混凝土3D打印質量影響因素及控制方法

2023年12月13日發(作者：口語測試)

-

2021年第4期4月混凝土與水泥制品CHINA

CONCRETE

AND

CEMENT

PRODUCTS2021

No.4April混凝土

3D打印質量影響因素及控制方法楊敏，來猛剛，竇艷寧，田果(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安710065)摘

要：為更好地控制混凝土

3D打印構件的成型質量，從構件造型實現程度、成型精度、表面紋理質量、力學性

能、非薄壁構件的填充質量等方面介紹了混凝土

3D打印質量評價指標遙結合混凝土

3D打印技術流程，研究了影響

3D打印質量的主要因素，如打印材料、打印設備、控制系統、切片及路徑規劃算法、控制參數、打印環境條件等遙并針

對主要影響因素，采用定性分析與理論分析相結合的方法，提出了其相應的質量控制方法遙關鍵詞：混凝土曰3D打印；打印質量;影響因素；質量控制方法中圖分類號:TU528

文獻標識碼：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打印技術是基于三維數字化設計，

采用“層積”成型方式進行混凝土成型的一種建造

發送給打印系統，以坐標定義點形成線，進而逐層

打印混凝土結構叫混凝土

3D打印質量受打印材

料、打印機系統、泵、控制系統、打印頭、出料嘴形狀

技術。打印過程是將打印頭安裝在一個載重定位機

架上，按照設定的打印路徑進行移動并持續擠出混

等多種因素共同影響叫國內外學者對于混凝土

3D

打印系統及影響打印質量的因素進行了大量研究。

郭潞杰岡在特定打印設備與材料的前提下，進行了

不同打印工藝對構件成型效果的影響研究。在打印

頭移動速度控制方面,NERELLA等［4］使用的打印速

凝土料漿。成型過程與熔融沉積成型(Fud

Deposition

Modelling,以下簡稱FDM)具有公定的相

似性，通過打印頭擠出料漿的線性層積成型，無需

借助模板。混凝土

3D打印系統一般由路徑規劃系統、材

料制備系統、材料輸送系統、材料擠出打印頭、載重

度約為75

mm/s,通過速凝劑將混凝土材料的初凝

時間控制在3

min以內，層間間隔時間為30

s,打印

時間為90

min。在PERROT等冋的研究中，打印層之

間的時間間隔在11~60

s,打印速度為1.1~6.0

m/ho

定位機及其控制系統組成。控制系統控制打印料漿

的泵出速度、打印頭的位移速度、出料嘴的擠出速

度、出料嘴的角速度等打印參數，然后以機器語言基金項目：“十三五”國家重點研發計劃項目

(2019YFC1907105)；中交集團2020重大研發項目(2020-

在打印頭出料嘴的選擇研究方面，圓形打印頭在打

印路徑方向改變時能夠相對容易地實現打印效果

與設計模型的吻合，而方形打印頭實現難度較大，

但方形比圓形或橢圓形打印頭有更好的表面平整

度；出料嘴不同橫截面積對料漿擠出速度及打印頭

移動速度的要求不同。在NERELLA等岡和LE等［6］-11

-ZJKJ-07)；中交集團特大研發項目(2018-ZJKJ-02)o 2021

年第

4

期混凝土與水泥制品總第300期的研究中，分別采用了

9

mmx6

mm和38 mmx

15

mm

的出料嘴;LIM等［7］的研究采用直徑為4~27

mm的

圓形出料嘴。武雷等［8-9］研究了搭接寬度對3D打印

混凝土基本力學性能的影響以及工藝參數對成型

精度的影響遙對于3D打印水泥基材料，一般要有適宜的流

