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
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（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
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）
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)。”
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