《建筑3D打印》

第1章

緒論華中科技大學目錄01

/建筑3D打印概述02/混凝土3D打印技術03/其他建筑材料3D打印技術04/其他混凝土數(shù)字制造（建造）技術05/參考文獻11.1建筑3D打印概述1.1.1/技術原理與分類1.1.2/發(fā)展歷程與趨勢11.1.1技術原理與分類建筑3D打印技術原理建筑3D打印是采用龍門式、框架式、機械臂、D-Shape等打印系統(tǒng)，利用層層疊加的原理逐層重復鋪設材料層，來構建自由形式的建筑實體的新興技術。在3D打印建筑施工中主要是通過Rhino、SolidWorks等三維建模軟件創(chuàng)建建筑模型，然后將建筑模型文件導入相關建筑3D打印數(shù)控系統(tǒng)進行切片處理，隨后將切片得到的層片輪廓轉化為打印噴嘴的運行填充路徑，即層片路徑規(guī)劃。打印噴頭在建筑3D打印數(shù)控系統(tǒng)的控制下按照規(guī)劃好的路徑進行打印，然后層層疊加，得到最終建筑產(chǎn)品。1建筑3D打印技術分類建筑3D打印按照建造材料分類可以分為混凝土3D打印、陶土3D打印、金屬堆焊打印以及高分子聚合物打印四種類型，其中混凝土3D打印的應用最為廣泛。1.1.1技術原理與分類11.1.2發(fā)展歷程與趨勢建筑3D打印發(fā)展歷程建筑3D打印起源于由美國南加州大學的教授BehrokhKhoshnevis在1997年提出的輪廓工藝，通過大型三維擠出裝置和帶有抹刀的噴嘴實現(xiàn)混凝土的分層堆積打印2008年，英國拉夫堡大學的RichardBuswell教授提出了另一種噴擠疊加混凝土的打印工藝，即混凝土打印，并且具有較高的三維自由度和較小的堆積分辨率。英國Monolite公司于2007年推出一種新的建筑3D打印技術——D型（D-shape），采用粘結劑選擇性硬化每層砂礫粉末并逐層累加形成整體。在2012年之后，全球誕生了一批建筑3D打印公司，并開始加速推進其商業(yè)化。11.1.2發(fā)展歷程與趨勢建筑3D打印發(fā)展歷程

到目前為止，國內外衍生出一批知名的建筑3D打印公司，包括ICON、派利公司、盈創(chuàng)建筑科技、清華大學，正在全球開展研究和項目。

盈創(chuàng)科技較好地解決了低層或多層建筑物的3D打印技術難題，形成了成套的實際解決方案，在國內進行了3D打印公交車站、警亭等小型建筑示范。

清華大學徐衛(wèi)國團隊則在2019年于上海寶山智慧灣建造了當時世界上最大的3D打印步行橋。11.1.2發(fā)展歷程與趨勢建筑3D打印發(fā)展歷程

ICON也積極致力于地外建造，在NASA的約翰遜航天中心3D打印了一個火星模擬棲息地，這個1700平方英尺的結構將模擬一個真實的火星棲息地，以支持長期的、探索級的太空任務。

德國派利公司在2022年9月于巴伐利亞州開始建造德國的第一棟3D打印住宅樓，該住宅樓可容納五套公寓，居住面積約為380平方米。11.2混凝土3D打印技術1.2.1/基本類型概述1.2.2/混凝土擠出式打印1.2.3/混凝土噴射式打印1.2.4/凝膠材料噴出粘結骨料床打印1.2.5/混凝土注射式打印11.2.1基本類型概述建筑3D打印技術類型建筑3D打印技術大體上能夠分為混凝土擠出式打印、混凝土噴射式打印、膠凝材料噴出粘結骨料床打印以及混凝土注射式打印?；炷翑D出式3D打印原理圖混凝土噴射式打印示意圖膠凝材料噴出粘結骨料床打印原理圖

混凝土注射式打印CiS原理圖11.2.2混凝土擠出式打印混凝土擠出式打印概述

混凝土擠出式打印類似于高分子聚合物和金屬技術中使用的熔融沉積成型，是通過送料裝置（通常為螺桿擠出機、活塞擠出機或者空氣壓縮機）將混合均勻的具有一定含水率的混凝土漿體擠出，并通過管道輸送到達打印機噴嘴，打印機噴嘴將沿著電腦軟件設計好的三維模型坐標點路徑將混凝土漿體連續(xù)均勻地擠出。被擠出的混凝土條逐層堆積，最終形成3D打印混凝土構件。輪廓工藝工藝流程圖輪廓工藝－帶纜索系統(tǒng)原理示意圖混凝土3D打印工藝流程圖1（1）可擠出性是指3D打印混凝土在擠出過程中的流動性和可塑性。它是衡量混凝土材料在3D打印過程中能否順利擠出并保持所需形狀的能力。可擠出性是連續(xù)打印施工的保證，可以保證打印建筑物的完整性。（2）可建造性是指3D打印材料從噴嘴擠出后需要保持足夠的強度，以承受自身重量和后一打印層的堆疊擠壓，主要包括材料失效和結構穩(wěn)定性失效兩種類型。可建造性通常以最高打印層數(shù)作為評價指標。（3）流變性是保證3D打印材料順利輸送、順利擠出，避免沉積堆疊過程的結構失穩(wěn)變形的能力。流變性是可擠出性和可建造性的基礎。如果流變性過大，容易導致打印樣品無法支撐自身重量而坍塌。如果流變性過小容易導致混凝土材料擠出困難，引發(fā)堵管。流變性主要與含水量有關。（4）可泵送性跟流變性相差不大，主要是指混凝土材料在泵送管中的流動性能，較好的流動性能夠保證混凝土材料順利擠出。1.2.2混凝土擠出式打印3D打印混凝土材料的性能評價指標1噴射混凝土技術是將預先配好混凝土裝入噴射機，利用高壓空氣將其送到噴頭和速凝劑混合后，以高速度噴向巖石、混凝土或其他建筑表面而形成一層混凝土保護層的技術。噴射混凝土技術可以分為干拌法和濕拌法，二者區(qū)別在于是否在噴射材料中加水。相較于濕拌法，干拌法在施工時粉塵污染和噴射材料回彈情況更為嚴重，在使用時受限制。1.2.3混凝土噴射式打印混凝土噴射式打印概述混凝土噴射式打印示意圖

混凝土噴射式打印技術是噴射混凝土技術與3D打印工藝的結合，是將水泥基材料利用可移動機械逐層噴射打印在受噴面表層形成數(shù)字模型所設計的結構的技術?；炷羾娚涫酱蛴∫话闩c機械臂配合工作，與龍門打印系統(tǒng)相比，機械臂的應用能夠減少空間尺寸的限制。11.2.3混凝土噴射式打印噴涂過程質量分布

噴射式混凝土制品的強度跟噴涂材料的分布有著很強的相關性。根據(jù)以往的研究，對于傳統(tǒng)的噴涂材料分布可以用一個二階高斯分布模型來描述在噴涂過程中的質量分布。該模型假設噴嘴保持靜止，由此噴涂材料的質量分布具有中心對稱性，其中大部分的材料都聚集在中心周圍。在極坐標系中，該二階高斯模型可表示為：膠凝材料噴出粘結骨料床打印類似粘合噴射3D打印技術（BinderJetting），首先在粉末床表面鋪上一層薄薄的粉末，然后控制打印頭選擇性地將粘合劑液滴施加在粉末層上，使粉末顆粒相互結合。通過重復這些步驟，最后去除未結合的粉末，剩下的就是目標打印物體。膠凝材料噴出粘結骨料床打印方法主要有D型工藝（D-Shape）。11.2.4膠凝材料噴出粘結骨料床打印膠凝材料噴出粘結骨料床打印概述膠凝材料噴出粘結骨料床打印原理圖