動性、堆積性、較快的凝結時間以及較高的早期強

度,使得混凝土料漿能夠順利地從打印頭中擠出并

堆積成構件［10］o

LE等［11］對適用于擠出層積打印工藝

的水泥基材料，提出了可擠出性、可堆積性、打印時

間及工作性四大指標。段嚴等問對3D打印混凝土材

料相關性能的研究進展進行了梳理。於家勉等問對

3D打印混凝土層間性能的影響因素與測試方法研

究進行了總結遙隨著3D打印技術在土木工程領域的應用，混

凝土

3D打印技術正逐步從“可打印”到“可批量化、

精準化、規模化打印”發展。目前,混凝土

3D打印

質量成為制約3D打印技術推廣及進一步發展的瓶

頸，開展混凝土

3D打印質量影響因素及控制措施

的研究，對促進其發展與應用具有重要意義。目前

的研究工作主要集中在影響3D打印質量的某一個

因素或某一類因素，而3D打印質量往往受多種因

素綜合影響。因此，有必要對混凝土

3D打印質量影

響因素展開更為全面、系統的研究遙

本文基于工業

機械臂驅動的混凝土

3D打印工藝，對工藝流程中

影響打印質量的關鍵因素進行分析,綜合考慮后提

出質量控制方法，以期為混凝土

3D打印技術相關

研究提供參考遙1混凝土

3D打印質量及影響因素1.1 打印質量3D打印混凝土構件的打印質量一般由打印件

造型實現程度、成型精度、表面紋理質量、力學性

能、非薄壁構件的填充質量等指標來評定。其中，每

個方面又有一些具體的質量指標，所以本文將混凝

土

3D打印質量劃分為一個質量體系，見圖1o

1.2影響因素3D打印混凝土結構的成型質量受打印技術流

程各個環節中的多種因素共同影響。混凝土

3D打

印技術流程如圖2所示。1.2.1

設計建模階段模型設計者對于打印系統的打印能力范圍需

要有清晰的認知,應對打印設備特征、打印尺寸、打

印系統可實現的打印件曲率、雙曲面、鏤空、局部懸

空等情況進行充分考慮。在開始打印前，此方面因

素均會對打印質量產生影響遙-12-圖1混凝土

3D打印質量體系分類示意圖機械臂運數字模型 動控制打印頭擠圖2混凝土

3D打印流程圖1.2.2模型切片及路徑規劃階段在模型切片階段,切片厚度直接影響打印的分

層厚度,而分層厚度又是影響打印質量的關鍵工藝

參數之一。打印路徑規劃思路及圖形算法的不同，

直接導致打印運動軌跡不同，從而影響構件的打印

質量遙1.2.3

3D打印階段(1)3D打印過程是指混凝土的制備到打印層堆

積成型的過程，包含了原材料混合攪拌、泵車螺桿

擠出、管道輸送、打印頭擠出、堆積成形等過程。此

過程各環節對水泥基材料的性能提出了不同的要

求，如圖3所示。結合擠出層積打印工藝流程，不同

的性能指標對應不同的工藝階段遙

打印材料的觸變

性、流動性、可擠出性、可堆積性、凝結時間、用水

量、纖維及骨料類型、拌和時間、擠出壓實度等均對

打印過程及打印質量產生影響遙觸變性、流變性可擠岀性可堆積性I打印頭I

］擠出成品

II成型構件攪拌養護圖3

3D打印工藝過程混凝土所需性能楊

敏，來猛剛,竇艷寧，等

混凝土

3D打印質量影響因素及控制方法(2)

打印設備系統中，機械臂為打印提供了空間

定位,其定位精度、啟停控制、運動控制邏輯等直接

影響打印質量。打印頭及出料嘴是混凝土材料的打

印擠出設備，打印頭是否儲料且進行二次螺桿擠

出、構造設計、出料嘴的類型、尺寸、形狀、材質、出

料原理、機電性能等均影響出料的質量。(3)

打印工藝及系統參數設置,包括打印層厚

度、打印頭移動線速度、材料擠出速度、泵車泵出速

度(泵壓)、輸料方式及路徑等，均可對打印質量產

生影響。(4)

