CN115284410A - 一种同步配筋的3d打印聚合物增强混凝土成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，该方法以能够快速固化成型的光敏树脂为原料，采用光固化3D打印技术，在负责挤出光敏树脂的打印喷头外部配备锥形聚光灯罩，通过镜面反射将UV‑LED灯源发出的405nm波长的紫外光聚集在挤出的光敏树脂上，光敏树脂便快速固化成型，随后另一喷头挤出混凝土覆盖在光敏树脂表面，光敏树脂嵌入混凝土中形成增强筋可作为3D打印混凝土的增强构件，实现3D打印聚合物增强混凝土成型过程同步配筋增强效果，提高了3D打印混凝土施工过程中的工作效率和3D打印混凝土整体构件的稳定性，有效解决了一般3D打印混凝土成型过程中难以同步配筋的问题。

Description

一种同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法

技术领域

本发明涉及3D打印建筑材料技术领域，特别涉及一种同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法。

背景技术

随着科技不断革新以及智能化产业的蓬勃发展，3D打印技术在建筑领域中的应用逐渐普及。3D打印混凝土技术是一种在3D打印技术的基础上发展起来的应用于混凝土施工的新技术，主要工作原理是将配置好的混凝土浆体装入3D打印机挤出装置，在三维软件的控制下，按照预先设置好的3D打印程序，混凝土浆体由喷嘴挤出进行层层堆叠打印过程，最终得到所需要的的混凝土构件。3D打印混凝土技术具有设计和建造自由化、自动化程度高、施工速度快、人工成本低、环境污染小等诸多优点，近年来在建筑材料领域获得广泛的关注和显著的发展。

但是，现有的3D打印混凝土建筑，其各向同性差，层间粘结力弱，导致3D打印混凝土构件缺乏整体性，承载能力较弱，无法满足部分房屋或建筑物中墙体的承载能力要求。因此,为推广3D打印混凝土技术，寻求提高3D打印混凝土构件耐久性的方法是极其重要的。

钢筋混凝土结构是建筑行业中常见的结构，具备优越的耐久性与力学性能，能稳定服役，可用于增强3D打印混凝土构件的承载能力。传统的混凝土施工过程，需要模板支撑——钢筋绑扎——混凝土浇筑的结构建造方式，缺点就是劳动强度大、模板消耗多、工期相对较长。而3D打印混凝土技术具有鲜明的区别，可以在无模板支护的条件下完成建造，能够明显缩短施工周期，降低人工成本，减少建筑废物及对周边环境的影响，还能提升工程安全性。但由于其钢筋自身刚度较高,在3D打印混凝土实际施工过程中，难以将钢筋以自动化的方式埋入混凝土中，无法实现钢筋与混凝土的同步打印。

因此，当前研究热点是制备出3D打印连续筋增强混凝土复合材料，在打印混凝土的同时自动连续装配所需的增强筋。由于3D打印混凝土喷头的运行路径错综复杂，具有很强的可设计性，要求3D打印混凝土构件所需的增强筋需要具有一定的变形能力以适应自由建造过程，但目前关于这方面的研究较少。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，以解决现有3D打印混凝土建筑，其各向同性差，层间粘结力弱，导致3D打印混凝土构件缺乏整体性，承载能力较弱，无法满足部分房屋或建筑物中墙体的承载能力要求等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，包括以下步骤：挤出3D打印混凝土的同时制备出聚合物增强筋，其中，聚合物增强筋以光敏树脂为原料，经打印机喷头挤出后加以紫外光照射快速固化成型，紧接着另一喷头按设定程序挤出3D打印混凝土并包裹住聚合物增强筋，实现3D打印聚合物增强混凝土成型过程中连续打印同步配筋的操作。

可选地，负责挤出所述光敏树脂的打印喷头固定在打印机X轴方向的一条连接杆上，负责挤出所述3D打印混凝土的打印喷头位于同一X轴但Z轴方向上高0-10cm位置处的另一条连接杆上，保证挤出过程中两种打印喷头沿各自运行路径正常工作。

