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弗吉尼亞理工大學(xué)分析3D打印水泥材料的新鮮混合性能

時(shí)間:2020-03-24 09:08 來(lái)源:中國(guó)3D打印網(wǎng) 作者:中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀:
       中國(guó)3D打印網(wǎng)3月24日訊,摩根·克里斯汀·詹金斯(Morgan Christen Jenkins)最近向弗吉尼亞理工大學(xué)提交了一篇碩士論文,“增材制造的膠凝材料的新鮮混合特性和具有數(shù)字圖像相關(guān)性的撓曲分析”,專注于3D打印中的材料,以及這種令人難以置信的創(chuàng)新技術(shù)如何適合現(xiàn)代民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用程序。由于需要更好的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制,Jenkins希望解決標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試和評(píng)估問題,并探索當(dāng)今使用水泥材料時(shí)遇到的典型挑戰(zhàn)。
       詹金斯(Jenkins)展示了土木工程中3D打印的一幅精妙圖景,指出許多項(xiàng)目圍繞“可演示性”而不是真實(shí)的現(xiàn)實(shí)進(jìn)行,缺乏對(duì)未來(lái)結(jié)果可能涉及設(shè)計(jì),耐用性,和容量。有了改進(jìn)的測(cè)試方法,不僅可以更好地確保設(shè)計(jì)中的安全性和長(zhǎng)期使用,而且用戶還將有更大的潛力享受增材制造的好處和成功。
3D打印的混凝土墻和柱
  3D打印的混凝土墻和柱(來(lái)自Buswell等人[5],照片描述中的原始來(lái)源)
      3D打印水泥在建筑業(yè)中的使用(尤其是為可持續(xù)發(fā)展的住房以及其他以混凝土板等部件為特色的項(xiàng)目,與機(jī)器人技術(shù)的集成等)已被充分記錄在案,因?yàn)檫@種技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。如:
.加快構(gòu)建速度并提高效率
.提高準(zhǔn)確性
.減少材料浪費(fèi)
.模板成本更低
.減少了對(duì)體力勞動(dòng)的需求(因此,減少了工地受傷的風(fēng)險(xiǎn))
同時(shí),挑戰(zhàn)包括:
.有關(guān)新鮮混合料性能的“對(duì)比要求”
.缺乏真正的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

.由于材料性能強(qiáng)度下降而產(chǎn)生劣質(zhì)材料和零件的可能性


     自1997年以來(lái),與膠結(jié)材料進(jìn)行增材制造相關(guān)的項(xiàng)目不斷增加的時(shí)間表。 [5]
     隨著水泥的3D打印在過去十年中(尤其是最近幾年)的持續(xù)流行,已使用了許多方法:
詹金斯說:“例如,材料擠出和粘結(jié)劑噴射(也稱為粒子床熔合)是3DCP的兩種AM工藝。使用哪種工藝的差異可以改變?cè)谫|(zhì)量保證/質(zhì)量控制期間需要考慮哪些參數(shù)。但是,材料擠壓工藝一直是3DCP最常用的AM方法。”Jenkins繼續(xù)關(guān)注在AM過程中,尤其是在硬件和軟件,混合設(shè)計(jì),文檔設(shè)計(jì)以及測(cè)試中使用混凝土方面缺乏一致性。

精煉混合設(shè)計(jì)以滿足所需AM性能的迭代過程。 (摘自Zhang等人[24](改編自Kazemian等人[3]))
      Jenkins指出:“記錄過去,現(xiàn)在和將來(lái)的研究過程,材料,測(cè)試方法等,可以通過使用膠結(jié)材料來(lái)解決AM的持續(xù)發(fā)展。”本研究的樣本是使用“天空大面積增材制造(SkyBAAM)”系統(tǒng)創(chuàng)建的。第一階段的測(cè)試在田納西大學(xué)(UTK)的工廠進(jìn)行,第二階段的測(cè)試在Virginia Tech(VT)的工廠進(jìn)行。
Skybaam工作站之一,控制xy平面(左)和高架起重機(jī)控制的z軸電纜(右)

  Skybaam工作站之一,控制xy平面(左)和高架起重機(jī)控制的z軸電纜(右)
  噴嘴擠壓圖
  噴嘴擠壓圖
        橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還創(chuàng)建了一種混合設(shè)計(jì),用于本研究中的所有樣品和測(cè)試,以配合SkyBAAM過程。在第一階段,測(cè)試了八個(gè)樣本,所有樣本均“在加載后一到兩分鐘內(nèi)迅速失效”。研究人員將其歸因于較高的加載率,將來(lái)需要對(duì)其進(jìn)行更改。“基于第一階段的初步結(jié)果,樣品制備工作得以開展;但是,負(fù)載率極高,沒有根據(jù)每個(gè)梁的寬度和高度進(jìn)行調(diào)整。此外,僅找到破裂模量并不能提供太多有關(guān)載荷如何在層之間分配或轉(zhuǎn)移的信息。”詹金斯解釋說。

  視覺上可接受的印刷品
      “方向B最初似乎勝過方向A,但由于高標(biāo)準(zhǔn)43偏差,均值在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有差異。由于高加載速率和不確定的結(jié)果,需要進(jìn)一步研究。特別是,需要進(jìn)一步研究,包括缺陷如何影響每個(gè)方向的性能。”

標(biāo)準(zhǔn)批0.75 ft3砂漿的混合比例

     在第二階段中,使用了三種方法進(jìn)行評(píng)估:流動(dòng)性,凝固時(shí)間和早期抗壓強(qiáng)度-表明在3D打印中使用各種砂漿的功效。詹金斯指出,“在測(cè)量和考慮骨料的水分狀況時(shí),性能變化較小。”天然砂的設(shè)置也表明第1組和第2組之間的比例降低了67%。人造砂的降低了71%。詹金斯建議,用于制造復(fù)合材料的混合物應(yīng)考慮水分問題,以實(shí)現(xiàn)最大程度的優(yōu)化。


[來(lái)源/圖片:“添加材料制造的膠凝材料的新鮮混合特性和具有數(shù)字圖像相關(guān)性的彎曲分析”]

      詹金斯總結(jié)說:“對(duì)于這項(xiàng)研究,使用最小單位重量為132 pcf能夠定性地區(qū)分具有明顯缺陷的標(biāo)本,這些缺陷與觀察結(jié)果和測(cè)試前的注意事項(xiàng)密切相關(guān)。例如,在單位重量小于132 pcf的組和單位重量大于132 pcf的組之間,斷裂模量B的方向增加了86%,標(biāo)準(zhǔn)偏差減小了68%。進(jìn)一步表明需要實(shí)施質(zhì)量保證/質(zhì)量控制措施;但是,在90時(shí),132 pcf對(duì)于其他灰漿而言可能不是相同的截止點(diǎn),并且基于擠出技術(shù),對(duì)于每個(gè)不同的3DCP系統(tǒng),它可能會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),由于復(fù)合材料的各向異性,強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)是荷載定向的函數(shù)。”

(責(zé)任編輯:admin)

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