CN110243724B - 一种3d打印砂浆挤出性能定量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置及方法，属于建筑3D打印材料领域。该装置包括：伺服电机、电缸、压力传感器、活塞、底座、料筒、喷嘴以及标尺；能够通过控制挤出速度、挤出口径，实时测量砂浆产生的反馈压力定量地表征材料的挤出性能，同时通过检测砂浆连续挤出长度定量地表征材料的挤出连续性。本发明的检测方法及装置可准确地反映材料受挤压时的变形性、流动性和反馈压力，为3D打印材料挤出性能的定量表征提供科学有效的方法，为材料的设计与优化提供参数和依据。

Description

一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置及方法

技术领域

本发明属于建筑3D打印材料领域，更具体地，涉及一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置及方法。

背景技术

建筑3D打印技术是将3D打印技术与建筑材料技术相结合而产生的新型快速、低污染建造技术，3D打印建造方法是对传统建造施工方法的颠覆，对与推动建筑行业的个性化、数字化与现代化具有重大意义。当下最普及的3D打印建造技术有轮廓工艺与D-shape两种，本发明主要针对轮廓工艺打印方法，其主要原理是将目标构件或建筑物利用计算机进行3D建模和分割生产三维信息，然后将配制好的水泥基建筑材料拌合物通过挤出装置，按照设定好的程序，通过机械控制，由喷嘴挤出进行打印，最后得到目标构件或建筑物。

3D打印建造与传统浇注成型建造的共同点是材料都需要经历输送、出料、堆积、硬化四个阶段。3D打印材料在输送、出料和堆积而与传统浇注成型工艺性能要求不同，3D打印砂浆要求在输送过程中具有较好的流动性，在挤出过程中具有较好的可塑性与连续性，被挤出后在堆叠过程中具有较好的自体强度以抵抗自重变形与外力变形。因此，3D打印砂浆的性能研究与定量检测不能完全延用传统水泥基材料中的塌落度、扩展度、凝结时间、可泵性等工作性能参数及指标，需要建立适用于3D打印工艺要求的砂浆工作性能定量检测方法与装置。

在3D打印砂浆的工作性能中，挤出性能是指砂浆从喷嘴被挤出过程中及挤出后的状态，该性能直接影响了3D打印构件的密实度、表观质量、力学性能等关键参数，因此挤出性能的定量表征是反应砂浆状态的重要手段。表征砂浆挤出性能有以下两个途径：

(1)当挤出压力恒定时，3D打印砂浆的挤出性能以料浆的挤出速度(单位时间出料量)为检测指标；

(2)当挤出速度恒定时，3D打印砂浆的挤出性能以料浆被挤出时产生的压力为检测指标，砂浆稠度越高，挤出过程中的反馈压力越大。

在实际打印过程中，通常是通过控制电机的进给速度，以获得特定的出料速度，保持出料的均匀性，此时可反应3D打印砂浆挤出性能的参数指标为砂浆的反馈压力。与此同时，相对于控制压力检测出料速度，通过控制出料速度检测砂浆挤出过程反馈压力的方法精度更高，实现难度更低。

专利文献“3D打印建筑砂浆工作性测试装置及应用”(申请号：CN 104297103 A)中报道了一种用于检测3D打印砂浆工作性的装置及方法，该装置及方法可检测出3D打印砂浆在一定压力作用下的挤出速度和可操作时间，但无法检测出打印材料挤出过程中的连续性，也无法反映挤出过程中的压力变化情况。

专利文献“一种建筑3D打印砂浆的连续性测试方法”(申请号：CN 108444867 A)中报道了一种用于检测3D打印水泥砂浆挤出后的连续性能的方法，但该方法同样无法反映3D打印砂浆挤出过程中料浆产生的压力情况。

因此，亟需一种既能够检测打印材料挤出过程中的连续性，也能够反映挤出过程中的压力变化情况的装置及方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置及方法，其目的在于，通过对3D打印砂浆挤出性能定量检测装置的结构进行改进，配合相应的测量方法，弥补现有3D打印砂浆工作性能定量评价的不足，既能够检测打印材料挤出过程中的连续性，也能够反映挤出过程中的压力变化情况，为建筑3D打印材料的设计与优化提供参数和依据。

为了实现上述目的，本发明提供了一种D打印砂浆挤出性能定量检测装置，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；

