CN112649279A - 一种3d打印水泥基复合材料的性能测试方法 - Google Patents

一种3d打印水泥基复合材料的性能测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，基于简易的测试设备，通过手动操作方式，模拟水泥基复合材料3D打印时的实际施工情况，获得水泥基复合材料的实际堆积性能和随时间变化的实际承载能力，以及不同成分配比的水泥基复合材料的性能对比，从而获得性能较佳的水泥基复合材料的实际配比；本发明结合测试设备，通过便捷的性能测试方法，快速获得水泥基复合材料的实际性能，简单便利，可操作性高，使用灵活性好，实用性强，并且可以直接对接工程实际的使用，极大地助力于工程应用。

Description

一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法
技术领域
本发明涉及3D打印水泥材料技术领域，尤其是一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法。
背景技术
3D打印是一种通过电脑自动化控制层层叠加的建造技术。水泥基复合材料是应用最为广泛的建筑材料，将建筑材料技术与3D打印技术相结合而形成的新型快速、低污染建造技术对于推动建筑材料行业的现代化和数字化具有重大意义。
然而，3D打印建造工艺不同于建筑材料传统成型工艺，除了对水泥基材料的性能具有更高的要求外，对材料性能测试技术亦具有更高的要求和标准。现有技术中，针对3D打印水泥基材料的性能测试并没有标准的测试方法或衡量标准，且现有的一些测试方法较为传统和复杂，大部分并不适用于实际的工程应用和检测。
比如，专利CN110243724A中公开了一种用于3D打印砂浆挤出性能定量检测装置及方法，此发明装置包括伺服电机、电缸、压力传感器、活塞、底座、料筒、喷嘴以及标尺，在该发明方案中，检测设备通过控制挤出速度、挤出口径，实时测量砂浆产生的反馈压力，定量表征材料的挤出连续性，但该设备的制作和控制相当复杂，且成本较高，对于实际工程应用的意义不大，且不能测试挤出材料的堆积性和实时承载力。
现有技术中，3D打印水泥基材料的测试方法多是参考传统建筑材料性能的测试方法，暂无针对水泥3D打印材料性能的测试标准；然而3D打印建筑材料和传统建筑材料的建造工艺不同，其性能要求也不相同，因此测量标准并无法直接适用，导致现有对于3D打印材料性能的指标未能统一。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，从而能够通过便捷的性能测试方法，快速获得水泥基复合材料的实际性能，简单便利，可操作性高，可以直接对接工程实际的使用，极大地助力于工程应用。
本发明所采用的技术方案如下：
一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，包括如下步骤：
第一步：通过水泥、沙子、纤维以及外加剂配制水泥基复合材料；
第二步：将用于装载水泥基复合材料的料筒及对应喷嘴清洗干净，并保持料筒内壁湿润形成水膜；
第三步：将喷嘴安装至料筒底部，将料筒装载至测试设备上，并通过测试设备的高度移载机构将喷嘴随料筒一起调整至预设高度；
第四步：用封盖将喷嘴堵住；
第五步：将第一步中的水泥基复合材料分次装入料筒中，并在每次装料后进行插捣，排出分装引起的气泡；
第六步：打开喷嘴处的封盖，准备打印；
第七步：向料筒中的水泥基复合材料施加向下的力，使其受力经喷嘴下落；同时，通过测试设备的水平移载机构将喷嘴随料筒一起水平移动；直至打印完一层，撤去施加在水泥基复合材料上的力，并通过封盖重新将喷嘴堵住；
第八步：通过测量工具测量第七步中实际打印层的高度；
第九步：通过测试设备的高度移载机构将喷嘴随料筒一起向上移动一个预设层高，重复第六步至第八步，在第一层打印层基础上叠加累积第二层，并测得实际高度；
第十步：重复第九步，直至达到预设打印层数，获得实际打印样品；
第十一步：将打印后的实际总高度与预设打印总高度进行对比，获得材料的打印堆积性能和承载性能；
第十二步：将第十步中的打印样品进行养护直至指定龄期，通过切割机切割下预设形状，并进行力学性能测试；
第十三步：改变第一步中成分的配比，获得另一种水泥基复合材料；并重复第二步至第十步，获得两种水泥基复合材料打印堆积性能以及承载能力的对比。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述喷嘴的喷口为圆形或方形，喷口尺寸为20～60mm；喷口的尺寸与第一步中纤维的长度尺寸相匹配。
第七步中通过配重向料筒中的水泥基复合材料施加向下的力，配重的重量为2～10kg。
所述测试设备的结构为：包括机架，机架前侧通过高度移载机构安装有升降座，升降座前侧面通过水平移载机构安装移动座，所述料筒可拆卸安装于移动座前侧面上。
所述高度移载机构为螺旋副配合的丝杆-螺母机构，竖直安装的丝杆顶部固装有手轮，通过手轮带动丝杆转动，使得螺旋副配合的螺母相对于丝杆上行或者下移，进而与螺母固装的升降座上行或者下移；
所述水平移载机构为相互啮合的齿轮-齿条机构，齿轮中心通过转轴安装有另一手轮，通过手轮的转动带动齿轮转动，使得齿轮相对于与其啮合的齿条长度方向水平移动，进而使得与齿轮转动安装的移动座水平移动。
