。
本发明的性能测试方法利用测量发生断裂时的出料长度来判断打印材料的工作性能和稳定性，可实现快速的判断打印材料是否满足性能要求，有效的节省测试时间，且测试的成本低，具有较好的实用性和经济性。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，测量得到挤出的打印材料的长度的步骤，包括：
提供一带有刻度的测量杆，所述测量杆的测量范围与所述设定高度相适配；
提供一定位卡夹，将所述定位卡夹套设于所述测量杆上，且所述定位卡夹可沿所述测量杆上下移动调节；
将所述测量杆支撑于所述打印作业面与所述打印头之间，且所述定位卡夹位于所述打印作业面处；
在挤出的打印材料于所述打印头的出口处发生断裂时，向上移动调节所述定位卡夹的位置使得所述定位卡夹卡套于挤出的打印材料，在所述定位卡夹的底部与挤出的打印材料的端面相接时，读取所述定位卡夹的底部对应于所述测量杆上的刻度，从而得到挤出的打印材料的长度。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，所提供的定位卡夹呈透明状，以便于读取所述测量杆上对应的刻度。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，所提供的带有刻度的测量杆的一端为尖端，另一端设有底座。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，还包括于所述定位卡夹的底部连接一锁紧件，待所述定位卡夹移动调节到位后，利用所述锁紧件将所述定位卡夹固定于所述测量杆上。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，在启动3D打印设备进行打印出料的步骤还包括打印预出料：
打印出料的过程中，在打印材料从所述打印头处出料稳定后，将所挤出的打印材料清理干净再继续进行打印出料。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，还包括：
记录打印材料从所述打印头处挤出至于所述打印头的出口处发生断裂的出料时间；
利用所述出料时间和所述打印材料的长度计算得出所述打印头的设定行走速度。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，利用所述出料时间和所述打印材料的长度计算得出所述打印头的设定行走速度的步骤，包括：
将所述出料时间和所述打印材料的长度代入如下计算公式：
Figure BDA0002435572180000031
式中，v1表示打印头的设定行走速度，ζv表示考虑重力作用后的体积修正系数，φ表示打印头的出口内径，l1表示打印材料的长度，d表示打印单层的厚度，a表示打印单层的宽度，t1表示出料时间；
并计算得出打印头的设定行走速度。
本发明3D打印材料的性能测试方法的进一步改进在于，将所述打印头的设定行走速度输入所述3D打印设备的控制系统中，以控制所述打印头在打印作业时的行走速度为所述设定行走速度。
附图说明
图1为本发明3D打印材料的性能测试方法中将打印头设置到设定高度处的结构示意图。
图2为本发明3D打印材料的性能测试方法中打印预出料的结构示意图。
图3为本发明3D打印材料的性能测试方法中挤出打印材料至于打印头的出口处发生断裂并利用测量杆及定位卡夹进行长度测量的结构示意图。
图4为本发明3D打印材料的性能测试方法中所用的测量杆及定位卡夹的结构示意图。
图5为本发明中的测量杆的尖端处的放大示意图。
图6为图4中的A-A剖视图。
图7为本发明3D打印材料的性能测试方法中利用3D打印设备制作打印构件的结构示意图。
图8为图7所示的打印构件的立体放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种3D打印材料的性能测试方法，是一种相对简单的原位测试方法，利用3D打印设备进行正常的打印出料，即可测得打印材料是否符合性能要求，具有测试简单，快速的优点，且成本低。本发明的性能测试方法，通过测量打印材料发生断裂时的出料长度，即可利用该出料长度判断得出该打印材料是否符合性能的要求，在性能测试过程中，记录出料时间，利用出料时间及出料长度可计算得出对应该打印材料的打印头的设定行走速度，作为后续3D打印设备的打印头的行走速度。本发明的测试方法具有良好的实用性和经济性。下面结合附图对本发明3D打印材料的性能测试方法进行说明。