电缸安装于底座上部，料筒安装于底座下部且位于电缸正下方，电缸的活塞杆端部穿过底座；活塞安装于电缸的活塞杆端部且位于底座下方；伺服电机的输出轴连接电缸的输入端，以驱动电缸的活塞杆伸缩运动，从而带动活塞在料筒内沿轴向往复运动；喷嘴安装于料筒下端；压力传感器安装于活塞上，用于检测活塞在挤出砂浆时的反馈压力；标尺用于测量砂浆的挤出长度。

进一步地，还包括活塞支撑环，活塞支撑环固定于底座下表面，料筒上端与活塞支撑环下端对接，且料筒与活塞支撑环的内径相等；初始状态下，活塞位于活塞支撑环内。

进一步地，还包括活塞导向环、活塞密封圈和上压板；

活塞内部中空，用于放置压力传感器；活塞外侧面上部设有导向槽，用于安装活塞导向环，活塞导向环用于活塞在料筒内部运动时的导向；活塞外侧面下部设有密封槽，用于安装活塞密封圈，活塞密封圈用于活塞在料筒内部运动时的密封；

上压板用于将压力传感器压紧固定于活塞内部，上压板中部设有供电缸的活塞杆穿过的通孔。

进一步地，还包括底板以及多个支撑杆；底板位于喷嘴下方的指定距离，通过多个支撑杆与底座固定连接。

进一步地，标尺集成于支撑杆上。

进一步地，料筒与喷嘴通过漏斗形的喷嘴连接件可拆卸地连接。

进一步地，喷嘴的喷口形状为圆形或正方形，具有多种尺寸规格。

进一步地，圆形的喷口直径为10mm、15mm、20mm三种规格，正方形的喷嘴边长为10mm、15mm、20mm三种规格。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种采用上述3D打印砂浆挤出性能定量检测装置进行3D打印砂浆挤出性能定量检测的方法，包括如下步骤：

步骤1：料筒内壁先用水清洁，保持内壁湿润附有水膜；封住喷嘴，将制备好的3D打印砂浆分多次装入料筒，每次装料后捣实并排出3D打印砂浆中的气体；

步骤2：将装配好的活塞连同压力传感器放入装满3D打印砂浆的料筒内，并将料筒竖直安装固定于底座下方，将组装完成的检测装置整体放置于预定高度，便于测量挤出砂浆的连续性值；

步骤3：启动伺服电机开始挤出砂浆，通过控制伺服电机进给速度调控出料速度，在恒定出料速度情况下，实时监测并记录砂浆稳定出料时的反馈压力，取算术平均值作为3D打印砂浆挤出性能指标参数值；

步骤4：保持电机进给速度恒定，利用标尺测量确定断裂时的砂浆长度，将该长度值作为3D打印砂浆连续性指标参数值；

步骤5：重复上述步骤预定次数，取反馈压力数据与连续性值的平均值作为3D打印砂浆挤出性能的指标。

进一步地，步骤4中，在砂浆挤出过程中用摄像机记录砂浆从被挤出到断裂的过程，通过影像回放，对比标尺的刻度测量确定断裂时的砂浆长度；

步骤5中，实验数据的误差小于10％时为有效数据，至少取三组有效数据进行计算。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明模拟砂浆3D打印施工方法，通过控制挤出速度，检测砂浆挤出过程中的反馈压力，可实时且精确地反映砂浆打印过程中的挤出性能。

(2)本发明可同时检测砂浆挤出连续性，采用本发明的方法与装置操作简便、高效，检测实时性好，精度高，适用范围广，可用于各种3D打印砂浆挤出性能的检测与研究。

附图说明

图1是本发明优选实施例的3D打印砂浆挤出性能定量检测装置结构分解图；

图2是图1的组装图；

图3是图2的局部剖视图，其中：I区是活塞位于最高点时的剖视图；II区是活塞运动至最低点时的虚拟示意，故外轮廓用虚线表示；

图4是图3中I区的放大图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-伺服电机，2-电缸，3-压力传感器，4-活塞导向环，5-活塞，6-活塞密封圈，7-底座，8-活塞支撑环，9-支撑杆，10-料筒锁紧环，11-料筒锁紧螺丝，12-料筒，13-喷嘴连接件，14-喷嘴，15-底板，16-气孔，17-上压板，18-下压板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～4所示，本发明优选实施例的一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，包括：伺服电机1、电缸2、压力传感器3、活塞5、底座7、料筒12、喷嘴14以及标尺(未图示)。电缸2安装于底座7上部，料筒12安装于底座7下部且位于电缸2正下方，电缸2的活塞杆端部穿过底座7；活塞5安装于电缸2的活塞杆端部且位于底座7下方；伺服电机1的输出轴连接电缸2的输入端，以驱动电缸2的活塞杆伸缩运动，从而带动活塞5在料筒12内沿轴向往复运动；喷嘴14安装于料筒下端；压力传感器3安装于活塞5上，用于检测活塞5在挤出砂浆时的反馈压力；标尺用于测量砂浆的挤出长度。