11.2.4膠凝材料噴出粘結骨料床打印膠凝材料噴出粘結骨料床打印工藝流程D型工藝由英國Monolite公司的意大利工程師EnricoDini在2007年提出，D型工藝與上述兩種工藝的不同主要在于，D型工藝先在打印機下方預先鋪設建筑材料，然后利用噴嘴在預設位置噴射凝膠粘結劑將材料粘結在一起。接著，循環(huán)進行材料鋪設和噴射粘結劑的步驟，逐層疊加新的材料，直到最后移除多余的未粘結材料，從而獲得設計所需的結構。D型工藝工藝流程圖影響膠凝材料噴出粘結骨料床打印3D打印結構的因素包括：粘結料（粒徑、強度、密度等）、粘合劑（黏度、表面張力、滲入度等）和打印參數(shù)（層厚、移動速度、路徑等）等。11.2.4膠凝材料噴出粘結骨料床打印膠凝材料噴出粘結骨料床打印影響因素（1）對于粘結料來說，當粉末粒徑為15-45μm時，能夠獲得較高的粉床密度。而粉末形貌的改變會影響粉床的孔徑分布和均勻性，從而改變粘合劑的滲透性。（2）在粉末3D打印過程中，粘合劑液滴通過噴嘴沉積在粉床表面。液體粘合劑和粉床顆粒之間產(chǎn)生的毛細壓力會導致每個液滴向粉床的各個方向遷移。但是由于重力的影響，液滴向水平方向和垂直方向的速率不同，因此平衡條件下的液相的分布規(guī)律會根據(jù)液體粘合劑的物理特性以及粘合劑/粉床之間的相互作用變化而變化。（3）對于打印層厚來說，膠凝材料噴出粘結骨料床打印與一般的粉末床粘合3D打印類似，更小的打印層厚能帶來更高的機械強度，并且也可以減輕打印構建表面的階梯效應。但是降低打印層厚也會成倍地增加打印時間。11.2.5混凝土注射式打印混凝土注射式打印概述混凝土注射式打印的基本思想是通過機器人將一種流體材料A注入另一種流體材料B來克服分層3D打印的局限性，由于每種材料的特定流變特性，材料A在材料B中保持穩(wěn)定的位置。一般來說，混凝土注射式打印有三種方式（a）將細?；炷磷⑷敕怯不d體液體中（ConcreteinSuspension,CiS）;（b）將非硬化懸浮液注入細粒混凝土中（SuspensioninConcrete,SiC）;（c）將具有特定性能的細?；炷磷⑷肓硪环N具有不同性能的混凝土中（ConcreteinConcrete,CiC）。CiS原理圖SiC原理圖CiC原理圖在第一種方式CiS中，細?；炷帘淮蛴〉椒怯不瘧腋∫褐?，這種方式可以用來制造復雜的混凝土空間框架，這種工藝從根本上擴大了3D打印混凝土結構空間設計的能力。CiS是三種工藝中運用最廣泛的工藝。1.2.5混凝土注射式打印混凝土注射式打印分類介紹Solidquid開發(fā)的混凝土人工珊瑚礁圖

一般來說，CiS工藝有四種失效模式，打印混凝土直徑過大或者過??；混凝土打印中斷，不連續(xù)；打印混凝土橫截面扭曲、不規(guī)則；打印混凝土無法支撐自重而塌陷。該工藝的主要控制指標為注射材料和載液的流體性質、注射材料的擠出體積流量、噴嘴運動速度以及噴嘴的橫截面形狀。1.2.5混凝土注射式打印混凝土注射式打印分類介紹CiS工藝的四種失效模式圖1.2.5混凝土注射式打印混凝土注射式打印分類介紹

在第二種方式SiC中，非硬化懸浮液被注射到充滿新混凝土的容器中待混凝土硬化后，可以去除未硬化的懸浮物，留下空腔或通道。這些通道在建筑物中可用做供暖、空調和通風系統(tǒng)等非結構構件。國外有學者以穿孔幕墻板作為工程案例驗證了SiC工藝的可行性，利用凝膠置換混凝土形成通道用作綠植的集成澆水系統(tǒng)。SiC工藝打印的穿孔幕墻板圖1.2.5混凝土注射式打印混凝土注射式打印分類介紹

在第三種方式CiC中，可以融合兩種不同強度的混凝土，以此來幫助人們自由設計混凝土內部的強度和密度。CiC工藝為低等級材料制造高性能組件提供了可能，在實際應用中，可以通過在受力過大的區(qū)域注入高性能混凝土來局部加固普通混凝土，這點顯示了CiC工藝用于混凝土修復的潛力。CiC工藝打印的混凝土實例圖11.3其他建筑材料3D打印技術1.3.1/陶土3D打印1.3.2/金屬堆焊打印1.3.3/高分子聚合物打印11.3.1陶土3D打印陶土3D打印概述陶土是指一種陶瓷原料，其組成礦物種類繁多，主要由高嶺石、埃洛石以及石英等礦物組成，也常含有粉砂、粘土等。在自然界中，經(jīng)常呈現(xiàn)灰色和黃色。其具有較強的吸水性和吸附性，并且加水后塑性適中。干燥條件要求低，燒結后力學性能好。陶土3D打印技術是本世紀才出現(xiàn)的新型制陶技術，其技術原理類似混凝土擠出式打印，不同點在于對于陶土3D打印，水分的控制尤為重要。設置合適的含水量，確保陶土材料有足夠的流動性和塑性是陶土3D打印的關鍵。目前陶土3D打印在建筑3D打印領域的應用主要集中在粘土磚制備。3D打印粘土磚圖11.3.1陶土3D打印陶土3D打印概述

此外，在陶土打印完成之后的干燥烤制過程中，需要關注其收縮性。干燥過程經(jīng)歷以下幾個步驟，首先，陶土表面的水分以蒸汽形式從表面擴散到周圍介質中去，稱為表面蒸發(fā)或外擴散；其次，當表面水分蒸發(fā)后，陶土內部和表面形成濕度梯度，使陶土內部水分沿著毛細管遷移至表面，稱為內擴散。

對于小型建筑打印，目前國外僅存在幾個小型項目。泰羅尼亞高級建筑研究所（IAAC）在巴塞羅那原位打印了一所粘土小屋，意大利3D打印公司MarioCucinellaArchitects(MCA)和WASP兩個團隊在馬薩倫巴達使用可循環(huán)的自然生土材料打印了一所圓頂房屋。3D打印粘土房屋圖11.3.2金屬堆焊打印電弧增材制造概述

金屬堆焊打印，根據(jù)熱源不同分為激光增材制造(LaserAdditiveManufacturing,LAM)、電子束增材制造（ElectronBeamAdditiveManufacturing,EBAM）以及電弧增材制造(WireandArcAdditiveManufacturing,WAAM)等，3D打印在金屬制造領域的應用能夠大大降低復雜零件的制造難度。金屬堆焊打印以其生產(chǎn)效率高，設備成本低，材料利用率高等特點近年來在工業(yè)制造領域得到了越來越多的關注。

電弧增材制造是利用熔化極氣保焊（MeltInert-GasWelding,MIG）、非熔化極氣保焊（TungstenInertGasWelding,TIG）以及等離子弧焊（PlasmaAreWelding,PAW）等焊接工藝產(chǎn)生的電弧作為熱源，以線材形式的合金材料作為原始材料，以大型數(shù)控機床或機械臂作為移動機構，按照預設路徑從底部材料逐層累積增加的一項技術。電弧增材制造原理圖激光增材制造可以分為激光選區(qū)融化（SelectiveLaserMelting,SLS）和激光熔覆沉積（LaserCladdingDeposition,LCD）。激光選區(qū)融化的制造過程可概括如下：在惰性氣體環(huán)境下，機器控制刮刀將粉末按照一定的鋪粉層厚將材料粉末均勻地鋪在基板臺上，由設備內部計算機控制的短波激光高能熱源按照一定的掃描路徑，選擇性地熔化粉末床上的目標區(qū)域，然后基板沿著Z軸以預設值下降一定高度，從而進行下一次成形，周而復始的重復以上步驟，直到完成最終成形件的生產(chǎn)。11.3.2金屬堆焊打印激光增材制造概述激光選區(qū)融化與激光熔覆沉積原理圖

