胶凝材料中增加基于配筋率的定向纤维的3D打印实施方法与流程

本发明涉及一种以石膏或混凝土等胶凝材料为打印基材的技术改进方法，提高3D打印质量。

背景技术：

现有的3D打印基本上是基于同一材料或同一组合成分混合生成的材料，而没有考虑多种材料的组合打印。这对于现有以树脂甚至金属粉沫等增材制造成型，由于其成型后强度高等特点还没有过弊病。但以其他成型后强度不高，成型后有特殊受力要求的其他基材，如石膏、水泥等，其成型后的结构因使用或受力过程中容易开裂，无法很好保证使用性能。

以混凝土为例，目前的3D混凝土的打印就是单一混凝土材料，存在的问题：一是只能采用细颗粒状材料作为打印成型原材料，因而只能采用较薄的层装堆积实现构件的成型，难以在混凝土中添加钢筋；二是同时由于采用现有混凝土材料都存在成型时间问题，导致表面始终存在波浪形表面；由于层间存在不同成型时间，层间存在粘结力缺陷，导致打印的混凝土结构受力不利。

当然如果结合金属粉末融焊技术，在混凝土打印过程中实话钢筋骨架的施工也是可行的，但其技术难度和经济成本完全不能接受。

技术实现要素：

正是基于上述问题，本发明提出的定向纤维技术，可在混凝土打印的同时，同时实现纤维的定向打印，把所需钢筋用量等效为定量的纤维用量布置在所需部位，既避免了普通的纤维混凝土的纤维因方向杂乱导致的利用率低，同时克服纤维混凝土打印时的施工难度；更为重要的是纤维布置在受力区和受拉方向，充分利用了纤维的受拉特性；而且借助纤维的布置对混凝土的约束，可减少混凝土的层状间的变形，同时也可以实现纤维混凝土抗裂特点。

如果要实现3D打印混凝土具有钢筋混凝土的受力特点，必须根据截面受特点配置对应的受力钢筋。本发明的技术思想是把对应截面钢筋用量转换成相对应的受拉纤维用量，并按照钢筋布置方向和位置，定向、定量和定位布置。本发明技术并不局限于钢纤维，其他类纤维均根据受力换算，实现特定配筋率的定向纤维混凝土打印。采用这一原理，需要解决以下几个方面的技术问题。

一：3D打印机应可实现混凝土打印时纤维的跟随同步打印。

二：打印的纤维用量根据截面位置和方向实现定量控制。

三：打印的混凝土中定向布置的纤维受后续打印的混凝土干扰最少，减少其方向和位置的改变。

为此，本发明给出的技术方案为：

胶凝材料中增加基于配筋率的定向纤维的3D打印实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采用双打印头3D打印机技术，实现其中一个打印头对正常混凝土的片状层打印；

步骤二、当打印到需要布置钢筋位置，根据需要的纤维用量，由另一打印头垂直于混凝土打印面打印出钢纤维；

步骤三、钢纤维插入已打印的混凝土中，并保留部分长度置到层外；

步骤四、当打印下一层混凝土时，上述祼露的纤维部分被新打印混凝土覆盖，并与后续打印的纤维在长度方向存在重叠，以保证粘结锚固力的传递；

步骤五、根据打印混凝土层的厚度和钢纤维的长度，钢纤维的打印可在混凝土打印到足够的层数后有间隔的打印；

步骤六、在打印结构的壁厚方向，可根据受力和构造需要针对打印的混凝土设置不同的打印纤维密度。

用于增加层间受力或竖向受力的纤维，增加在打印层与层间的纤维可以直立式或倾斜式布置。

用于增强抗弯或抗拉的受力纤维，增加在当前打印层的内部或表面的纤维，与打印层铺设平面方向一致的水平方向。

所述的增强纤维可以在结构物厚度方向和高度方向，不同打印区域或区间，根据受力需要按量布置纤维。

在打印过程中，需要借助多个打印头(或挤出机)或混合打印头分别挤出胶凝材料和布设纤维，布设纤维打印头可以是单向固定也可以是方向可调。

纤维用量和方向及位置的控制参数需要在结构模型切分处理时提前写入，并与相对应的打印头对应(该技术实现，可以由已有的现有技术实现)。

以上各技术方案，在采用胶凝材料作为基材的3D打印成型过程中，根据结构的受力特点和需要，定位、定向和定量布置增强纤维，是基于配筋率的定向纤维材料的增材制造技术。

本发明方法，其使用范围适用于所有以胶凝材料为基材的增材制造技术中。

纵所周知，现有的钢筋混凝土结构是以钢筋为内部骨架，混凝土为外部包裹成一体形成共同受力体。钢筋混凝土结构的配筋用量均可换算成截面上的钢筋用量即配筋率。而且根据受力和构造要求布置不同，钢筋在截面上按特定位置布置。

3D打印混凝土采用的增材技术，通过打印的层平面在第3尺度即厚度方向的累计，从而实现3D打印成型。这一技术目前实现的方法基本上是采用相同组合成分的混凝土，即使采用有纤维增强的混凝土，纤维也是作为固定组分提前拌制成相同成分的混凝土。为了适应其打印定型，这种拌制的纤维混凝土通常为普通形态的纤维混凝土，即添加的纤维采用的是无方向性，因为它没用适应结构的受力需要，如果不增加钢筋骨架，这类混凝土只能算作纤维增强后的素混凝土，或只具有普通抗裂效果的纤维混凝土。这也导致此类混凝土无法与真正钢筋混凝土结构一样承受复杂的荷载，更不能承受地震等特殊荷载作用。因而，目前3D打印混凝土的使用只局限于低矮建筑或非受力结构中使用。