可选地，所述固定在打印机X轴连接杆上的负责挤出光敏树脂的打印喷头的数量n根据不同3D打印机实际规格大小安装。

可选地，按照三维设计软件预先设定的3D打印程序结合不同3D打印构件的切片参数，n个所述打印喷头单个单独工作或数个打印喷头共同配合工作挤出3D打印混凝土构件所需的聚合物增强筋。

可选地，所述光敏树脂预先装填在紫外光无法透过的料筒内，料筒与光敏树脂打印喷头相连接，所有的光敏树脂打印喷头外部均装配一个锥形聚光灯罩，所述锥形聚光灯罩内壁附着能发出405nm波长紫外光的UV-LED灯源，所述锥形聚光灯罩将UV-LED灯源发出的紫外光聚集并精准照射至打印喷头挤出的光敏树脂上，该方法可提高光敏树脂快的固化效率，使光敏树脂快速成型为高强度的聚合物增强筋。

可选地，所述光敏树脂为环氧丙烯酸基型光敏树脂、不饱和聚酯基型光敏树脂、聚酯丙烯酸酯基型光敏树脂、聚氨酯丙烯酸酯基光敏树脂中的一种或几种。

可选地，所述光敏树脂添加1％-15％的增稠剂进行改性，得到增稠改性光敏树脂，以进一步提高光敏树脂的可挤出性和形状保持能力。

可选地，所述增稠剂为纳米二氧化硅、凹凸棒土、聚乙烯基吡咯烷酮、羟丙基甲基纤维素中的一种或几种。

相对于现有技术，本发明所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法具有以下优势：

1、本发明以能够快速固化成型的光敏树脂为原料，采用光固化3D打印技术，在负责挤出光敏树脂的打印喷头外部配备锥形聚光灯罩，通过镜面反射将UV-LED灯源发出的405nm波长的紫外光聚集在挤出的光敏树脂上，光敏树脂便快速固化成型，随后另一喷头挤出混凝土覆盖在光敏树脂表面，光敏树脂嵌入混凝土中形成增强筋可作为3D打印混凝土的增强构件，实现3D打印聚合物增强混凝土成型过程同步配筋增强效果，提高了3D打印混凝土施工过程中的工作效率和3D打印混凝土整体构件的稳定性，而且本发明利用光固化3D打印技术，可以利用三维设计软件制备结构复杂的模型，对于3D打印建筑材料在实际生活中的广泛应用有促进作用。

2、本发明的3D打印聚合物增强混凝土成型同步配筋的方法在基本不增加重量和厚度的前提下提高了3D打印混凝土构件的整体性，光敏树脂的嵌入有利于提高3D打印混凝土建筑的抗拉强度、力学性能以及耐久性，同时选用可降解的光敏树脂，能够进一步保护环境，对3D打印混凝土以及建筑材料3D打印领域都有重要的意义。

3、本发明3D打印聚合物增强混凝土的增强筋以能够快速固化成型的光敏树脂为原料，不同于传统混凝土利用钢筋构件增强方法，需要耗费大量人力物力的同时，不断开采资源，对环境造成不可修复的破坏，而且本发明采用了光固化3D打印技术，光敏树脂成型速度快，打印方便，工作效率能有效提高，选用绿色环保的光敏树脂材料，可以保护环境，促进可持续发展。

4、本发明中3D打印聚合物增强混凝土的增强筋通过光固化3D打印技术制备，在固化成型过程中大分子链在外力作用下会发生松弛运动，高聚物整体对外界会显示出较高的韧性与弹性，增强3D打印混凝土构件层间粘结力的同时，有利于提高其抗拉、抗折强度和耐久性。同时，光固化3D打印技术实际是单体分子或低聚物分子在紫外线照射下发生聚合反应的过程，反应极为迅速，可在数秒内完成固化过程，因此增强筋的制造过程没有噪声与振动，对于环境的影响较小。3D打印混凝土结构需承受较强的竖向压力，而本发明中经三维软件切片设计的不同模型，使得打印喷头挤出的光敏树脂具有复杂的排列结合，从而提高3D打印混凝土构件的层间粘结力、抗拉、抗折承载力。