参阅图1，显示了本发明3D打印材料的性能测试方法中将打印头设置到设定高度处的结构示意图。参阅图3，显示了本发明3D打印材料的性能测试方法中挤出打印材料至于打印头的出口处发生断裂并利用测量杆及定位卡夹进行长度测量的结构示意图。下面结合图1和图3，对本发明3D打印材料的性能测试方法进行说明。
如图1和图3所示，本发明的3D打印材料的性能测试方法包括如下步骤：
提供一3D打印设备30，将3D打印设备30的打印头32调整至距离打印作业面10一设定高度L处；
启动3D打印设备30进行打印出料，直至挤出的打印材料33于打印头32的出口321处发生断裂，关闭3D打印设备30以停止出料；
测量得到挤出的打印材料33的长度；
将得到的打印材料33的长度与设计理论范围进行比较，若所得到的打印材料33的长度在设计理论范围内，则判断打印材料33的性能满足要求；若所得到的打印材料33的长度超出设计理论范围，则判断打印材料33的性能不满足要求。
本发明中的设计理论范围通过满足工作性能及稳定性要求的材料经打印出料发生断裂时测量出料长度而获得，因工作性能及稳定性可由水泥基材料的多种参数来表征，较佳可选择水泥基材料的屈服强度、粘度系数、流动度、稠度、凝结时间等参数。水泥基材料的工作性能及稳定性要求在一定的范围内，从可对应的得出设计理论范围。
本发明利用挤出的打印材料的长度，可快速的判断出打印材料是否满足性能要求，具有测试速度快，测试时间短的特点，且成本较低，具有较好的实用性和经济性。
在本发明的一种具体实施方式中，在启动3D打印设备30进行打印出料时，还包括打印预出料的步骤，结合图2所示，打印出料的过程中，在打印材料33＇从打印头31处出料稳定后，将所挤出的打印材料33＇清理干净再继续进行打印出料。
结合图1所示，3D打印设备30包括料仓31，该料仓31用于盛放打印材料，该打印材料通过输送管送入料仓31内，该料仓31的底部连接打印头32，料仓31内的打印材料可从打印头32的出口321处挤出，以进行3D打印作业，打印材料从打印头32的出口321处挤出的步骤称为打印出料。由于打印材料刚从打印头处挤出时的稳定性较差，故本发明先进行打印预出料，也即令3D打印设备30先运行一段时间，从打印头32处挤出打印材料33＇，待该打印材料33＇出料稳定后，暂定出料，将挤出形成的打印材料33＇清理干净，再进行测试用的打印出料，从而可提高测试的精确性。
在本发明的一种具体实施方式中，测量得到挤出的打印材料33的长度的步骤，包括：
如图3和图4所示，提供一带有刻度的测量杆21，测量杆21的测量范围与设定高度L相适配；
提供一定位卡夹22，将定位卡夹22套设于测量杆21上，且定位卡夹22可沿测量杆21上下移动调节；
将测量杆21支撑于打印作业面10与打印头32之间，且定位卡夹22位于打印作业面10处；
在挤出的打印材料33于打印头32的出口处发生断裂时，向上移动调节定位卡夹22的位置使得定位卡夹22卡套于挤出的打印材料33，在定位卡夹22的底部与挤出的打印材料33的端面相接时，读取定位卡夹22的底部对应于测量杆21上的刻度，从而得到挤出的打印材料33的长度。
利用定位卡夹22和测量杆21组合形成长度测量器，来对打印头32处挤出的打印材料33的长度进行测量，具有测量方便的优点，且定位卡夹22卡套在打印材料33上，能够避免对打印材料33的形状产生影响，从而提高了长度测量准确性。
进一步地，所提供的定位卡夹22呈透明状，以便于读取测量杆21上对应的刻度。是以，利用测量杆21上设置的刻度，借助透明状的定位卡夹22，能够直接的读取得到打印材料33的长度，更加便捷。
再进一步地，如图4和图5所示，所提供的带有刻度的测量杆21的一端为尖端211，另一端设有底座212。测量杆21上的刻度标识为对应尖端211的端部为零点，由该尖端211至底座212的刻度标识逐渐增大，较佳该测量杆21采用不锈钢材料或树脂材料制成，表面光滑，易于清洗。在使用时，尖端211对应位于打印头32的出口321处，底座212置于打印作业面10上，该测量杆21竖直状设置，支撑于打印作业面10和打印头32之间。这样将定位卡夹22移动到位后，即可在测量杆21上直接读出定位卡夹22底部对应的刻度，就获得了打印材料33的长度。