第九步中的预设层高通过丝杆顶部手轮的转动圈数控制，并结合与丝杆平行设置的标尺进行读数控制。
相邻层在打印时设置有打印间隔时间，该打印间隔时间为2min～15min。
第十步中的预设打印层数为1～50层，则预设打印高度为10～500mm。
第八步中的测量工具为游标卡尺或者是激光位移测量仪；第十二步中的指定龄期为3天、7天、14天或者是28天中的一个。
所述料筒为透明亚克力材质制成，从而在测试过程中直观获取料筒内水泥基复合材料的实际流动以及残余情况；所述料筒的容量为8L。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，基于简易的测试设备，通过手动操作方式，模拟水泥基复合材料3D打印时的实际施工情况，获得水泥基复合材料的实际堆积性能和随时间变化的实际承载能力，以及不同成分配比的水泥基复合材料的性能对比，从而获得性能较佳的水泥基复合材料的实际配比；本发明结合测试设备，通过便捷的性能测试方法，快速获得水泥基复合材料的实际性能，简单便利，可操作性高，使用灵活性好，实用性强，并且可以直接对接工程实际的使用，极大地助力于工程应用。
附图说明
图1为本发明测试设备的结构示意图。
其中：1、机架；2、高度移载机构；3、升降座；4、水平移载机构；5、移动座；6、料筒；7、喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，包括如下步骤：
第一步：通过水泥、沙子、纤维以及外加剂配制水泥基复合材料；
第二步：将用于装载水泥基复合材料的料筒6及对应喷嘴7清洗干净，并保持料筒6内壁湿润形成水膜；
喷嘴7的喷口为圆形或方形，喷口尺寸为20～60mm；喷口的尺寸与第一步中纤维的长度尺寸相匹配。
第三步：将喷嘴7安装至料筒6底部，将料筒6装载至测试设备上，并通过测试设备的高度移载机构2将喷嘴7随料筒6一起调整至预设高度；
如图1所示，测试设备的结构为：包括机架1，机架1前侧通过高度移载机构2安装有升降座3，升降座3前侧面通过水平移载机构4安装移动座5，料筒6可拆卸安装于移动座5前侧面上。
高度移载机构2为螺旋副配合的丝杆-螺母机构，竖直安装的丝杆顶部固装有手轮，通过手轮带动丝杆转动，使得螺旋副配合的螺母相对于丝杆上行或者下移，进而与螺母固装的升降座3上行或者下移；
水平移载机构4为相互啮合的齿轮-齿条机构，齿轮中心通过转轴安装有另一手轮，通过手轮的转动带动齿轮转动，使得齿轮相对于与其啮合的齿条长度方向水平移动，进而使得与齿轮转动安装的移动座5水平移动；
第四步：用封盖将喷嘴7堵住；
第五步：将第一步中的水泥基复合材料分次装入料筒6中，并在每次装料后进行插捣，排出分装引起的气泡；
第六步：打开喷嘴7处的封盖，准备打印；
第七步：向料筒6中的水泥基复合材料施加向下的力，使其受力经喷嘴下落；同时，通过测试设备的水平移载机构4将喷嘴7随料筒6一起水平移动；直至打印完一层，撤去施加在水泥基复合材料上的力，并通过封盖重新将喷嘴7堵住；
通过配重向料筒6中的水泥基复合材料施加向下的力，配重的重量为2～10kg；
第八步：通过测量工具测量第七步中实际打印层的高度；
测量工具为游标卡尺或者是激光位移测量仪；
第九步：通过测试设备的高度移载机构2将喷嘴7随料筒6一起向上移动一个预设层高，重复第六步至第八步，在第一层打印层基础上叠加累积第二层，并测得实际高度；
预设层高通过丝杆顶部手轮的转动圈数控制，并结合与丝杆平行设置的标尺进行读数控制；
相邻层在打印时设置有打印间隔时间，该打印间隔时间为2min～15min；
第十步：重复第九步，直至达到预设打印层数，获得实际打印样品；
预设打印层数为1～50层，则预设打印总高度为10～500mm，；
第十一步：将打印后的实际总高度与预设打印总高度进行对比，获得材料的打印堆积性能和承载性能；
第十二步：将第十步中的打印样品进行养护直至指定龄期，通过切割机切割下预设形状，并进行力学性能测试；
指定龄期为3天、7天、14天或者是28天中的一个；
第十三步：改变第一步中成分的配比，获得另一种水泥基复合材料；并重复第二步至第十步，获得两种水泥基复合材料打印堆积性能以及承载能力的对比。
料筒6为透明亚克力材质制成，从而在测试过程中直观获取料筒6内水泥基复合材料的实际流动以及残余情况；所述料筒6的容量为8L。
试验一：
对水泥基复合材料A进行试验，采用圆形喷口的喷嘴6，喷口直径为30mm，使用4kg的配重，施力使得水平移载机构4的水平移动速度为20mm/s，预设层高为20mm，打印间隔时间为5min,打印层数为3层，则预设打印总高度为60mm；
试验二：
对水泥基复合材料B进行试验，采用试验一中相同的试验环境和设定试验参数；
试验三：
对水泥基复合材料A进行试验，与试验一中相比，设置预设层高为15mm，打印层数为4层，其余试验环境和设定试验参数相同，则预设打印总高度亦为60mm；
获得三组试验中打印样品的实际单层高度和实际总高度值，如下表1所示：
表1三组试验打印样品结果
Figure BDA0002841160030000051
Figure BDA0002841160030000061