混凝土

3D打印質量同時受打印環境溫度、

濕度以及養護條件的影響。2混凝土

3D打印工藝流程中影響打印質量的因

素及控制方法2.1

設計建模階段混凝土

3D打印受技術本身發展的局限性影

響，目前還不能完全實現任意三維模型的直接打印

成型。設計人員對打印設備打印能力范圍的把握，

將直接影響構件打印成型質量。打印過程中受打印頭的尺寸、形狀等的影響，會

造成不同程度的“造型損失”，模型中如果設有尖

角，則打印實現難度較大。以打印矩形為例,在轉角

處存在“造型損失”,如圖4所示。若選擇圓形出料

嘴，造型損失受出料嘴直徑影響較大;選擇矩形可

旋轉出料嘴打印頭，“造型損失”受出料嘴長邊邊長

及出料嘴的路徑、轉角方式的影響較大，可通過出

料嘴的啟停、轉角算法的調整減少造型損失。(a)模型切片圖形

(b)打印成型圖形(c)實際打印成型效果

圖4造型損失雙曲面的打印實現能力是打印設備系統及材

料研發的重要能力體現。雙曲面的打印可通過兩種

方式實現:一種是通過打印層之間的偏移量累積擬

合形成曲面，如圖5所示;另一種是通過控制算法,

調整機械臂的運動，使打印頭出料嘴與水平面形成

夾角,即料條之間不再是水平層積，而是有內外高

度差的層積狀態,從而實現曲面打印。如圖6所示。圖5通過打印層間偏移量累積實現雙曲面打印(c)實際效果圖6通過算法調整機械臂實現曲面打印對于存在局部懸空造型的打印實現，在材料確

