1．目的及意义

一.目的及意义

1研究的目的

2008年经济危机之后“再工业化”成为世界关注的核心议题之一，而且这种制造业的回归必然伴随带智能装备的普遍应用。学者Jeremy.Rifkin提出互联网，新能源和3D打印技术将会引导社会进入第三次工业革命[1-3] 。3D打印技术首次由美国Stratasys公司于1992付诸于实践，经历近30年的发展，3D打印技术形成以下技术特征：1设计制造一体化2高度柔性化3短研发周期，低研发成本[4-7]。目前3D打印技术已在众多行业中引起了广泛的讨论和关注。3D打印技术相对于传统的机械切削加工等“减材技术”又称为增材制造技术。3D打印技术利用计算机将目标构件的3D计算机模型分为一系列具有一定厚度的薄片，再由3D打印设备逐层制造，接合，最终形成完整的3D构件。这种制造技术相对于传统制造技术而言，一方面无需传统的刀具或模具完成复杂结构的制造加工，另一方面有效简化了生产工序，缩短了生产周期。3D打印技术在单件小批量、个性化、网络化生产模式上具有无可比拟的优势，将在一定程度上改造目前的制造业产业链条，成为大规模低成本制造模式的完美补充。

3D打印混凝土技术是将3D打印技术与混凝土领域的技术相结合而产生的新型应用技术，玻璃纤维增强石膏、玻璃纤维增强砂浆等均可用于3D打印建筑的无机基材。在打印过程中，由于其具有较高的可塑性，在成型过程中的无需支撑，是一种新型的混凝土无模成型技术。既有自密实混凝土的无需振捣的优点，也有喷射混凝土便于制造繁杂构件的优点[8-11]。在自动化水平上，目前建筑工程行业的自动化水平稍显落后于制造业，世界主流发达国家的制造观念已逐渐向快速化，高效化，自动化建造转变。然而传统自动化技术直接应用于建筑业却有颇多“水土不服”之处。大多数自动化系统往往需要额外的预制件，运输设备以及仓储设备，这也意味着额外的成本。因而，应用传统自动化技术来解决建造中的需求是颇为昂贵的。另一方面据研究报告显示，截止2011年我国建筑垃圾占城市垃圾总量的30%-40%。每年新产生建筑垃圾达5亿t[12]建筑垃圾未经处理便运到郊区进行露天放置或填埋处理浪费了资源，在运输途中又造成扬尘，噪音污染。应用3D打印技术的增材制造特性，一方面将有效地减少生产过程中废弃物的产生，另一方面，经过合理的分离-再利用可以把一部分建筑垃圾做二次利用，重新作为制造原料参与生产。

2研究现状

近年来，混凝土作为建筑工程的核心，混凝土材料向着高强、超高强性能方向发展的同时向混凝土构件制造也提出了更高的需求。

2012年英国拉夫堡大学开发了一套适于商业用的混凝土3D打印技术，并与建筑设计公司和施工公司合作，借助软件控制，在2014年利用水泥基浆体材料成功打印出混凝土墙体和构件等[13] 。美国航天局与南加州大学合作，研发出“轮廓工艺”3D打印技术，24h 内打印出来一栋约 2500(ft)²的空心墙壁、质量更轻、强度更高的两层楼房，还节省了 45%～55% 人力，大大降低了成本，缩短了工期，丰富了建筑美感,符合全球经济及环保效益。[14]2010年，意大利Enrico教授发明了一种新商品混凝土的数字打印机，其打印材料为细骨料和胶凝材料，并在2014 年打印出高4m，建筑质地、强度均可媲美于大理石的无需内置钢筋的建筑物。[15]高阳针对水泥浆体在流经水泥3D打印样机喷头结构时沾黏、流动性差的问题采用 MRT-LBM 修正模型，对水泥浆体在喷头中的流动情况进行数值模拟，得到水泥浆体在喷头装置内不同位置处的速度分布情况，为3D 打印喷头结构提出改进方案。[16]

3研究问题

对于基于3D打印技术的混凝土增材制造设备而言，首先需要保证的是混凝土材料的流动性。流动性保证了混凝土浆体在管路中传输的的连续性，也保证了喷嘴单位时间混凝土流量的稳定性。其次，混凝土浆体要具有较好的粘聚性，一方面，较好的粘聚性可以保证混凝土在通过喷嘴的过程中，不会因浆体自身性能的原因出现间断，避免打印过程中出现漏印，错印；另一方面，3D打印是由单层混凝土图样层层累加而得到最终的产品，因此，层与层之间的结合处属于3D打印混凝土的薄弱环节，是影响硬化性能的重要因素。在混凝土浆体硬化时间既定的情况下，为了保证层级之间的硬化性能需要对打印轨迹做进一步的优化设计以满足相对苛刻的时间限制下各种复杂轨迹的追踪控制。在传统水平面运动方案的基础上利用全向轮的独有特性做全方位移动的直接结果是不但避免了大尺寸导轨等结构对系统稳定性和刚度的削弱而且节省了转向时间和转向半径，为3D打印设备轨迹优化设计提供了更大的时间裕度和空间裕度。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1研究的基本内容