電子束增材制造原理與激光增材制造原理類似，不同點在于電子束增材制造的熱源為電子束，其能量較高，能夠實現(xiàn)更高的熔化溫度和打印精度。另外，為了避免電子束與氣體分子的相互作用，電子束增材制造通常需要在真空環(huán)境下進行，避免了激光增材制造存在的碳、氮、氧元素的污染問題。同時，采用金屬堆焊打印的增材制造方法能夠有效克服傳統(tǒng)方式在制造大型復雜金屬構件時的不足，為實現(xiàn)高質量、高效率成形的大型復雜多向鋼節(jié)點提供了有效手段。11.3.2金屬堆焊打印電子束增材制造概述電弧增材制造的鋼結構節(jié)點圖

高分子聚合物是3D打印中應用最廣泛的材料，以塑料為代表的高分子聚合物在相對較低溫度下具有熱塑性、良好的熱流動性與快速冷卻粘接性（熱塑性高分子聚合物），或在一定條件（如紫外光）的引發(fā)下快速固化的能力（光敏樹脂）。典型的3D打印熱塑性高分子聚合物材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）、聚醚醚酮（PEEK）、聚己內酯（PCL）、聚酰胺（PA）等。11.3.3高分子聚合物打印高分子聚合物打印概述FDM原理圖熔融沉積成型（FusedDepositionModeling,FDM）是熱塑性高分子聚合物材料的主要3D打印手段，其使用的是絲狀的高分子打印材料，由步進電機輸送到加熱管內加熱后，沿著打印件的界面輪廓和填充軌跡從擠出頭擠出，耗材凝固并以逐層堆積方式成型常見的光固化3D打印技術主要有立體光刻成型技術和數(shù)字光處理（DigitalLightProcessing,DLP）。立體光刻成型技術的步驟可概括如下：首先跟其它方法一樣，先完成模型搭建和模型切片；而后利用激光光束通過數(shù)控裝置控制的掃描器，按設計的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面，令液態(tài)光敏樹脂的特定區(qū)域固化，從而形成模型的一層截面；隨后控制升降臺下降微小的距離，讓固化層上覆蓋一層新的液態(tài)樹脂，并同時進行第二層掃描；此時，第二固化層將牢固地粘結在前一固化層上，以此步驟反復進行，從底部逐層生成物體。11.3.3高分子聚合物打印高分子聚合物打印概述立體光刻成型技術原理圖南京歡樂谷主題東大門11.4其他混凝土數(shù)字制造（建造）技術1.4.1/智能動態(tài)澆筑1.4.2/可重構針床模板1.4.3/空間網(wǎng)架模板構建11.4.1智能動態(tài)澆筑智能動態(tài)澆筑系統(tǒng)介紹智能動態(tài)澆筑(SmartDynamicCasting,SDC)在2012年被首次提出，是一種由機器人驅動的，利用滑動模板定制混凝土結構的技術。智能動態(tài)澆筑通過緩凝劑和速凝劑的配合使用，來精準控制混凝土的水化速率，以確保混凝土以流體形態(tài)進入模板，以足夠支撐自重的強度離開模板；通過控制混凝土泵速速率來配合模板的空間大小和運動速度，來定制混凝土結構；通過一種在線反饋系統(tǒng)來監(jiān)測模板出口處混凝土的材料特性并反饋到機器控制系統(tǒng)，來調整模板的運動速度、混凝土泵速以及緩凝劑和速凝劑配比。智能動態(tài)澆筑系統(tǒng)組成圖智能動態(tài)澆筑最大限度地節(jié)省了混凝土材料和模板的使用，對于節(jié)約混凝土建造成本具有較高的應用價值。智能動態(tài)澆筑的首次應用在2012年，F(xiàn)ritschi教授利用機械臂建造了一根1.9m高的柱子，但是由于機械臂延伸高度和有效載荷的限制，建造物體的高度十分受限。11.4.1智能動態(tài)澆筑智能動態(tài)澆筑系統(tǒng)應用智能動態(tài)澆筑首次被應用打印混凝土柱圖111.4.1智能動態(tài)澆筑智能動態(tài)澆筑系統(tǒng)應用案例2018年，蘇黎世聯(lián)邦理工學院和30多個行業(yè)合作伙伴在迪本多夫（Dübendorf）共同建造了世界上第一個有人居住的3D打印房屋（圖

127）——DFABHOUSE的EmpaNEST大樓。團隊通過3D打印技術建造各種自由形狀的混凝土墻壁和樓板吊頂，運用智能動態(tài)澆筑技術在工廠中預制承重柱，并運送到施工現(xiàn)場進行模塊化加工。該建造項目集成了機器人施工、建筑3D打印、智能動態(tài)澆筑以及即將介紹的空間網(wǎng)架模板構建等多項自動化建筑，是數(shù)字建造的典型范例。EmpaNEST大樓和智能動態(tài)澆筑的混凝土承重柱圖111.4.2可重構針床模板可重構針床模板概述可重構針床模板同樣是一種針對自由曲面打印的方法，可重構針床模板通過在一個各個固定點位高度可調的針床上鋪設一層柔軟基板，并在該柔軟基板上進行混凝土擠出式3D打印，在打印過程中，打印頭與基板之間的距離保持一致，因此在打印一個層片時，打印頭的高度也會發(fā)生變化。在混凝土打印時，豎直打印頭距離曲面基板的距離不同，高處的基板會接收到相對較多的混凝土（T1<T2<T3），而相應地，低處的基板則會接收到的相對較少混凝土，并且在高度梯度大的地方還有可能發(fā)生碰撞。可重構針床模板示意圖和打印嘴示意圖111.4.2可重構針床模板可重構針床模板應用可重構針床模板方法突出水平方向上的設計自由度，而不是豎直方向，即該方法能夠配合曲面切片打印出高度任意變化的混凝土層片，這對于復雜表面打印具有較強的適應性。并且在一個打印項目完成后，可以通過調整針床各點位的高度來用作其他項目的模板，以實現(xiàn)可重構性。可重構針床模板方法打印的混凝土外殼框架

空間網(wǎng)架模板的主要特點是在一個制造系統(tǒng)中集成了空間骨架和模板制造，空間網(wǎng)架模板主要依靠機械臂進行，在末端執(zhí)行器上配備用于預制或者現(xiàn)場打印致密空間網(wǎng)格的專用打印頭。在空間網(wǎng)格打印完成后，澆筑混凝土和混凝土保護層。空間網(wǎng)架模板構建技術有助于“編織”任意復雜空間結構的建筑，并且通過這種工藝建造的混凝土建筑能夠消除混凝土3D打印帶來的混凝土分層問題。111.4.3空間網(wǎng)架模板構建空間網(wǎng)架模板構建概述

空間網(wǎng)架模板構建的核心在于混凝土能否充分填充空間網(wǎng)格，澆筑混凝土時應從網(wǎng)格上方進行，而不是從網(wǎng)格側面填充，這樣能夠減輕混凝土搗實的工作壓力。并且對于填充混凝土，應選用較低屈服應力的混凝土牌號來獲得更好的填充效果。同時，空間網(wǎng)格的密度也會影響混凝土澆筑的密實度，密度太高不利于混凝土充分填充，密度太低又有可能導致混凝土透過空間網(wǎng)格向外滲漏。因此，空間網(wǎng)格的密度和幾何形狀同樣十分重要，一般來說，三角形的幾何形狀通常能夠在較低的密度下阻止混凝土外滲。111.4.3空間網(wǎng)架模板構建空間網(wǎng)架模板構建應用

以EmpaNEST大樓為例來介紹空間網(wǎng)架模板構建的應用，為了建造超過機器人靜態(tài)工作空間的大型結構，蘇黎世聯(lián)邦理工學院團隊開發(fā)了一套移動機器人系統(tǒng)用于打印空間網(wǎng)架結構及其配套的自適應環(huán)境檢測策略。在EmpaNEST施工現(xiàn)場，移動機器人在125小時的時間內完成了由339層和22000多個焊接節(jié)點組成的2.8米高的雙曲面鋼筋網(wǎng)。EmpaNEST大樓的空間網(wǎng)架結構構建現(xiàn)場圖Thanks第2章