定的情況下,隨著懸空尺寸的增大，打印造型的變形

也隨之變大，如圖7所示。此類局部表面小紋理懸空

造型的打印質量，可以通過調整材料配合比，提升混

凝土料漿的形狀保持度［14-15來改善。同時，設計者在

模型設計中還需要考慮打印料漿及設備能夠實現的

最大局部懸空量。(a)局部懸空的紋理變形

(b)改善的局部懸空紋理圖7部分懸空打印造型由此可見，在模型設計過程中要充分考慮混凝

土

3D打印的技術特征及其現階段的技術局限性，

對于打印構件的質量具有重要影響。2.2切片及路徑規劃階段設計模型的切片及路徑規劃過程決定了打印設

備設定及運行的最基本參數。模型切片厚度、路徑規

劃算法等均對成型件表面質量、成型結構的力學性

能產生影響。在打印材料確定的條件下，同一構件，切片厚度

決定了分層數量,切片厚度越薄，分層數量越多，同

一模型打印的層數越多袁層間黏結力對構件總體力

學性能影響越大。因此,在通過材料物理力學指標、-13- 2021

年第

4

期混凝土與水泥制品總第300期層間黏結力指標等對打印構件力學性能進行評估

時，需要充分考慮切片厚度及分層數量的影響。另

外，混凝土

3D打印工藝使打印出的構件具有天然

的打印紋理，切片厚度決定了紋理形成的間距及視

覺效果。常規FDM工藝采用的切片方式是水平切片，

每層切片打印填充完成后再進行之后的打印。以空

心圓柱的打印實現為例，如圖8所示。空心圓柱本

質上是由兩個同心圓環之間填充形成的，通過圓環

的逐層打印堆疊形成空心圓柱。目前,混凝土

3D打

印對空心圓柱的打印多采用同心軸切片，即將物體

的三維模型按照平行于z軸方向、以同心軸嵌套面

進行切片，再將各嵌套面進行同心圓環打印堆疊、

層間連接,從而形成空心圓柱。因此,切片的縱向嵌

套同心圓環及其間距的合理設置尤為重要，合理的

設置可有效控制打印出的成品構件實際尺寸與設

計尺寸之間的偏差。(a)常規FDM工藝切片(b)混凝土打印切片圖8空心圓柱打印切片實現混凝土

3D打印逐層累積成型，完成底層的打

印后再進行上一層的打印，會在下層和上層的抬升

處出現“臺階”現象。經過多層的累積，在抬升累積

處就會形成“結點面”。可通過改進路徑規劃，將抬

升處放置在結構的內部或拼接處,保證結構外部的

整體性、均勻性和表面質量；或者將每一個打印層

的抬升處設置在不同的位置,消除抬升點的累積效

應，弱化“結點面”的形成，見圖9o(a)層間抬升臺階接頭(b)節點累積的“節點面”1(c

)路徑規劃優化后的打印面圖9

3D打印“臺階”現象2.3

3D打印階段2.3.1

3D

打印混凝土的制備-14-混凝土的性狀是影響3D打印成型質量的關鍵

因素之一。以坍落度為例，混凝土坍落度的大小，直

接影響打印擠出料條的形變量。以圓形擠出嘴為

例，見圖10o打印料條的初始截面形狀近似圖10(a),

自然接觸時近似圖10(b),經打印頭移動、料條與下

層粘接、上層擠壓粘接、坍落變形后，實際成型截面

近似圖10(c)o混凝土坍落度越大，成型截面的高度

a越小，寬度b越大。在打印分層厚度、打印頭擠出

速度、打印頭移動速度固定的情況下，擠出料條的

形狀及a、b保持不變，坍落度成為影響打印層累積

誤差C的關鍵指標(C抑分層厚度ax層數n-實際打

印成型總高度h)。(a)初始形狀

(b)自然接觸形狀

(c)定型形狀圖10圓形擠岀嘴料條形狀在打印層間隔時間、打印參數、材料一定的條

件下袁當打印分層厚度大于打印頭擠出料條的成型

厚度時，單層料條的層高誤差Ah主要受三種因素

影響：打印過程中料嘴距離打印層高度自由下落

“拉扯”料條引起的變形高度差Ah1、材料坍落變形

引起的高度差Ah、上層堆積料堆壓引起的高度差

Ah3，即Ah主要由Ah1、Ah2和Ah3三部分組成。當打

印分層厚度等于打印頭擠出料條的成型厚度時袁單

層料條的層高誤差Ah主要由Ah2和Ah3組成;當打

印分層厚度小于打印頭擠出料條的成型厚度時袁單

層料條的層高誤差Ah主要由Ah3和出料嘴擠壓引

起的層高誤差Ah4組成。2.3.2

打印設備及控制參數打印設備及其控制參數對打印質量的影響主

要體現在設備的系統定位精度、打印頭擠料方式、

打印頭出料嘴形式及其控制、出料嘴形狀及其運動

控制方面，這些因素對打印構件的表面及結構總體

力學性能影響較大。打印頭按是否臨時儲料可分為儲料型打印頭

與直出型打印頭，見圖11o儲料型打印頭通過螺桿

等結構對打印頭內臨時存儲的混凝土料漿進行二

次擠出，排出因泵送過程可能產生的孔隙及空氣，

擠出的料條具有較好的密實度袁但整個打印頭會因

螺桿的內部轉動引起一定程度的晃動；直出型打印

頭不存儲料漿,不二次擠出，料漿依靠泵送直接從

出料嘴擠出，打印頭內不存在螺桿的擠料攪拌過

程,具有更好的打印定位穩定性。打印頭的出料嘴是混凝土料漿離開打印系統楊敏，來猛剛,竇艷寧，等

混凝土 3D打印質量影響因素及控制方法o特定的可控可動姿態。根據材質可分為不同的類

型，包括金屬出料嘴、塑料出料嘴以及組合材料出

料嘴等,由于材料表面摩擦系數的差異,出料嘴材

料會影響擠出料條的表面光滑度。出料嘴形狀對擠出料條的形狀、結構外觀以及

結構力學性能均有較大影響。目前使用較多的出料

嘴形狀主要有圓形、正方形、矩形。對于正方形和圓

(b)直岀型打印頭

形出料嘴，路徑規劃及打印實現相對簡單,不會在

圖11打印頭拐彎處因出料嘴的形狀引起料條及打印尺寸的變化，見圖13o矩形出料嘴因其沿長、寬兩個方向移動

堆積成型的最后一處設備接觸點,其類型、材質、形

狀對打印表面質量及結構力學性能產生顯著影響。

出料嘴類型多樣，如圖12所示。根據是否可動可控

產生的料條寬度不同，若采用矩形出料嘴，在相同

的切片及路徑規劃下，對打印形狀產生影響，見圖

分為固定型出料嘴和可動型出料嘴。固定型出料嘴

僅僅是料漿擠出的出口，僅影響擠出料條的截面形

狀和尺寸，可動型出料嘴根據打印需求的不同具有