5、现有技术中增强3D打印混凝土构件的方法一般是先制作出骨架结构，再沿着所制备的骨架进行浇筑或挤出打印混凝土，而本发明中3D打印聚合物增强混凝土成型同步配筋的方法是光敏树脂和混凝土可由同一台打印机上不同喷头先后挤出，实现连续打印同步配筋增强的效果，极大缩短了施工时间，还可以更大程度地保证挤出成型的3D打印混凝土构件的整体性。

6、本发明以能够快速固化成型且挤出过程具有变形能力的光敏树脂作为3D打印混凝土的增强构件，还可对光敏树脂进行一定程度的功能化改性，增强与3D打印混凝土之间的层间粘结力，同时对3D打印混凝土整体构件抗拉、抗折性能有所提升。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中一种3D打印聚合物增强混凝土同步配筋的成型方法的操作示意图；

图2为本发明中一种3D打印聚合物增强混凝土同步配筋的成型方法的装置结构示意图，其中，X轴指水平方向，Z轴指垂直方向；

图3为本发明中锥形聚光灯罩聚集UV-LED光源发出的紫外光并精准照射至打印喷头挤出的光敏树脂过程示意图；

图4为实施例1中3D打印聚合物增强混凝土环形构件的主视图(左)和俯视图(右)的示意图；

图5为实施例2中在混凝土表面挤出的光敏树脂紫外固化过程操作示意图；

图6为实施例2中3D打印聚合物增强混凝土构件的实物图。

附图标记说明：

1-聚合物增强筋；2-3D打印混凝土；3-UV-LED光源；4-锥形聚光灯罩；5-料筒；6-3D混凝土打印喷头；7-光敏树脂打印喷头；8-连接杆；9-3D打印机龙门架；10-紫外光；11-单层网格形状光敏树脂；12-单层3D打印聚合物增强混凝土构件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1-图3所示，一种同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，包括以下步骤：先在三维设计软件Solidworks中设计3D打印聚合物增强混凝土构件模型，并导出模型为stl格式文件，随后利用三维设计软件Ultimaker Cura进行切片处理，设置模型的层高、起始层高、填充密度、打印温度、打印速度等主要参数，导出为ctb格式文件；

切片完成后随即利用3D打印机挤出3D打印混凝土2的同时制备出聚合物增强筋1，其中，聚合物增强筋1以光敏树脂为原料，经打印机喷头(光敏树脂打印喷头7)挤出后加以紫外光10照射快速固化成型，紧接着另一喷头(3D混凝土打印喷头6)按设定程序挤出3D打印混凝土2并包裹住聚合物增强筋1，实现3D打印聚合物增强混凝土成型过程中连续打印同步配筋的操作。

而且在本实施例中，光敏树脂预先装填在紫外光10无法透过的料筒5内，料筒5与光敏树脂打印喷头7相连接，所有的光敏树脂打印喷头7外部均装配一个锥形聚光灯罩4，锥形聚光灯罩4内壁附着能发出405nm波长紫外光的UV-LED灯源3，锥形聚光灯罩4将UV-LED灯源3发出的紫外光10聚集并精准照射至打印喷头(光敏树脂打印喷头7)挤出的光敏树脂上，该方法可提高光敏树脂快的固化效率，使光敏树脂快速成型为高强度的聚合物增强筋。

负责挤出光敏树脂的打印喷头(光敏树脂打印喷头7)固定在打印机X轴方向的一条连接杆8上，负责挤出3D打印混凝土的打印喷头(3D混凝土打印喷头6)位于同一X轴但Z轴方向上高0-10cm位置处的另一条连接杆8上，所有连接杆两端直接与3D打印机龙门架9相连，3D打印机龙门架9起到稳固支撑作用，保证挤出过程中两种打印喷头沿各自运行路径正常工作。