打印混凝土材料及其性能華中科技大學目錄01

/3D打印混凝土材料的組成及配合比設計概述02/3D打印混凝土的工作性能03/其他打印材料及其性能04/打印混凝土固化后性能測試05/打印混凝土植筋加固12.13D打印混凝土材料的組成及配合比設計概述2.1.1/3D打印混凝土材料組成2.1.2/3D打印混凝土配合比設計概述2.1.3/不同類型的3D打印混凝土12.1.13D打印混凝土材料組成水泥水泥是混凝土的基礎成分之一，它在混凝土固化時形成堅固的基質。常用的水泥類型包括硅酸鹽水泥體系、硫鋁酸鹽水泥體系、鋁酸鹽水泥體系、磷酸鹽水泥體系、土聚水泥（地聚合物）體系及氯氧鎂水泥等體系。硅酸鹽水泥凝結時間較長，常加入促凝劑縮短其凝結時間；硫鋁酸鹽水泥往往需要添加適量緩凝劑，采用粘度改性劑以調節(jié)其保水性和觸變性；磷酸鹽水泥凝結時間較短，常采用緩凝劑改性；氯氧鎂水泥屬于氣硬性水泥基材料，優(yōu)勢和不足都比較明顯，主要應用于D-shape工藝。不同類別的砂及SEM圖像(a)風積砂(b)河砂(c)石英砂(d)ISO標準砂1骨料骨料是混凝土中的顆粒狀物質，通常分為粗骨料和細骨料，包括砂、碎石或其他粒徑適中的顆粒，這些顆粒增加了混凝土的強度和耐久性。3D打印混凝土由于打印噴嘴和成型精度的限制，對骨料的選用，尤其是粗骨料的粒徑有嚴格的要求?；谀壳暗拇蛴〖夹g，粗骨料通常為粒徑不超過15mm的碎石；常用的細骨料包括石英砂、標準砂、河沙以及風積砂等。2.1.13D打印混凝土材料組成四種骨料的顆粒級配

(a)骨料累積分布(b)骨料粒徑分布1礦物摻合料和外加劑2.1.13D打印混凝土材料組成（1）礦物摻合料：在3D打印混凝土中使用礦物摻合料是一種常見的做法，它可以改善混凝土的性能，并在一定程度上減少環(huán)境影響。礦物摻合料通常是一些細粉末或顆粒狀的材料，它們與水泥一起混合，用于制備3D打印混凝土。這些礦物摻合料的使用有助于改善混凝土的強度、耐久性、抗裂性和其他性能。常用的礦物摻合料主要包括硅灰、粉煤灰、石英粉、礦渣粉、納米黏土等。（2）外加劑：在3D打印混凝土中，外加劑是通過向混凝土材料中添加化學物質或材料，旨在改善混凝土的工作性能、強度、耐久性等方面。外加劑的選擇和配比可能會對打印速度、打印精度、強度等方面產(chǎn)生影響，因此需要進行系統(tǒng)的研究和實驗。此外，確保所使用的外加劑符合相應的建筑標準和法規(guī)也是非常重要的。常用的外加劑包括減水劑、增塑劑、粘結劑、促凝劑、緩凝劑、抗裂劑及顏料或著色劑等。纖維增強材料通常用于提高混凝土的強度、韌性和抗裂性。常見的纖維增強材料有玻璃纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維、碳纖維、天然纖維、納米纖維等。水：水是混凝土中的活性成分之一，用于水泥的水化反應。在3D打印過程中，需要精確控制水量，以確保混凝土在打印時具有適當?shù)牧鲃有院涂啥询B性。1纖維增強材料和水2.1.13D打印混凝土材料組成常用纖維及SEM圖像(a)木質素纖維(b)PP纖維(c)PVA纖維12.1.23D打印混凝土配合比設計概述配合比參數(shù)優(yōu)化

為了確?；旌衔锞哂辛己玫目杉庸ば院涂纱蛴⌒阅?，用于大規(guī)模3D打印機，膠結材料的設計必須與3D打印機的設計相協(xié)調，包括其材料存儲系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、沉積系統(tǒng)、打印系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。材料參數(shù)與設備參數(shù)協(xié)同優(yōu)化關系圖12.1.23D打印混凝土配合比設計概述配合比設計一般要求3D打印混凝土的材料配合比設計是一個綜合考慮多個因素的復雜過程，旨在實現(xiàn)理想的混凝土性能和3D打印過程的協(xié)調統(tǒng)一。3D打印混凝土材料配合比設計的一般要求，涵蓋了在設計3D打印混凝土材料配合比時需要考慮的關鍵因素及調整方法。在整個設計過程中，需要進行實驗和測試，通過不斷優(yōu)化材料配合比，以獲得最佳的混凝土性能和3D打印效果。這涉及到在實驗室和現(xiàn)場進行系統(tǒng)的性能測試和打印試驗，以驗證設計的配合比是否滿足項目需求。

3D打印混凝土材料配合比設計一般要求流程圖12.1.3不同類型的3D打印混凝土擠出型3D打印混凝土

擠出型混凝土是目前3D打印技術在建筑領域應用最廣泛的建造形式，也是研究熱度居高不下的研究熱點之一。擠出型3D打印混凝土是一種將混凝土材料通過擠出噴嘴逐層擠出以構建物體的3D打印技術，通常為自下而上或在一定角度范圍內傾斜的建造形式。擠出頭的設計需要考慮擠出壓力、噴嘴尺寸和形狀，以及可能的多噴嘴系統(tǒng)。擠出型3D打印混凝土

噴射型3D打印混凝土作為一種補充技術應運而生，在一定程度上可以彌補擠出型3D打印混凝土的不足之處。噴射3D打印技術是結合噴射混凝土技術與3D打印工藝優(yōu)勢，通過機械臂控制混凝土噴槍，按照打印路徑逐層打印并堆積成數(shù)字模型設計的混凝土結構，能夠完成在三維空間任意角度的靈活智能建造，以及協(xié)同鋼筋骨架進行靈活打印?；趪娚?D打印全角度靈活建造優(yōu)勢，可達到對既有建筑結構快速防護的目的。12.1.3不同類型的3D打印混凝土噴射型3D打印混凝土噴射型3D打印混凝土(a)仿真模擬(b)噴射打印效果1粉末基3D混凝土打?。?DCP）是一種選擇性地將粘合劑沉積到粉末床中，以便與內部粉末逐層反應的技術。這種技術有時也被稱為混凝土粉末結合打印或粉末噴墨混凝土打印。通過專用的噴嘴系統(tǒng)，將混凝土粉末和粘結劑逐層噴射到粉末床表面，根據(jù)預定的設計模型逐層鋪設，噴射的粘結劑在接觸到混凝土粉末后發(fā)生化學反應或物理固化，將粉末顆粒粘結在一起，形成實體的混凝土層。12.1.3不同類型的3D打印混凝土粉末基3D打印混凝土粉末型3D打印混凝土(a)打印設備(b)打印工藝品12.23D打印混凝土的工作性能2.2.1/可擠出性2.2.2/可建造性2.2.3/凝結時間2.2.4/流變性能2.2.5/超早期性能1滿足3D打印工藝的水泥基復合材料的制備和性能優(yōu)化是發(fā)展混凝土3D打印技術的重點與核心。打印材料除了要滿足傳統(tǒng)混凝土施工工藝對材料的工作性能要求外，還需滿足3D打印混凝土對材料擠出性、建造性、凝結時間和早期強度等3D可打印性能的要求，以及力學性能和耐久性能的要求等。建筑3D打印整個工藝流程包括了新拌材料的泵送、擠出、堆積成型等多個階段，在每個階段由于材料的受力方式存在差異，對材料性能的具體要求各不相同甚至有的存在沖突。2.23D打印混凝土的工作性能概述混凝土3D打印工藝流程圖1

3D打印混凝土可擠出性即指新拌混凝土材料可通過噴口順利擠出，且擠出的條帶均勻連續(xù)，代表著新拌材料在受到外力作用時的變形能力，其衡量標準為材料受力作用時變形的大小或速率。擠出性能可以直觀的評價水泥基材料是否具備完成3D打印工藝流程中泵送、擠出流程的能力。2.2.1可擠出性可擠出性概述可擠出性測試及優(yōu)化過程當水泥基材料通過3D打印機噴嘴被擠出后，按照預先設置的路徑程序，逐層堆疊在平臺上時，需要有保證材料堆積所形成的結構不變形、不失穩(wěn)、不坍塌的能力，這種能力稱之為3D打印水泥基材料的建造性能。建造性代表的是3D打印水泥基材料處于靜置狀態(tài)下受到靜態(tài)荷載不發(fā)生變形的能力?？山ㄔ煨砸馕吨梢猿惺茏陨碇亓奢d和上部其它層傳給它的荷載，且不會引起相關的變形甚至倒塌。建造性可以直觀評價3D打印水泥基材料是否擁有在短時間內快速堆積且保持原狀的能力。12.2.2可建造性可建造性概述混凝土3D打印過程中的失效形式

