螺旋葉片幾何形狀對(duì)3D打印混凝土流變性能及擠出性能的影響

來(lái)源：智慧土木

研究背景

近年來(lái)，3D打印技術(shù)（也叫增材制造）在世界各地的許多領(lǐng)域都得到了研究和發(fā)展。在民用建筑行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的增材制造技術(shù)是基于擠壓的3D打印混凝土。基于擠壓的3D打印混凝土技術(shù)具有不需要模板、工程成本低、提高施工人員的安全、建筑風(fēng)格更自由等諸多優(yōu)勢(shì)。然而，3D打印混凝土施工也有缺點(diǎn)。例如，可能需要添加緩凝劑，使混凝土易于擠出，但在成型過(guò)程中也可能需要添加速凝劑，使新形成的混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)坍塌。也就是說(shuō)，在不同的施工過(guò)程中，對(duì)打印材料的要求是不同的。而這些要求，比如可擠壓性和可施工性，有時(shí)是相互矛盾的。當(dāng)3D打印水泥砂漿含水率高、粘聚力低時(shí)，其擠出性容易滿足，但打印結(jié)構(gòu)容易坍塌。但如果3D打印水泥砂漿含水量低，粘聚力高，則打印結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，但水泥砂漿可能不會(huì)被擠出�？纱蛴』旌狭鲜欠窬哂辛己玫目蓴D壓性和可建造性，取決于可打印混合料的流變性能。也就是說(shuō)，如果混合料具有適合給定打印參數(shù)的適當(dāng)流變性能，無(wú)論螺旋葉片幾何形狀如何，混合料應(yīng)是可擠出的。然而，攪拌機(jī)（包括葉片幾何形狀和攪拌方法）會(huì)影響混凝土混合料的流變性能，進(jìn)而影響其擠出性。
來(lái)自同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程系肖建莊課題組的研究人員在《Automation in Construction》期刊上發(fā)表了”Effect of spiral blade geometry on 3D-printed concrete rheological properties and extrudability using discrete event modeling“一文，系統(tǒng)探討了螺旋葉片幾何形狀對(duì)3D打印混凝土流變性能及擠出性能的影響。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2022.104199

研究出發(fā)點(diǎn)

在過(guò)去的十年里，已經(jīng)開發(fā)了相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值技術(shù)，分析了葉片幾何形狀對(duì)混凝土攪拌的影響。然而，對(duì)3D混凝土打印機(jī)葉片形狀效果的研究還很有限。由于混凝土的非均質(zhì)性，如何在有限的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上充分考慮材料性質(zhì)，生成相對(duì)完整的離散元模型，是相關(guān)研究面臨的最大挑戰(zhàn)�；�于此，本文研究了螺旋葉片幾何形狀對(duì)3D打印混凝土流變性能及擠出性能的影響。

研究?jī)?nèi)容

螺旋葉片的尺寸和形狀對(duì)3D打印混凝土施工有很大的影響。本研究旨在回答兩個(gè)研究問(wèn)題：螺旋葉片幾何形狀如何影響3D打印混合物的流變性能？3D打印混合料的流變性能對(duì)最終擠出性能有什么影響？本文采用顆粒與液體橋結(jié)合形成的離散元模型，主要討論了葉片半徑、螺桿半徑、葉片層數(shù)和葉片轉(zhuǎn)速對(duì)打印噴嘴處顆粒流擠出速度的影響。為了研究3D打印過(guò)程中顆粒流與葉片幾何形狀之間的復(fù)雜相互作用，利用開源軟件YADE建立了虛擬3D打印機(jī)。泵葉片的尺寸、形狀、轉(zhuǎn)速等參數(shù)會(huì)影響混凝土混合料的流變性能，進(jìn)而影響其可擠出性。因此，在改變泵葉片尺寸、形狀和轉(zhuǎn)速的情況下，計(jì)算和分析了顆�；�混凝土材料在打印噴嘴處的流速。

圖1 三種不同類型的葉片圖像：(a) 刀片在3D打印機(jī)中的位置；(b) 無(wú)軸螺旋葉片；(c) 帶軸的螺旋葉片；(d) 連續(xù)螺旋葉片

圖2 兩個(gè)粒子之間的液體橋：(a) 配置；(b) 液橋的粘聚距離關(guān)系

圖3 3D混凝土打印俯視圖，不同轉(zhuǎn)速分別為21.5 rpm、25.0 rpm、32.5 rpm、42.5 rpm、50.0 rpm

圖4 3D打印混凝土擠出不同角速度：(a) 側(cè)視圖；(b) 俯視圖；(c) 顆粒流速分布

圖5 采用不同葉片尺寸的設(shè)備擠出3D打印混凝土：(a)側(cè)視圖；(b)噴嘴顆粒速度分布

主要結(jié)論

本文采用顆粒與液體橋粘結(jié)形成的離散元模型，分析了3D打印機(jī)刀片尺寸、形狀和轉(zhuǎn)速對(duì)水泥基材料可擠出性的影響。利用開源軟件YADE進(jìn)行混凝土擠壓3D打印仿真。通過(guò)一些數(shù)值實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論，為這兩個(gè)研究問(wèn)題提供參考。

1.   液體橋γ的表面張力對(duì)3D打印混合料的流變性能有顯著影響。結(jié)果表明：對(duì)于無(wú)螺旋葉片的3D打印混凝土，當(dāng)液體表面張力γ從1.4 N/m增加到2.9 N/m時(shí)，條寬噴嘴直徑比從1.5減小到1.0；而對(duì)于螺旋葉片3D打印混凝土，當(dāng)液體表面張力γ從2.0 N/m增加到9.0 N/m時(shí)，條寬-噴嘴直徑比從1.8減小到1.0。

2.   3D打印機(jī)刀片尺寸、形狀和轉(zhuǎn)速對(duì)水泥基材料擠出性能的隨機(jī)影響是不可忽視的。結(jié)果表明：當(dāng)葉片轉(zhuǎn)速?gòu)?0 rad/s變化到50 rad/s時(shí)，噴嘴處的平均擠出速度變化范圍為12%左右，標(biāo)準(zhǔn)差為71%左右。當(dāng)螺桿半徑從0.01 m變化到0.03 m時(shí)，平均擠出速度在噴嘴處的變化范圍為3%左右，標(biāo)準(zhǔn)差為26%左右。當(dāng)3D打印機(jī)刀片層數(shù)由1.0改變?yōu)?.5時(shí)，噴嘴處平均擠出速度變化約為6%，標(biāo)準(zhǔn)差變化約為47%。當(dāng)葉片半徑由0.1 m調(diào)整到0.125 m時(shí)，噴嘴處的平均擠出速度變化量約為24%，標(biāo)準(zhǔn)差變化量約為69%。

綜上所述，通過(guò)一系列的統(tǒng)計(jì)分析，表明螺旋葉片的幾何形狀對(duì)3D打印混合料的流變性能有相當(dāng)大的影響。此外，3D打印混合料流變特性的隨機(jī)效應(yīng)對(duì)最終擠出性能的影響也不容忽視。因此，螺旋葉片幾何形狀對(duì)3D打印混凝土混合料最終擠出性能的間接影響應(yīng)得到高度重視。雖然所提出的方法合理地考慮了液體橋的表面張力，但如何進(jìn)行自主量化仍具有挑戰(zhàn)性，特別是在3D打印施工過(guò)程中特征隨時(shí)間變化時(shí)。因此，未來(lái)的研究應(yīng)集中在如何改進(jìn)所提出的方法，使自主式液體橋張力更具可控性。