同时，在本实施例中，固定在打印机X轴连接杆8上的负责挤出光敏树脂的打印喷头7的数量n根据不同3D打印机实际规格大小安装，当3D打印机实际规格比较大时，其操作空间相对增大，打印喷头7的数量n也可相应增多，此时，n个负责挤出光敏树脂的打印喷头可在不同区域同时工作，从而大大提高形成聚合物增强筋的工作效率，在图2中，光敏树脂打印喷头7的数量为7个，7个打印喷头(光敏树脂打印喷头7)均在同一个连接杆上间隔排列，且按照三维设计软件预先设定的3D打印程序结合不同3D打印构件的切片参数，7个打印喷头(光敏树脂打印喷头7)能单个单独工作或数个打印喷头共同配合工作挤出3D打印混凝土构件所需的聚合物增强筋1。

另外，在本实施例中，光敏树脂优选为环氧丙烯酸基型光敏树脂、不饱和聚酯基型光敏树脂、聚酯丙烯酸酯基型光敏树脂、聚氨酯丙烯酸酯基光敏树脂中的一种或几种，而且可通过向光敏树脂中添加1％-15％的增稠剂进行改性，以进一步提高光敏树脂的可挤出性和形状保持能力，增稠剂可优选为纳米二氧化硅、凹凸棒土、聚乙烯基吡咯烷酮、羟丙基甲基纤维素中的一种或几种。

实施例2

如图3所示，采用实施例1的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法制备环形构件，具体操作步骤为：

1)先在三维设计软件Solidworks中设计3D打印聚合物增强混凝土环形构件模型，尺寸大小设置为直径为70mm，高度80mm的圆柱体，导出模型为stl格式文件，随后利用三维设计软件Ultimaker Cura进行切片处理，设置模型主要参数为：层高10mm、起始层高10mm、填充密度100％、打印速度30mm/s，切片完成导出ctb格式文件；

2)按照胶凝材料体系配比，称取800g PO42.5水泥、800g矿粉、3000g SAC(硫铝酸盐水泥)、0.8gHPMC(羟丙基甲基纤维素)；取200g PO42.5水泥与200g SF(硅灰)，加入450g的水超声8min；将剩余的材料干粉(600g PO42.5水泥、800g矿粉、3000g SAC、0.8gHPMC)混合3min，再加入350g水、5g PCE减水剂(聚羧酸减水剂)、1500g标准砂搅拌均匀；将上述配制完成的材料放入砂浆机整体搅拌10min至均匀状态，得到所需的3D打印混凝土浆体；称取250g聚酯丙烯酸酯基型光敏树脂，添加12.5g的亲水性纳米二氧化硅，搅拌8min至凝胶态，得到增稠改性光敏树脂；

3)先将搅拌均匀的3D打印混凝土浆体装入3D打印混凝土喷头6上方附着的料筒，再将配制好的增稠改性光敏树脂装填至料筒5，随后3D打印机按照程序开始工作，先挤出一层3D打印混凝土于打印机平台再挤出一层增稠改性光敏树脂，增稠改性光敏树脂经光敏树脂打印喷头7上附有的锥形聚光灯罩4加以405nm的紫外光10照射后固化成型，然后，在同一Z轴方向高于光敏树脂打印喷头7的5cm处的3D混凝土打印喷头6开始下降至刚挤出的光敏树脂的表层位置，挤出3D打印混凝土浆体，沿路径挤出包覆在已固化的增稠改性光敏树脂表面，随后光敏树脂打印喷头7再次工作，在3D打印混凝土表面再挤一层增稠改性光敏树脂，根据软件设置的打印参数重复此操作，可挤出不同层数的3D打印聚合物增强混凝土环形构件，其中，图4说明了该3D打印聚合物增强混凝土环形构件的主视图和俯视图的效果图。