又进一步地，在定位卡夹22的底部连接一锁紧件23，待定位卡夹22移动调节到位后，利用锁紧件23将定位卡夹22固定于测量杆21上。结合图6所示，定位卡夹22呈圆柱状结构，且底部封闭，顶部开口，该圆柱状结构的内径大于等于打印头32的出口的直径。在该圆柱状结构的底部开设一通孔，通过该通孔将圆柱状结构套设在测量杆21上，且该圆柱状结构可沿着测量杆21进行移动调节。锁紧件23包括一套管和螺合于该套管上的顶紧螺栓，套管固设于圆柱状结构的底部并对应的套设在测量杆21上，顶紧螺栓与套管相螺合，通过旋拧该顶紧螺栓可使得其端部伸入到套管内而抵靠于测量杆21，从而实现了将定位卡夹22固定在测量杆21上。
下面结合图3和图4对本发明的测量杆及定位卡夹所组成的长度测量器的使用过程进行说明。在3D打印设备30打印出料稳定后，将定位卡夹22套设在测量杆21上，并将测量杆21呈竖直状的设置在打印作业面10和打印头32之间，该测量杆21的长度与打印头32的设定高度L相一致，测量杆21对应打印头32的中心处设置，此时定位卡夹22置于3D打印作业面10处。启动3D打印设备30进行打印出料，挤出的打印材料33从打印头32处出来后，测量杆21对应的部分就插入在打印材料33内。在挤出的打印材料33在打印头32的出口321处发生断裂时，停止3D打印设备30，即停止出料，此时该挤出的打印材料33相当于套设在测量杆21上。接着迅速向上移动定位卡夹22，将该定位卡夹22卡套于打印材料33上，由于定位卡夹22呈透明状，在该打印材料33的端部与定位卡夹22的底部相接时，停止定位卡夹22的移动调节，并利用锁紧件23将定位卡夹22固定在测量杆21上，直接读取测量杆21上对应定位卡夹22的底部和打印材料33端部的刻度，获得挤出的打印材料33的长度，就完成了挤出的打印材料的长度测量。
下面对本发明利用挤出的打印材料的长度进行打印材料性能的测试原理进行说明。
结合图3所示，在打印材料33从打印头32的出口处断裂时，取该挤出的打印材料33进行受力分析。在挤出的打印材料33断裂的瞬间，其自身的重力等于打印头32处对该挤出的打印材料33的拉力，可表示为T＝G，其中的G为挤出的打印材料33的重力，T为挤出的打印材料33受到的拉力，则有T＝σA,A＝πφ2/4，G＝γV,V＝ζvAl1，其中的σ为断裂面的粘结力，其与打印材料的工作性能相关，由材料配比决定。A为断裂面的横截面积，φ为打印头的出口的内径。γ为打印材料的容重，与打印材料的配比相关。V为挤出的打印材料的体积，ζv为考虑重力作用后的体积修正系数，该体积修正系数ζv＝(m1-m0)g/γAl1，m1为定位卡夹与挤出的打印材料的质量(通过将挤出的打印材料与定位卡夹一起拆下称重获得)，m0为定位卡夹的质量，g为重力加速度，l1为挤出的打印材料的长度。当材料配比未变化时，该体积修正系数ζv可取经验值。由上述的重力和拉力公式推导可得：l1＝σ/(γζv)，由此可知挤出的打印材料发生断裂的长度是由材料配比决定的，该长度可直观反映打印材料的工作性能。
本发明在利用得到的打印材料33的长度判断打印材料的性能时，可进行多次测量，得到多个打印材料33的长度，进而取多次的平均值与设计理论范围进行比较判断，判断得出材料的性能是否满足要求。
在本发明的一种具体实施方式中，本发明的性能测试方法还包括：
记录打印材料从打印头处挤出至于打印头的出口处发生断裂的出料时间；
利用出料时间和打印材料的长度计算得出打印头的设定行走速度。
较佳地，记录打印材料从打印头处挤出至于打印头的出口处发生断裂的出料时间，可通过秒表进行计时得到，在开始打印出来时，利用秒表开始计时，在停止出料时停止计时，就获得了出料时间。
在3D打印设备30进行3D打印作业时，需要为其设定行走速度，该行走速度用于控制打印头的行走，该设定行走速度与打印材料的性能相关，通常需要进行大量的人工计算来获得。本发明在进行打印材料的性能测试时，可直接得出打印头的设定行走速度。
进一步地，利用出料时间和打印材料的长度计算得出打印头的设定行走速度的步骤，包括：
将出料时间和打印材料的长度代入如下计算公式：
Figure BDA0002435572180000081
式中，v1表示打印头的设定行走速度，ζv表示考虑重力作用后的体积修正系数，φ表示打印头的出口内径，l1表示打印材料的长度，d表示打印单层的厚度，a表示打印单层的宽度，t1表示出料时间；
并计算得出打印头的设定行走速度。