建造性可以直觀評價3D打印水泥基材料是否擁有在短時間內快速堆積且保持原狀的能力?，F(xiàn)今表征3D打印水泥基材料的建造性能的方法眾多，其中最為常用的一種是通過3D打印機打印單層薄壁模型，通過測試打印模型的高度和成型效果對3D打印水泥基材料的建造性能進行直觀評價112.2.2可建造性可建造性測試建造性測試

(a)圓形立柱(b)方形立柱凝土3D打印過程中，在較大的自重荷載壓縮作用下，尚未初凝的混凝土材料因正應力作用發(fā)生塑性流動而產(chǎn)生剪切應力，當剪切應力超過某一臨界值時，材料的形狀和體積產(chǎn)生明顯變化，進而引發(fā)結構大變形而至坍塌。混凝土的流變性表征了材料在外力作用下的變形和流動性質。流變性中的靜態(tài)屈服應力是促使材料從靜止狀態(tài)到流動狀態(tài)的臨界剪切應力。選取其作為判別打印結構穩(wěn)定與否的臨界參數(shù)。然而結構的破壞原因還存在因喪失穩(wěn)定性而失去承載能力，足夠的穩(wěn)定性是保證構件正常工作的必要條件。將流變性和穩(wěn)定性相結合，建立了3D打印混凝土變形坍塌預測方法。112.2.2可建造性可建造性判斷流程3D打印建造變形失穩(wěn)判斷流程圖凝結時間是指混凝土從開始攪拌到具有足夠強度和硬度的時間。測試凝結時間的方法可以通過觀察混凝土的物理和力學性質來確定。3D打印混凝土材料的凝結時間通常通過貫入阻力測試進行確定，并與流變測試結果相互對應，互為佐證。貫入阻力測試方法參考協(xié)會標準T/CCPA34-2022《3D打印混凝土拌合物性能試驗方法》執(zhí)行。12.2.3凝結時間概述（1）影響：材料的凝結時間會影響材料的可打印時間，材料可打印時間是指材料從拌合結束后保持可打印性能的時間。對于具有速凝速硬特點的材料，應設置較高的打印速度，否則易導致材料輸送過程中的硬化而發(fā)生堵塞。（2）結論：根據(jù)3D打印工藝的要求，水泥凝結時間較長，早期剛度低，難以支撐后續(xù)打印層的自重，不利于材料固化成型以及結構的體積穩(wěn)定性。然而，水泥凝結時間過短，在3D打印泵送過程中易發(fā)生堵塞，甚至凝固在攪拌機中，影響材料的輸送。根據(jù)多次嘗試和摸索，3D打印水泥基材料的初凝時間在40-50min為宜。1流變是研究物質在外力作用下的流動和變形的學科，流變測試能同時得到塑性黏度、觸變性和屈服應力等多個參數(shù)，可以用來表征3D打印混凝土材料的泵送、擠出和建造等可印性能。目前常用的流變測試程序是滯回曲線法和恒定速率剪切法。12.2.4流變性能

概述（1）滯回曲線法是剪切速率先從零勻速上升到一定值，再逐漸下降到零，這樣測得的流變曲線中可以分為上行段和下行段，上行段中剪切應力在剪切速率較小時出現(xiàn)的最大值稱為靜態(tài)屈服應力，下行段擬合曲線的斜率稱為塑性黏度，與y軸的截距稱為動態(tài)屈服應力，上行段與下行段圍成的面積則可以用來反應材料觸變性的大小。恒定速率剪切法是使用極小的恒定速率剪切水泥基材料，初期材料表現(xiàn)出彈性特點。剪切應力隨應變增大而增大，當達到峰值后，意味著材料開始發(fā)生流動，這個峰值即是靜態(tài)屈服應力。常用流變測試方法

(a)滯回曲線法；(b)恒定速率剪切法混凝土材料的超早期力學行為對混凝土3D打印建造性能、結構穩(wěn)定性能以及力學強度等具有重要的影響。相對于傳統(tǒng)的模板澆筑工藝，3D打印建造過程對材料超早齡期的力學性質要求較高，流動性、凝結時間、早期剛度等需要與打印的速度、建造堆疊速率等相互協(xié)調，否則極易出現(xiàn)坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象2.2.5超早期性能概述混凝土3D打印過程中結構發(fā)生倒塌

高硬化速率（Ch）和較長時間的貫入阻力臨界值（PC），有望接近預期的可建造性和可擠出性。OPC（曲線①）：常規(guī)普通硅酸鹽混凝土材料，硬化速率較慢，凝結時間較長，具體表現(xiàn)為貫入阻力曲線斜率較低，凝結時間較長，有利于擠出，不利于成型?？煊玻ㄇ€②）：相比于普通硅酸鹽水泥基復合材料而言，通過輔助手段提高混凝土材料的硬化速率（Ch）。3DP（曲線③）：通過配合比優(yōu)化或輔助手段處理，在硬化速率無明顯變化的情況下，加快凝結過程。2.2.5超早期性能調控機理

3D打印混凝土材料早期性能調控機理

測試齡期分別為15min、30min、45min、60min、75min、90min。為了消除顆粒尺寸和分布造成的尺寸效應，允許試件發(fā)生對角剪切破壞，試件選用直徑為70mm，高為140mm的圓柱體。試驗采用萬能試驗機進行試驗，加載速度取值為30mm/min，直至加載位移為40mm，停止加載，記錄荷載-位移曲線，根據(jù)荷載-位移曲線計算應力-應變曲線，進而計算彈性模量。加載時試件上下表面各放一塊亞克力板并涂抹凡士林用以減小或消除加載頭對試件的摩擦力。2.2.5超早期性能試樣

(a)無側限單軸壓縮試驗示意圖；(b)混凝土試塊12.3其他建筑材料3D打印技術2.3.1/打印陶土材料及其性能2.3.2/打印塑料材料及其性能2.3.3/金屬堆焊打印材料及其性能2.3.1打印陶土材料及其性能分類介紹

（1）可建造性陶土材料3D打印的可建造性與混凝土材料3D打印的可建造性概念類似，都是指材料在承受自身重量和外界荷載作用下，不發(fā)生流動變形，保持形態(tài)和結構穩(wěn)定的能力。（2）可泵送性陶土材料的可泵送性指陶土在外界作用下發(fā)生流動變形的能力，可泵送性與可建造性是相互矛盾的，可泵送性要求陶土材料具備較低的屈服強度和粘度，而較低的屈服強度和粘度也會弱化其承受荷載的能力，從而降低可建造性。（3）觸變性觸變性是指陶土材料在打印頭內部擠出裝置轉動的剪切力作用下，從塑性較高的狀態(tài)轉變?yōu)榱鲃有暂^大的狀態(tài)，并且在從打印頭擠出之后，又能夠恢復原有的塑性的能力。四種不同含水率的陶土（a）5%；（b）10%；（c）15%；（d）20%2.3.2打印塑料材料及其性能分類介紹（1）打印溫度打印溫度指塑料材料在打印頭中融化的溫度，不同的打印溫度會顯著影響塑料材料的融化狀態(tài)，進而影響其力學性能。當打印溫度過低時，材料沒有完全融化，塑性較高，不易從噴頭中擠出，甚至有可能導致材料堵塞打印噴頭，造成設備故障。（2）打印速度打印速度指打印噴頭在垂直方向和水平方向的移動速度。當打印速度過低時，容易造成相鄰兩條塑料條的溫度相差過大，進而降低粘結強度。當打印速度過高時，會使材料在噴頭中還未完全融化就被擠出，導致擠出的塑料條中夾雜許多氣泡，影響構件性能。（3）打印層厚打印層厚指打印條的厚度，一般來說更小的打印層厚能夠減輕打印的臺階效應，帶來更高的表面精度，但是也會顯著增加打印時間，降低打印效率。（4）填充率填充率指單位體積內填充材料的多少。與打印層厚類似，更高的填充率會使力學性能提升，但是也會提高打印時間，同時也會在一定程度上導致打印材料的浪費。以SLM舉例，主要的成型工藝有激光能量輸入、掃描路徑、掃描間距等。激光能量輸入越高，金屬粉末融化越充分、越不容易產(chǎn)生粉末夾雜現(xiàn)象，成形構件的致密度和表面精度越好。但是過高的激光能量輸入也有可能導致材料飛濺等現(xiàn)象。掃面路徑主要有單向掃描、S形掃描、交叉掃描等，不同的掃描路徑有不同的特點，直線掃描系統(tǒng)處理簡單，但是容易導致成形件兩端應力不平衡；S形掃面能改善應力不平衡現(xiàn)象，但是也容易引起翹曲變形；交叉掃描可以改善氣孔和裂紋。2.3.3金屬堆焊打印材料及其性能掃描方式介紹三種掃描方式