14o因此,在實際研究及應用中，常見的矩形出料嘴具有可動可控、隨打印路徑轉動跟隨的功能，以實

現圖15、圖16的打印路徑。忙:…r；

-■：■旋轉圖12混凝土打印

圖13圓形(或正方形)圖14矩形固定

頭岀料嘴

固定岀料嘴打印路徑岀料嘴打印路徑圖15矩形可動可控岀料嘴打印路徑圖16矩形可動岀料嘴打印路徑與常規路徑對比打印設備定位系統的定位精度受打印機空間

動速度越慢，擠出的混凝土打印條產生堆積，打印

結構剛度、打印機運動控制系統算法、打印機系統

層截面積越大，打印條呈現“厚粗”狀,甚至堆積外

擠變形。因此,實際情況中，在正式打印前可對于特

定打印材料、出料嘴、進行出料速度、分層厚度以及

硬件控制精度、打印機端頭載重等多種因素的影

響。目前，采用技術成熟的高精度工業機械臂作為

打印設備的定位系統，較桁架定位系統具有更高的

打印頭移動速度的匹配測試，采用最佳質量效果的

精度,重復定位精度可達到0.1mm。混凝土打印頭

往往具有一定的自重，儲料型打印頭還需承載存料

的重量。打印頭的總體重量將對系統承重變形產生

一組打印工藝參數進行構件打印。3結論與展望混凝土

3D打印質量影響因素較多，在未來的

研究中，應綜合考慮多種因素的綜合影響，進行定

量測試與試驗,對于質量控制研究具有實際意義。參考文獻：影響,系統剛度越小,打印頭重量越大，硬件系統變

形越大，定位精度越低。打印機運動控制算法決定了系統的運動路徑

及路徑的實現方式。打印填充拐點影響打印條的堆

積狀態,拐點越多，局部堆積量越大,在打印尺寸相

[1]

WOLFS

R

J

M.3D

printing

of

concrete

structures

[D].The

Netherlands:Eindhoven

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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

對較小的情況下，局部堆積效應更加明顯。打印路

徑少，可節省打印時間,提高打印填充效率,節省打

印成本。在實際的構件打印中，需要根據構件具體

的特征，在效率與質量之間進行平衡、選擇,調整填

充打印的路徑規劃算法遙在混凝土

3D打印過程中，打印頭移動速度對

出料形成的打印層尺寸產生影響。在材料配合比、

status

and

future

rearch

prospects

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ng

printability

of

fresh

concrete

for

formwork

free Concrete

on-site

3D

Printing

technology

(CONPrint3D)

[C].Germany:25th

泵速、出料嘴擠出速度確定的情況下，打印頭移動

速度越快，擠出料條會與下層粘接造成拉扯,減小

打印條截面尺寸，打印條呈現“細薄”狀;打印頭移

Conference

on

Rheology

of

Building

Materials,2016.[5]

PERROT

A,RANGEARD

D,PIERRE

ural

built-up

-15-2021

年第

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high

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LE

T

T,AUSTIN S

A,LIM

S,et

design

and

fresh

收稿日期：2021-02-03作者簡介:楊敏（1982—）,女，高級工程師，碩士生導師。properties

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high

-performance

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ultra

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楊永鄭.基于損傷理論的超高性能混凝土本構關系研究

Micromechanical

behavior

of

UHPC

under

cyclic

bending

-

tensile

loading

in

consideration

of the

influence

of

the

concrete

[D].成都:西南交通大學,2018.[40]

張云升，張文華,陳振宇.綜論超高性能混凝土:設計制備?

edge

zone[J].PAMM,2018,18(1):1-4.微觀結構?力學與耐久性?工程應用[J].材料導報,2017,31(23):

1-16.[41]

HALIT

Y

C,HUSEYIN

Y

I,AN

L

K,et

ation

of

fly

ash

and

ground

granulated

blast

furnace

slag

as

an

alternative

silica

source

in

reactive

powder

concrete

[J].Fuel,2008,87

(12):

2401-2407.收稿日期：

2020-11-04作者簡介:吳永魁（2000—）,男，本科生。通訊地址:江蘇省南京市江寧區秣陵街道東南大學九龍

湖校區聯系電話：175****6252[42]

王培銘，豐曙霞,劉賢萍.用于背散射電子圖像分析的水泥

漿體拋光樣品制備[J].硅酸鹽學報,2013,41(2):211-217.E-mail:

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