实施例3

采用实施例1的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法制备单层3D打印聚合物增强混凝土构件，具体操作步骤为：

1)按照胶凝材料体系配比，称取400g PO42.5水泥、400g矿粉、150g SAC(硫铝酸盐水泥)；取100g PO42.5水泥与100g SF(硅灰)，加入200g的水超声10min；将剩余的材料干粉(300g PO42.5水泥、400g矿粉、150g SAC)混合5min，再加入200g水、3g PCE减水剂(聚羧酸减水剂)、800g标准砂搅拌均匀；将上述配制完成的材料放入砂浆机整体搅拌5min至均匀状态，得到所需的3D打印混凝土浆体；

2)按照预先设置的3D打印程序，经打印机工作后，挤出长200mm、宽40mm、高10mm的一层3D打印混凝土条形构件；

3)称取100g聚酯丙烯酸酯基型光敏树脂，添加5g的亲水性纳米二氧化硅，搅拌5min至凝胶态，得到增稠改性光敏树脂；

4)将增稠改性光敏树脂添加至打印料筒5，随后打印机上装有光敏树脂的打印喷头(光敏树脂打印喷头7)开始工作挤出长195mm、宽35mm、高4mm的一层单层网格形状光敏树脂11，再加以405nm波长的紫外光10照射1min，如图5所示，增稠改性光敏树脂迅速固化成型，最终增稠改性光敏树脂覆盖在3D打印混凝土构件表面，实验过程中没有发现光敏树脂坍塌、变形现象，观察到光敏树脂与混凝土之间紧密粘连，具有很强的层间粘结性，如图6所示，制备出单层3D打印聚合物增强混凝土构件12。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，包括以下步骤：挤出3D打印混凝土的同时制备出聚合物增强筋，其中，聚合物增强筋以光敏树脂为原料，经打印机喷头挤出后加以紫外光照射快速固化成型，紧接着另一喷头按设定程序挤出3D打印混凝土并包裹住聚合物增强筋，实现3D打印聚合物增强混凝土成型过程中连续打印同步配筋的操作。

2.根据权利要求1所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，负责挤出所述光敏树脂的打印喷头固定在打印机X轴方向的一条连接杆上，负责挤出所述3D打印混凝土的打印喷头位于同一X轴但Z轴方向上高0-10cm位置处的另一条连接杆上，保证挤出过程中两种打印喷头沿各自运行路径正常工作。

3.根据权利要求2所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，所述固定在打印机X轴连接杆上的负责挤出光敏树脂的打印喷头的数量n根据不同3D打印机实际规格大小安装。

4.根据权利要求3所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，按照三维设计软件预先设定的3D打印程序结合不同3D打印构件的切片参数，n个所述打印喷头单个单独工作或数个打印喷头共同配合工作挤出3D打印混凝土构件所需的聚合物增强筋。

5.根据权利要求1所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，所述光敏树脂预先装填在紫外光无法透过的料筒内，料筒与光敏树脂打印喷头相连接，所有的光敏树脂打印喷头外部均装配一个锥形聚光灯罩，所述锥形聚光灯罩内壁附着能发出405nm波长紫外光的UV-LED灯源，所述锥形聚光灯罩将UV-LED灯源发出的紫外光聚集并精准照射至打印喷头挤出的光敏树脂上，使光敏树脂快速成型为高强度的聚合物增强筋。

6.根据权利要求1所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，所述光敏树脂为环氧丙烯酸基型光敏树脂、不饱和聚酯基型光敏树脂、聚酯丙烯酸酯基型光敏树脂、聚氨酯丙烯酸酯基光敏树脂中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，所述光敏树脂添加1％-15％的增稠剂进行改性。

8.根据权利要求7所述的同步配筋的3D打印聚合物增强混凝土成型方法，其特征在于，所述增稠剂为纳米二氧化硅、凹凸棒土、聚乙烯基吡咯烷酮、羟丙基甲基纤维素中的一种或几种。

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