(a)單向掃描；(b)S形掃描；(c)交叉掃描

（1）鈦合金鈦合金具有生物相容性、耐腐蝕、耐高溫、高強度比等特點，以及在醫(yī)療、航天航空、化工等領域得到了廣泛的應用，TiAl6V4（TC4）是最早在金屬堆焊打印中的鈦合金金屬。

（2）鋁合金鋁合金具有優(yōu)秀的理化特性和力學性能，在生活中許多領域都得到了廣泛應用，但是鋁金屬的易氧化性，對光高反射性限制了其在金屬堆焊打印中的應用。

（3）不銹鋼不銹鋼的耐腐蝕、耐高溫、抗氧化性能優(yōu)秀，并且其粉末制備工藝簡單、成本低廉，是最早被應用于金屬堆焊3D打印的金屬材料。

（4）鎂合金鎂合金是最輕的結構合金之一，具備出色的強度和阻尼性能，在許多領域都有替換不銹鋼和鋁合金的可能，并且鎂合金同樣具有優(yōu)秀的生物相容性，在外科植入方面也比傳統(tǒng)鈦合金更有應用前景。2.3.3金屬堆焊打印材料及其性能金屬堆焊打印材料分類介紹12.4打印混凝土固化后性能測試2.4.1/直接制備測試試件2.4.2/從打印結構中提取獲得測試試件2.4.3/破壞性測試方法3D打印的固有材料累計過程導致了打印混凝土固化后的各向異性行為，我們需要評估因此產(chǎn)生的新的性能指標，同時傳統(tǒng)性能指標的評估也要考慮這個因素，例如，力學性能需要通過在與打印路徑相關的各個方向上施加負載來測試。需要評估的性能指標主要包括以下幾個方面：I.物理性能：打印結構的密度、層數(shù)、幾何形狀、耐火性等；II.力學性能：抗壓強度、彈性模量、拉伸強度/彎曲強度、層間粘結強度（此處可考慮直接（單軸）拉伸試驗、彎曲試驗和有/無正常載荷的剪切試驗）、鋼筋-打印混凝土粘結強度；III.耐久性：氯化物滲透、抗碳化性、水和有害物質的輸送、抗凍融性；IV.其他特性：收縮性、蠕變性。12.4打印混凝土固化后性能測試概述12.4.1直接制備測試試件細節(jié)介紹（1）試件制備方法直接制備打印混凝土材料試件用于材料固化后力學性能測試包括三種情況：a)將打印混凝土材料直接澆筑到具有規(guī)則形狀的模具中，就像制備傳統(tǒng)混凝土試件一樣；b)使用與實際目標打印結構打印設備不同的實驗室打印設備（如簡單的螺桿擠出機、活塞擠出機，甚至是手持式砂漿槍）打印制備測試件；c)使用實際目標打印結構打印設備直接打印制備試件，試件尺寸較b)中的更大。除了上述不同的試件制備情況外，還必須考慮不同材料輸送方式的影響。雖然澆筑試件提供了打印混凝土的特性信息，但無法顧及到由缺少模板和材料分層而引起的影響。重要的是，與打印試件相比，澆筑試件的密實程度也不同。由于3D打印混凝土通常不經(jīng)歷傳統(tǒng)的振搗過程，因此與澆筑混凝土相比，其密實程度通常較低。b)類試件制備情況由于打印設備的差異將導致材料的受剪過程、打印頭的材料壓實、沉積速率等方面存在一些差異。c)類試件制備情況可以認為試件是通過完全自動化打印制備的。（2）試件尺寸的影響實驗室制備的試件尺寸較小、層數(shù)有限，則后續(xù)層引起的（影響層間粘結強度的）壓實效應不會被充分考慮。因此，我們需要測試位于不同層高的材料性能，以便進行比較。如果發(fā)現(xiàn)差異顯著，則需要考慮被測試件在實際結構中其上方的材料層數(shù)來估算其性能，或者可將該上方部分材料的重量直接加載到試件上，即Dressler等人采取的測試方式。為了在實驗室中盡可能準確地模擬實際條件，應將各層打印成矩形疊在一起更為合適，而不是打印一堵小“墻”，同時改變每一層的打印方向。此外，與實際打印相比，實驗室試件的層形狀可能會有很大差異，在制備試件時應盡可能還原實際打印情況下的打印路徑形態(tài)，比如實現(xiàn)某些填充圖案所需的角度。12.4.1直接制備測試試件細節(jié)介紹不同的打印方向（3）養(yǎng)護類型與時長事實證明，打印過程中的環(huán)境條件會顯著影響打印材料在硬化狀態(tài)下的力學性能和耐久性。首先，打印件的表面積與體積比通常很大，同時缺乏保護模板，打印過程中養(yǎng)護困難。所有這些因素共同導致水分快速蒸發(fā)，混凝土微觀結構也隨之發(fā)生變化，收縮明顯，可能開裂。其次，環(huán)境條件引起的水分流失會影響各層之間的粘結，這又極大地影響了打印件在力學性能和耐久性方面的整體性能。因此，最好在實際工況養(yǎng)護條件下打印試件。（4）耐久性和收縮性測試試件準備在制備試件以表征耐久性相關過程（如水或氣的輸送、氯化物侵入、碳化和凍融行為）時，需要特別注意打印過程特定參數(shù)產(chǎn)生的影響。例如，各打印層界面之間的孔隙率明顯存在差異，這導致水分或氯離子和二氧化碳沿界面優(yōu)先進入細孔隙中。因此，用于耐久性表征的試件需要包含至少兩層以考慮界面相關效應。12.4.1直接制備測試試件細節(jié)介紹（5）鋼筋-混凝土粘結強度測試試件準備鋼筋可以以各種方式集成到打印混凝土試件中，包括水平置于混凝土層之間、垂直或傾斜插入多個混凝土層中等等，具體植筋方式詳見第2.5節(jié)。在所有這些情況下，粘結質量不僅取決于混凝土的成分、稠度以及鋼筋的幾何形狀和狀況，還取決于鋼筋集成的過程。特別是，鋼筋周圍混凝土基質的孔隙度可能有很大差異，在制備用于測試鋼筋和混凝土間粘結的試件時需要考慮這一點。12.4.1直接制備測試試件細節(jié)介紹

a）沿與打印方向平行或垂直的方向布置鋼筋；b）切割打印試件得到平行或垂直方向布置的鋼筋12.4.2從打印結構中提取獲得測試試件試件表面分析進行全尺寸打印時的一個實際問題是水平或垂直方向上的層之間存在冷接縫甚至空隙，此類空隙主要由于使用圓形噴嘴而產(chǎn)生

。此外，平直的打印件和彎曲或傾斜肋條連接處較容易出現(xiàn)冷接縫或空隙，后者通常見于擁有豎向側壁的試件內部。應該指出的是，由于較大的打印件中與打印系統(tǒng)相關的問題，可能會出現(xiàn)幾何缺陷。顯然，空隙、冷接頭或是薄弱的界面對混凝土打印試件的力學性能有很大影響，需要采用適當?shù)姆椒▉碓u估這些影響。在這種情況下，從打印試件中鉆樣取芯可以獲得有關空隙大小和分布的信息。全尺寸打印件剖面顯示出多處空隙