优选地，为了提升料筒12拆装的灵活性，同时保护活塞5及其配件，该装置还包括活塞支撑环8，活塞支撑环8固定于底座7下表面，料筒12上端与活塞支撑环8下端对接，且料筒12与活塞支撑环8的内径相等；初始状态下，活塞5位于活塞支撑环8内。

优选地，该装置还包括活塞导向环4、活塞密封圈6和上压板17；活塞5内部中空，用于放置压力传感器3；活塞5外侧面上部设有导向槽，用于安装活塞导向环4，活塞导向环4用于活塞5在料筒12内部运动时的导向；活塞5外侧面下部设有密封槽，用于安装活塞密封圈6，活塞密封圈6用于活塞5在料筒12内部运动时的密封；上压板17用于将压力传感器3压紧固定于活塞5内部，上压板17中部设有供电缸2的活塞杆穿过的通孔。优选地，压力传感器3和活塞杆端部通过螺纹连接。

优选地，该装置还包括底板15以及多个支撑杆9；底板15位于喷嘴下方的指定距离，通过多个支撑杆9与底座7固定连接，还可将标尺直接集成于支撑杆9上，简化结构，同时测量更稳定，尤其适用于视频拍摄测量法。

优选地，料筒12与喷嘴14通过漏斗形的喷嘴连接件13可拆卸地连接，喷嘴14的喷口形状为圆形或正方形，具有多种尺寸规格，以便于根据实验内容随时更换喷嘴14。

优选地，圆形的喷口直径为10mm、15mm、20mm三种规格，正方形的喷嘴边长为10mm、15mm、20mm三种规格。

下面以一种具体的3D打印砂浆为例对本发明的实验方法进行进一步介绍。

本实施例选用的3D打印砂浆配合比为：胶凝材料-PO42.5水泥1份，骨料-石英砂0.5-1mm1份，聚羧酸减水剂、聚丙烯纤维6mm、纤维素醚10万粘度分别为胶凝材料质量的0.5％、0.5％、0.05％，水胶比为0.32。

该3D打印砂浆挤出性能检测的步骤如下：

(1)料筒内壁先用水清洁，保持湿润附有水膜。封住料筒的挤出口，将制备好的3D打印砂浆分3次以上装入料筒，每次装料后用捣棒进行若干次插捣，并敲击筒壁以排出砂浆中的气体。

(2)依次把活塞密封圈、活塞通过活塞导向环放入装满砂浆的料筒内，并将料筒竖直安装并固定于上底板下方，将整体装置放置于适当高度，便于测量挤出砂浆的连续性值。

(3)解除锁定，开动伺服电机开始挤出砂浆，通过控制伺服电机进给速度调控出料速度，在恒定出料速度情况下，实时监测并记录砂浆稳定出料时的反馈压力，取算术平均值作为3D打印砂浆挤出性能指标参数值。

(4)恒定电机进给速度为2mm/s，在砂浆挤出过程中用摄像机记录砂浆从被挤出到断裂的过程，通过影像回放，对比支架上的刻度尺确定断裂时的砂浆长度，将该长度值作为3D打印砂浆连续性指标参数值。

(5)重复上述步骤三次，取三组反馈压力数据与连续性值的平均值作为3D打印砂浆挤出性能的指标。当三组数据间的误差小于10％时为有效数据，当误差大于10％时应再补做测试，直到有三组数据误差小于10％作为有效数据。

【测试实例1】

本实例选择直径为10mm的圆形挤出口。

将配制完成的3D打印砂浆按照上述步骤进行检测，获得的有效数据如下：

表1实例1砂浆挤出性能反馈压力与连续性值

检测项目	挤出过程反馈压力/N	挤出连续性/mm
			有效数据1	156	18.8
有效数据2	148	19.5
			有效数据3	153	19.3
平均值	152.3	19.2

【测试实例2】

本实例选择直径为15mm的圆形挤出口。

将配制完成的3D打印砂浆按照上述步骤进行检测，获得有效数据如下：

表2实例2砂浆挤出性能反馈压力与连续性值

检测项目	挤出过程反馈压力/N	挤出连续性/mm
			有效数据1	128	16.3
有效数据2	134	15.6
			有效数据3	137	16.4
平均值	133	16.1