试验1中，当打印层高为20mm时，单层打印复合材料A的高度损失率为0.5％，说明材料具有较好的堆积性；其四层堆积后高度损失率为0.33％，小于单层时的高度损失率，说明具有较好的承载力；该材料层层累积后变形较小，可以忽略不计。
试验2更换为复合材料B，当单层打印时，高度损失率达到10％，三层堆积后，高度损失率为11.67％，说明复合材料B具有一定的承载力，但堆积性较差，不适合用作3D打印。
试验3仍然使用复合材料A，改变打印层高，降低至15mm，由结果可得，实际打印高度与预设高度一致，不论是单层打印还是多层累积，材料高度均没有损失，从而进一步说明复合材料A的堆积性与承载力均良好，适合用于3D打印。
本发明中提出的3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，通过便捷的操作，快速获得水泥基复合材料的实际性能以及对比性能，可操作性高，使用灵活性好，可以直接对接工程实际的使用，极大地助力于工程应用，实用性强。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：通过水泥、沙子、纤维以及外加剂配制水泥基复合材料；
第二步：将用于装载水泥基复合材料的料筒及对应喷嘴清洗干净，并保持料筒内壁湿润形成水膜；
第三步：将喷嘴安装至料筒底部，将料筒装载至测试设备上，并通过测试设备的高度移载机构将喷嘴随料筒一起调整至预设高度；
第四步：用封盖将喷嘴堵住；
第五步：将第一步中的水泥基复合材料分次装入料筒中，并在每次装料后进行插捣，排出分装引起的气泡；
第六步：打开喷嘴处的封盖，准备打印；
第七步：向料筒中的水泥基复合材料施加向下的力，使其受力经喷嘴下落；同时，通过测试设备的水平移载机构将喷嘴随料筒一起水平移动；直至打印完一层，撤去施加在水泥基复合材料上的力，并通过封盖重新将喷嘴堵住；
第八步：通过测量工具测量第七步中实际打印层的高度；
第九步：通过测试设备的高度移载机构将喷嘴随料筒一起向上移动一个预设层高，重复第六步至第八步，在第一层打印层基础上叠加累积第二层，并测得实际高度；
第十步：重复第九步，直至达到预设打印层数，获得实际打印样品；
第十一步：将打印后的实际总高度与预设打印总高度进行对比，获得材料的打印堆积性能和承载性能；
第十二步：将第十步中的打印样品进行养护直至指定龄期，通过切割机切割下预设形状，并进行力学性能测试；
第十三步：改变第一步中成分的配比，获得另一种水泥基复合材料；并重复第二步至第十步，获得两种水泥基复合材料打印堆积性能以及承载能力的对比。
2.如权利要求1所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：所述喷嘴的喷口为圆形或方形，喷口尺寸为20～60mm；喷口的尺寸与第一步中纤维的长度尺寸相匹配。
3.如权利要求1所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：第七步中通过配重向料筒中的水泥基复合材料施加向下的力，配重的重量为2～10kg。
4.如权利要求1所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：所述测试设备的结构为：包括机架，机架前侧通过高度移载机构安装有升降座，升降座前侧面通过水平移载机构安装移动座，所述料筒可拆卸安装于移动座前侧面上。
5.如权利要求4所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：所述高度移载机构为螺旋副配合的丝杆-螺母机构，竖直安装的丝杆顶部固装有手轮，通过手轮带动丝杆转动，使得螺旋副配合的螺母相对于丝杆上行或者下移，进而与螺母固装的升降座上行或者下移；
所述水平移载机构为相互啮合的齿轮-齿条机构，齿轮中心通过转轴安装有另一手轮，通过手轮的转动带动齿轮转动，使得齿轮相对于与其啮合的齿条长度方向水平移动，进而使得与齿轮转动安装的移动座水平移动。
6.如权利要求5所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：第九步中的预设层高通过丝杆顶部手轮的转动圈数控制，并结合与丝杆平行设置的标尺进行读数控制。
7.如权利要求1所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：相邻层在打印时设置有打印间隔时间，该打印间隔时间为2min～15min。
8.如权利要求1所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：第十步中的预设打印层数为1～50层，则预设打印高度为10～500mm。
9.如权利要求1所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：第八步中的测量工具为游标卡尺或者是激光位移测量仪；第十二步中的指定龄期为3天、7天、14天或者是28天中的一个。
10.如权利要求1所述的一种3D打印水泥基复合材料的性能测试方法，其特征在于：所述料筒为透明亚克力材质制成，从而在测试过程中直观获取料筒内水泥基复合材料的实际流动以及残余情况；所述料筒的容量为8L。
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