這里的打印層寬度決定了試件大小，如果預計材料特性的變化較大，則待測試件的數(shù)量必須更多。變化程度通常取決于待測試的特定屬性。例如，拉伸試驗通常比壓縮試驗產(chǎn)生更大的測量強度值變化，因此，拉伸或彎曲試驗應使用比壓縮試驗更多的試件。不同方向的3D打印混凝土全貌12.4.2從打印結構中提取獲得測試試件三維方向分析雖然對于傳統(tǒng)混凝土，很容易根據(jù)有效標準制備立方體或圓柱形試件，但對于打印結構，決定合適的測試試件除了要考慮打印的特定橫截面之外，還需要考慮分層效果。右下角的密實填充方式與傳統(tǒng)墻體相似，試件提取相對簡單；然而，其他兩種填充方式在提取試件時，則需考慮需要包含多少內部圖案等的問題。值得注意的是，對于分層沉積的材料，試件尺寸對力學性能的影響一般會更加明顯，與更均勻的澆鑄混凝土相比，它們通常會表現(xiàn)出額外的缺陷。最后，鋼筋被插入填充腔中并灌漿填實。普通打印墻體的三種填充方式12.4.2從打印結構中提取獲得測試試件打印墻體填充方式介紹（1）關于試件固有方向與加載方向的定義打印混凝土與澆筑混凝土的力學性能測試并沒有根本區(qū)別；然而，在測試時有幾個方面需要注意，并需要采取特定的方法。Bos等人建議將打印中的方向性定義為局部坐標系（u,v,w），其中u是打印路徑的方向，v在打印平面內垂直于u，w則垂直于打印平面。這些局部坐標軸不一定對應于測試方向，例如Le等人和Wolfs等人用羅馬數(shù)字I、II和III定義測試方向。本書建議引入一個擴展版的方向性定義，由兩個字母（u,v,w）組成，中間用點隔開，其中第一個字母表示法向力的軸或彎曲荷載的旋轉軸，第二個字母表示試件的縱軸（如果有），如圖所示。這種方法總共為非立方體試件提供了9個可能的方向。打印件不同方向的定義12.4.3破壞性測試方法

打印墻體填充方式介紹112.4.2可重構針床模板可重構針床模板應用可重構針床模板方法突出水平方向上的設計自由度，而不是豎直方向，即該方法能夠配合曲面切片打印出高度任意變化的混凝土層片，這對于復雜表面打印具有較強的適應性。并且在一個打印項目完成后，可以通過調整針床各點位的高度來用作其他項目的模板，以實現(xiàn)可重構性?？芍貥嬦槾材０宸椒ù蛴〉幕炷镣鈿た蚣?/p>

空間網(wǎng)架模板的主要特點是在一個制造系統(tǒng)中集成了空間骨架和模板制造，空間網(wǎng)架模板主要依靠機械臂進行，在末端執(zhí)行器上配備用于預制或者現(xiàn)場打印致密空間網(wǎng)格的專用打印頭。在空間網(wǎng)格打印完成后，澆筑混凝土和混凝土保護層。空間網(wǎng)架模板構建技術有助于“編織”任意復雜空間結構的建筑，并且通過這種工藝建造的混凝土建筑能夠消除混凝土3D打印帶來的混凝土分層問題。112.4.3空間網(wǎng)架模板構建空間網(wǎng)架模板構建概述

空間網(wǎng)架模板構建的核心在于混凝土能否充分填充空間網(wǎng)格，澆筑混凝土時應從網(wǎng)格上方進行，而不是從網(wǎng)格側面填充，這樣能夠減輕混凝土搗實的工作壓力。并且對于填充混凝土，應選用較低屈服應力的混凝土牌號來獲得更好的填充效果。同時，空間網(wǎng)格的密度也會影響混凝土澆筑的密實度，密度太高不利于混凝土充分填充，密度太低又有可能導致混凝土透過空間網(wǎng)格向外滲漏。因此，空間網(wǎng)格的密度和幾何形狀同樣十分重要，一般來說，三角形的幾何形狀通常能夠在較低的密度下阻止混凝土外滲。112.4.3空間網(wǎng)架模板構建空間網(wǎng)架模板構建應用

以EmpaNEST大樓為例來介紹空間網(wǎng)架模板構建的應用，為了建造超過機器人靜態(tài)工作空間的大型結構，蘇黎世聯(lián)邦理工學院團隊開發(fā)了一套移動機器人系統(tǒng)用于打印空間網(wǎng)架結構及其配套的自適應環(huán)境檢測策略。在EmpaNEST施工現(xiàn)場，移動機器人在125小時的時間內完成了由339層和22000多個焊接節(jié)點組成的2.8米高的雙曲面鋼筋網(wǎng)。EmpaNEST大樓的空間網(wǎng)架結構構建現(xiàn)場圖12.5打印混凝土植筋加固2.5.1/預先部署加固筋方法2.5.2/后植入加固筋方法2.5.3/打印同步式加固方法112.5.1預先部署加固筋方法預先部署加固筋方法

輪廓工藝（CC）由Khoshnevis

開發(fā)，是主要的混凝土打印技術之一，其將打印混凝土外殼作為模板，然后在這種模板內澆筑混凝土。垂直鋼筋或綁扎鋼筋網(wǎng)可以與CC打印方法相結合，在澆筑混凝土之前將它們安裝在打印模板內（a、b）。水平鋼筋和模板拉桿也可以手動鋪設在層間或在打印過程中插入打印層中（c）。該方法已被全球多家3D打印混凝土建筑公司采用，包括ContourCraftingCorp.（美國）、ICON（美國）、TotalKustom（美國）、WinSun（中國）、CyBe（荷蘭）和ApisCor（俄羅斯）

。Kreiger等人

也在建筑施工過程中實施了這種方法來加固打印混凝土墻（d）。一般預先部署加固筋方法112.5.1預先部署加固筋方法預先部署加固筋方法圖233a-d顯示了現(xiàn)場建筑施工中人工放置鋼筋與CC打印方法相結合的更多應用。盡管這些公司利用3D打印技術只建造了固定式“模板”，而不是核心筒，但該方法實用性強，適用于制造墻體和柱子等垂直混凝土構件。然而，當墻體有垂直曲率時，該方法就會有局限性。工地現(xiàn)場打印混凝土的預先部署加固筋方法112.5.1預先部署加固筋方法預先部署加固筋方法

中國建筑公司北京華商騰達有限公司使用了類似的植筋策略，但其打印系統(tǒng)不同。在他們的方法

中，水平和豎向鋼筋被固定在適當位置，同時利用自研的雙噴嘴打印系統(tǒng)將混凝土逐層沉積在鋼筋的每一側。在打印過程中，兩個噴嘴將豎向鋼筋夾在中間，使其始終保持筆直，但限制了墻體的自由造型。112.5.1預先部署加固筋方法預先部署加固筋方法蘇黎世聯(lián)邦理工學院開發(fā)的網(wǎng)架模板概念使用三維網(wǎng)狀結構來加固打印混凝土（詳見1.4.3）。在這種方法中，混凝土被噴射到穿孔模板上，該模板可由高分子聚合物通過擠出成形

（圖a、b），或通過切割、彎曲和焊接鋼筋制成

（圖

c）。這種預制網(wǎng)狀結構既可用作加固材料，又可用作固定模板，從而無需使用一次性模板，從而節(jié)省材料。然而，由于這種網(wǎng)狀結構的強度不足以抵抗結構荷載，因此它的應用僅限于非結構部件。西卡化學公司（瑞士）和BranchTechnology（美國）采用了這項技術。BranchTechnology用于建造內墻的方法（圖d）遵循網(wǎng)架模板概念，但使用碳纖維增強熱塑性聚合物作為打印材料