【测试实例3】

本实例选择直径为10mm的正方形挤出口。

将配制完成的3D打印砂浆按照上述步骤进行检测，获得有效数据如下：

表3实例3砂浆挤出性能反馈压力与连续性值

检测项目	挤出过程反馈压力/N	挤出连续性/mm
			有效数据1	163	17.7
有效数据2	158	17.5
			有效数据3	159	18.3
平均值	160	17.8

本领域的技术人员容易理解，以上所述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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，其特征在于，包括：伺服电机(1)、电缸(2)、压力传感器(3)、活塞(5)、底座(7)、料筒(12)、喷嘴(14)以及标尺；还包括活塞导向环(4)、活塞密封圈(6)和上压板(17)；

电缸(2)安装于底座(7)上部，料筒(12)安装于底座(7)下部且位于电缸(2)正下方，电缸(2)的活塞杆端部穿过底座(7)；活塞(5)安装于电缸(2)的活塞杆端部且位于底座(7)下方；伺服电机(1)的输出轴连接电缸(2)的输入端，以驱动电缸(2)的活塞杆伸缩运动，从而带动活塞(5)在料筒(12)内沿轴向往复运动；喷嘴(14)安装于料筒下端；压力传感器(3)安装于活塞(5)上，用于检测活塞(5)在挤出砂浆时的反馈压力；标尺用于测量砂浆的挤出长度；

活塞(5)内部中空，用于放置压力传感器(3)；活塞(5)外侧面上部设有导向槽，用于安装活塞导向环(4)，活塞导向环(4)用于活塞(5)在料筒(12)内部运动时的导向；活塞(5)外侧面下部设有密封槽，用于安装活塞密封圈(6)，活塞密封圈(6)用于活塞(5)在料筒(12)内部运动时的密封；

上压板(17)用于将压力传感器(3)压紧固定于活塞(5)内部，上压板(17)中部设有供电缸(2)的活塞杆穿过的通孔。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，其特征在于，还包括活塞支撑环(8)，活塞支撑环(8)固定于底座(7)下表面，料筒(12)上端与活塞支撑环(8)下端对接，且料筒(12)与活塞支撑环(8)的内径相等；初始状态下，活塞(5)位于活塞支撑环(8)内。

3.根据权利要求1或2所述的一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，其特征在于，还包括底板(15)以及多个支撑杆(9)；底板(15)位于喷嘴下方的指定距离，通过多个支撑杆(9)与底座(7)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，其特征在于，标尺集成于支撑杆(9)上。

5.根据权利要求1或2所述的一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，其特征在于，料筒(12)与喷嘴(14)通过漏斗形的喷嘴连接件(13)可拆卸地连接。

6.根据权利要求5所述的一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，其特征在于，喷嘴(14)的喷口形状为圆形或正方形，具有多种尺寸规格。

7.根据权利要求6所述的一种3D打印砂浆挤出性能定量检测装置，其特征在于，圆形的喷口直径为10mm、15mm、20mm三种规格，正方形的喷嘴边长为10mm、15mm、20mm三种规格。

8.采用权利要求1-7中任意一项所述的3D打印砂浆挤出性能定量检测装置进行3D打印砂浆挤出性能定量检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：料筒(12)内壁先用水清洁，保持内壁湿润附有水膜；封住喷嘴，将制备好的3D打印砂浆分多次装入料筒(12)，每次装料后捣实并排出3D打印砂浆中的气体；

步骤2：将装配好的活塞(5)连同压力传感器(3)放入装满3D打印砂浆的料筒(12)内，并将料筒(12)竖直安装固定于底座(7)下方，将组装完成的检测装置整体放置于预定高度，便于测量挤出砂浆的连续性值；

步骤3：启动伺服电机(1)开始挤出砂浆，通过控制伺服电机(1)进给速度调控出料速度，在恒定出料速度情况下，实时监测并记录砂浆稳定出料时的反馈压力，取算术平均值作为3D打印砂浆挤出性能指标参数值；

步骤4：保持电机进给速度恒定，利用标尺测量确定断裂时的砂浆长度，将该长度值作为3D打印砂浆连续性指标参数值；

步骤5：重复上述步骤预定次数，取反馈压力数据与连续性值的平均值作为3D打印砂浆挤出性能的指标。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

步骤4中，在砂浆挤出过程中用摄像机记录砂浆从被挤出到断裂的过程，通过影像回放，对比标尺的刻度测量确定断裂时的砂浆长度；

步骤5中，实验数据的误差小于10％时为有效数据，至少取三组有效数据进行计算。

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