上述的计算公式通过如下步骤进行推导得来：结合图7和图8所示，利用3D打印设备30制作打印构件40，该打印构件40由多个层叠的打印单层41构成，在出料时间t1内的总出料量可表示为Q1＝ζvAl1，其中的参数ζv、A和l1在上述的测试原理说明中已有定义，具体可参见上述的定义，在出料时间t1内的实际打印量可表示为Q2＝abd,b＝v1t1，a表示打印构件40的宽度，b表示打印构件40的长度，d表示打印构件40的打印单层41的厚度，v1表示打印头的行走速度，由Q1＝Q2推导可得
Figure BDA0002435572180000082
是以可根据出料时间和打印材料的长度求得的打印头的设定行走速度。
较佳地，将打印头的设定行走速度输入3D打印设备的控制系统中，以控制打印头在打印作业时的行走速度为设定行走速度。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一3D打印设备，将所述3D打印设备的打印头调整至距离打印作业面一设定高度处；
启动所述3D打印设备进行打印出料，直至挤出的打印材料于所述打印头的出口处发生断裂，关闭所述3D打印设备；
测量得到挤出的打印材料的长度；
将得到的打印材料的长度与设计理论范围进行比较，若所得到的打印材料的长度在所述设计理论范围内，则判断所述打印材料的性能满足要求；若所得到的打印材料的长度超出所述设计理论范围，则判断所述打印材料的性能不满足要求。
2.如权利要求1所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，测量得到挤出的打印材料的长度的步骤，包括：
提供一带有刻度的测量杆，所述测量杆的测量范围与所述设定高度相适配；
提供一定位卡夹，将所述定位卡夹套设于所述测量杆上，且所述定位卡夹可沿所述测量杆上下移动调节；
将所述测量杆支撑于所述打印作业面与所述打印头之间，且所述定位卡夹位于所述打印作业面处；
在挤出的打印材料于所述打印头的出口处发生断裂时，向上移动调节所述定位卡夹的位置使得所述定位卡夹卡套于挤出的打印材料，在所述定位卡夹的底部与挤出的打印材料的端面相接时，读取所述定位卡夹的底部对应于所述测量杆上的刻度，从而得到挤出的打印材料的长度。
3.如权利要求2所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，所提供的定位卡夹呈透明状，以便于读取所述测量杆上对应的刻度。
4.如权利要求2所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，所提供的带有刻度的测量杆的一端为尖端，另一端设有底座。
5.如权利要求2所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，还包括于所述定位卡夹的底部连接一锁紧件，待所述定位卡夹移动调节到位后，利用所述锁紧件将所述定位卡夹固定于所述测量杆上。
6.如权利要求1所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，在启动3D打印设备进行打印出料的步骤还包括打印预出料：
打印出料的过程中，在打印材料从所述打印头处出料稳定后，将所挤出的打印材料清理干净再继续进行打印出料。
7.如权利要求1所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，还包括：
记录打印材料从所述打印头处挤出至于所述打印头的出口处发生断裂的出料时间；
利用所述出料时间和所述打印材料的长度计算得出所述打印头的设定行走速度。
8.如权利要求7所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，利用所述出料时间和所述打印材料的长度计算得出所述打印头的设定行走速度的步骤，包括：
将所述出料时间和所述打印材料的长度代入如下计算公式：
Figure FDA0002435572170000021
式中，v1表示打印头的设定行走速度，ζv表示考虑重力作用后的体积修正系数，φ表示打印头的出口内径，l1表示打印材料的长度，d表示打印单层的厚度，a表示打印单层的宽度，t1表示出料时间；
并计算得出打印头的设定行走速度。
9.如权利要求7或8所述的3D打印材料的性能测试方法，其特征在于，将所述打印头的设定行走速度输入所述3D打印设备的控制系统中，以控制所述打印头在打印作业时的行走速度为所述设定行走速度。
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