分析3D打印水泥材料的新鲜混合性能

来源：广西增材制造协会

导读：摩根·克里斯汀·詹金斯（Morgan Christen Jenkins）最近向弗吉尼亚理工大学提交了硕士论文“增材制造的胶凝材料的新鲜混合特性和具有数字图像相关性的挠曲分析 ” ，重点研究3D打印材料以及这种令人难以置信的创新技术如何适合现代民用基础设施应用。由于需要更好的质量保证和质量控制，Jenkins希望解决标准化测试和评估问题，并探索当今使用水泥材料时遇到的典型挑战。

詹金斯（Jenkins）展示了土木工程中3D打印的一幅精妙图景，指出许多项目围绕“可演示性”而不是真实的现实进行，缺乏对未来结果可能涉及设计、耐用性和容量。有了改进的测试方法，不仅可以更好地确保设计中的安全性和长期使用，而且用户还将有更大的潜力享受增材制造的好处和成功。

3D打印的混凝土墙和柱

3D打印水泥在建筑行业中的使用（尤其是为可持续发展的住房以及其他以混凝土板，与机器人集成等部件为特征的项目）已被充分记录在案，因为这种技术具有巨大的优势如：
· 加快构建速度并提高效率
· 提高准确性
· 减少材料浪费
· 模板成本更低
· 减少了对体力劳动的需求（因此，减少了工地受伤的风险）

同时，挑战包括：
· 有关新鲜混合料性能的“不同要求”
· 缺乏真正的质量控制标准
· 由于材料性能强度下降而产生劣质材料和零件的可能性
随着水泥的3D打印在过去十年中（尤其是最近几年）的持续流行，已使用了许多方法：
詹金斯说：“例如，材料挤出和粘结剂喷射（也称为粒子床熔合）是3DCP的两种AM工艺。” “使用哪种工艺的差异可以改变在质量保证/质量控制期间需要考虑哪些参数。但是，材料挤压工艺一直是3DCP最常用的增材制造方法。”

Jenkins继续关注在AM过程中，尤其是在硬件和软件、混合设计、文档设计以及测试中使用混凝土方面缺乏一致性。

精炼混合设计以满足所需AM性能的迭代过程

Jenkins指出：“记录过去，现在和将来的研究过程、材料、测试方法等，可以通过使用胶结材料来解决AM的持续发展。”

本研究的样本是使用“天空大面积增材制造（SkyBAAM）”系统创建的。第一阶段的测试在田纳西大学（UTK）的工厂进行，第二阶段的测试在Virginia Tech（VT）的工厂进行。

喷嘴挤压图

橡树岭国家实验室还创建了一种混合设计，用于本研究中的所有样品和测试，以配合SkyBAAM过程。

在第一阶段，测试了八个样本，所有样本“在加载后一到两分钟内迅速失效”。研究人员将其归因于较高的装载率，将来需要对其进行更改。

“基于第一阶段的初步结果，样品制备工作得以开展；但是，负载率极高，没有根据每个梁的宽度和高度进行调整。此外，仅找到破裂模量并不能提供太多有关载荷如何在层之间分配或转移的信息。”詹金斯解释说。

视觉上可接受的打印产品

“方向B最初似乎胜过方向A，但由于高标准43偏差，均值在统计学上没有差异。由于高加载速率和不确定的结果，需要进一步研究。特别是，需要进一步研究，包括缺陷如何影响每个方向的性能。”

标准批0.75 ft3砂浆的混合比例

在第二阶段中，使用了三种方法进行评估：流动性、凝固时间和早期抗压强度-表明在3D打印中使用各种砂浆的功效。詹金斯指出，“当测量和考虑骨料的水分状况时，其性能变化较小。” 在第1组和第2组之间，天然砂的排放量也减少了67％。人造砂的排放量减少了71％。詹金斯建议，用于制造复合材料的混合物应考虑水分问题，以实现最大程度的优化。

詹金斯总结说：“对于这项研究，使用最小单位重量为132 pcf能够定性地区分具有明显缺陷的标本，这些缺陷与观察结果和测试前的注意事项密切相关。” “例如，在单位重量小于132 pcf的组和单位重量大于132 pcf的组之间，断裂模量B的方向增加了86％，标准偏差减小了68％。进一步表明需要实施质量保证/质量控制措施；但是，对于90 MPa，132 pcf可能不是相同的截止点，对于基于挤压技术的每个不同的3DCP系统，它可能会发生变化。”

“对于3D打印混凝土结构的实现，由于复合材料的各向异性，强烈建议设计是荷载定向的函数。”