附图说明

图1是实施例一示意图，显示了竖向布置纤维和钢筋密度分布

图2是实施例二示意图，显示了斜向布置纤维及钢筋密度分布

图3是实施例三示意图，显示了斜向和水平向布置纤维及密度分布

数字标记：

1-打印头挤出的混凝土层

2-穿透上下打印层的竖向或斜向布置的纤维

3-打印层中的水平布置纤维

4-打印层与层之间水平布置纤维

5-打印头挤出的混凝土(竖向两侧布置纤维)

6-打印头挤出的混凝土(竖向均匀布置纤维)(竖向配筋率为最大)

7-打印头挤出的混凝土(竖向不布置纤维)(竖向配筋率为零)

8-打印头挤出的混凝土(厚度方向不布置水平纤维)(厚度方向配筋率为零)

9-打印头挤出的混凝土(厚度方向局部布置水平纤维)

10-打印头挤出的混凝土(厚度方向均匀布置水平纤维)(厚度方向配筋率为最大)

具体实施方式

本发明针对增材制造(3D打印)技术中的挤出成型过程中，根据制造的结构受力需要，在打印过程中增加纤维的增强技术。其技术原理是在现有的3D打印技术中，根据打印件的受力要求，按照结构物在不同部位(如不同厚度区域、不同高度区间)、不同受力特点和受力方向(如受拉方向、主拉应力方向)，增加所需数量的纤维筋于挤出材料内部或成型层间，实现增强纤维的定位、定向和定量布设，可克服现有单一或均一混合材料打印中存在的受力不合理问题，改善现有胶凝材料(类似于石膏、水泥、混凝土或现有均一混合纤维混凝土)为基材打印中的缺陷。

以下结合附图和实施例对本发明技术方案做以进一步介绍。

实施例一

胶凝材料中增加基于配筋率的定向纤维的3D打印实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采用双打印头3D打印机技术(此技术已属于现有技术)，实现其中一个打印头对正常混凝土的片状层打印；

步骤二、当打印到需要布置钢筋位置，根据需要的纤维用量，由另一打印头垂直于混凝土打印面打印出钢纤维；

步骤三、钢纤维插入已打印的混凝土中，并保留部分长度置到层外；

步骤四、当打印下一层混凝土时，上述祼露的纤维部分被新打印混凝土覆盖，并与后续打印的纤维在长度方向存在重叠，以保证粘结锚固力的传递；

步骤五、根据打印混凝土层的厚度和钢纤维的长度，钢纤维的打印可在混凝土打印到足够的层数后有间隔的打印；

步骤六、在打印结构的壁厚方向，可根据受力和构造需要针对打印的混凝土设置不同的打印纤维密度。

本实施例作为基础实施例，通过设置竖向纤维，以克服横向变形为主，增强表面抗裂性。

实施例二

步骤一、采用多个打印头，实现其中一个打印头对正常混凝土的片状层打印(此技术也可以通过已有的现有技术实现)，其他打印头打印纤维；

步骤二、当打印到需要布置钢筋位置，根据换算的纤维用量、方向和位置，由不同打印头按特定方向向已打印的混凝土中插入纤维；

步骤三、纤维插入已打印的混凝土中，并保留部分长度置到层外；

步骤四、当打印下一层混凝土时，打印头行走方向应与斜向布置的纤维集倾斜方向相反，避免改变纤维方向。上述祼露的纤维部分被新打印混凝土覆盖，并与后续打印的纤维在长度方向存在重叠，以保证粘结锚固力的传递；

步骤五、根据打印混凝土层的厚度和钢纤维的长度，钢纤维的打印可在混凝土打印到足够的层数后有间隔的打印。

步骤六、在打印结构的壁厚方向，可根据受力和构造需要针对打印的混凝土设置不同的打印纤维密度。

本实施例技术创新点：设置斜向纤维，在具有实施例一优点同时，以克服结构的抗剪能力为主。

实施例三

步骤1、采用多个打印头，实现其中一个打印头对正常混凝土的片状层打印，其他打印头打印纤维；

步骤2、若打印时的混凝土挤出量少，水平纤维打印可在层间布置；最有利的方式是在混凝土的挤出料内部直接打印水平向纤维。这需要在混凝土挤出时，同步挤出打印头行走方向的水平连续纤维，甚至连续的铁丝。

步骤3、所需布置的纤维根据需要的布置位置，根据换算的纤维用量、方向和位置，由相同的打印头按特定方向向已打印的混凝土中插入纤维。

步骤4、纤维插入已打印的混凝土中，并保留部分长度置到层外。

步骤5、当打印下一层混凝土时，打印头行走方向应与斜向布置的纤维集倾斜方向相反，避免改变纤维方向。上述祼露的纤维部分被新打印混凝土覆盖，并与后续打印的纤维在长度方向存在重叠，以保证粘结锚固力的传递。

步骤6、根据打印混凝土层的厚度和钢纤维的长度，钢纤维的打印可在混凝土打印到足够的层数后有间隔的打印。

步骤7、在打印结构的壁厚方向，可根据受力和构造需要针对打印的混凝土设置不同的打印纤维密度。

本实施例技术创新点：设置多向纤维，在具有实施例二的优点同时，增加了层间和层内的水平向纤维实现一定抗弯能力，从而实现多向受力定向控制。

以上实施例均是以混凝土为例，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。