。打印網(wǎng)架模板后，基質中填充噴涂泡沫絕緣材料，然后用混凝土覆蓋。112.5.2后植入加固筋方法打印空心混凝土單元通過體外鋼筋進行加固Asprone等人使用體外鋼筋增強打印混凝土梁。在本研究中，混凝土梁的空心段沿厚度方向實施打印。然后，將空心混凝土塊組裝并用鋼筋綁扎以形成梁結構。在這種情況下，鋼筋起著兩個作用：將每個段固定到位并在負載條件下提供外部加固。該方法將鋼筋的兩端彎曲插入混凝土預留的孔中，然后填入砂漿將鋼筋錨固在位置上。由于彎曲鋼筋的存在，這種加固可以為梁同時提供平面內、外的抗力。此外，由于位置和方向的多變，外部鋼筋有助于改善打印混凝土梁的壓縮、拉伸和剪切行為，而不僅僅是像傳統(tǒng)混凝土那樣只增加抗拉性能。然而，由于需要額外錨固鋼筋和填充孔洞，使得其在施工時間方面相對于傳統(tǒng)混凝土沒有優(yōu)勢。112.5.2后植入加固筋方法Feng等在打印過程之后，采用人工鋪層程序，用玻璃纖維增強聚合物（GFRP）片材包裹并環(huán)繞打印的混凝土柱（圖

237a）和梁（圖

237b）。根據(jù)單軸壓縮和彎曲試驗結果，這種加固方法將混凝土柱的破壞模式從脆性轉變?yōu)檠有?，將混凝土梁的破壞模式從脆性彎曲破壞轉變?yōu)榉谴嘈约羟衅茐?。GFRP片材增強混凝土構件更具延性，因為它們在破壞前可以偏轉更多，從而在開裂前抵抗更大的荷載。（a）包裹打印混凝土柱；（b）環(huán)繞打印混凝土梁

112.5.3打印同步式加固方法在打印混凝土的同時自動生成鋼筋的鋼筋打印概念

在打印時同步自動生成和部署鋼筋的策略是首選的。Mechtcherine等人提出了一種打印鋼筋的自動化系統(tǒng)，這一過程稱為氣體保護金屬電弧焊（圖238a）。在這個過程中，連續(xù)送入的焊絲電極和金屬基片之間的電弧使焊絲電極熔化并變成鋼珠，鋼珠沿長度方向累積形成鋼筋（圖2-38b）。然而，將打印混凝土和打印鋼筋整合在一起的原理和方法仍未得到解決。此外，鋼筋打印所需的冷卻系統(tǒng)對打印混凝土的影響以及冷卻系統(tǒng)與打印系統(tǒng)的相互作用仍有待研究確定。（a）氣體保護金屬電弧焊系統(tǒng)和（b）鋼筋打印

11打印混凝土同步加固構件Khoshnevis早前設計了一種新穎的加固方法，用于在輪廓工藝打印過程中自動化部署鋼筋。這里使用的“鋼筋”由許多鋼制零件組成（圖239），這些鋼制零件可以組裝成不同的形狀（條帶和網(wǎng)格）。打印過程由龍門系統(tǒng)操作，該系統(tǒng)包含用于打印構件外殼的噴嘴、用于組裝鋼制零件的機器人和用于混凝土填充的進料器。然而，這種昂貴且細節(jié)復雜的打印系統(tǒng)并未在實際施工中推廣應用。2.5.3打印同步式加固方法11打印混凝土的纖維增強材料另一種可以將打印和加固工藝結合起來的方法是纖維增強（圖

a），也稱為不連續(xù)增強。短纖維很容易與混凝土及其他成分混合，達到均勻的稠度，然后擠出為新鮮混凝土，以普遍增強固化打印混凝土的抗剪、抗壓和抗拉性能。此外，荷蘭埃因霍溫理工大學試驗了在混凝土混合物中添加多種長度的鋼纖維（6毫米和13毫米）（圖b），以改善打印混凝土在負載條件下的力學性能。因此，6毫米纖維可以彌合微裂紋，提高抗拉強度，而13毫米纖維可以保持宏觀裂紋，提高開裂后的延展性。（a）纖維增強打印混凝土擠出示意圖和（b）不同長度纖維的功能2.5.3打印同步式加固方法112.5.3打印同步式加固方法不同類型連續(xù)鋼筋的混凝土打印系統(tǒng)（a）連續(xù)微鋼纜

（b）鋼絲繩

（c）鋼鏈

另一種連續(xù)配筋策略已由Ma等人

提出在噴嘴處實施連續(xù)微鋼纜配筋于打印混凝土中（圖a）。該打印系統(tǒng)由用于打印混凝土的噴嘴和用于放置微鋼纜的抽絲器組成，抽絲器由步進電機驅動，可將微鋼纜（直徑1.2毫米）連續(xù)送入打印噴嘴。送料速度可調，可同步打印混凝土和鋪設微鋼纜，并在打印的同時將微鋼纜嵌入混凝土中。Jutinov和Bos等人研究了一種類似的打印系統(tǒng)，但采用不同的連續(xù)加固方法。他們認為鋼絲（圖b）比鋼鏈（圖c）和鋼纜更適合用作加固材料，因為它在橫向方向上具有很高的柔韌性，使其更容易操作，特別是對于曲線形結構。112.5.3打印同步式加固方法鋼絲型材裝訂加固在打印混凝土中的應用此外，還可以采用類似書本裝訂地將鋼絲段釘入打印混凝土中。Geneidy和Kumarji試驗了這種方法，將改裝后的電動釘槍粘合到機器人手臂上，將釘狀鋼絲型材（圖a、b）插入設計位置的打印混凝土中。釘合過程是機器人手臂的連續(xù)操作過程，并與混凝土打印同時完成。不同形狀的鋼絲可用于不同的整體結構完整性。因此，該打印系統(tǒng)最顯著的優(yōu)勢是，鋼絲型材可以通過釘槍釘成不同的圖案，并在打印過程中通過開關觸發(fā)發(fā)射機構。更具體地說，鋼絲型材可以插入并重疊成“X”形（圖b）在平行層間提供互鎖力，或部署在角落以加強薄弱區(qū)域。雖然基于該技術的加固量仍遠低于鋼筋，但高靈活性和可控性使其值得被考慮用于加固3D打印混凝土。（a）與打印方向一致

（b）以“X”形進行部署

112.5.3打印同步式加固方法用于打印混凝土的豎向放置鋼絲網(wǎng)增強體

常規(guī)混凝土中常用的鋼絲網(wǎng)加固通常水平嵌入混凝土板的中間深度。Marchment和Sanjayan提出了一種在打印混凝土墻時垂直嵌入鋼絲網(wǎng)的方法。為此，鋼絲網(wǎng)被卷起并垂直放置在線軸上，當噴嘴移動時，鋼絲網(wǎng)從線軸上進料（圖a）。噴嘴頭在中間有一個垂直縫隙，并沿行進方向位于線軸后面，以允許放置的豎向網(wǎng)格穿過豎向縫隙（圖b）。在噴嘴內部，打印混凝土的流動被該縫隙分開，但當混凝土打印在網(wǎng)格的兩側時，它們會在中間合并。通過這些設置，可以在打印過程中同時使用豎向網(wǎng)格和混凝土。網(wǎng)格高于層厚（17毫米），但低于兩層（34毫米），以便在各層之間在垂直方向上重疊并實現(xiàn)垂直方向的連續(xù)性（圖c）。（a）豎向鋼絲網(wǎng)增強體的放置（b）噴嘴頭的橫截面（c）打印層之間豎向鋼絲網(wǎng)的重疊Thanks第3章

打印工藝裝備體系華中科技大學目錄01

/打印工藝裝備體系02/材料制備與沉積機構03/打印動作執(zhí)行機構04/打印成形質量監(jiān)測與檢測13.1打印工藝裝備體系3.1.1/工藝裝備體系組成概述3.1.2/軟件結構3.1.3/主要功能模塊13.1.1工藝裝備體系組成概述3D打印混凝土工藝裝備體系是一種結合了現(xiàn)代制造技術與傳統(tǒng)建筑材料的創(chuàng)新技術。該體系利用計算機控制的自動化設備，通過精確控制混凝土擠出、固化等過程，實現(xiàn)復雜結構物的快速、高效構建。這種技術在建筑行業(yè)中具有重要的應用價值，尤其是在特殊結構建設、災后重建和定制化建筑領域展現(xiàn)出巨大潛力。隨著技術的發(fā)展和市場需求的增長，3D打印混凝土技術正逐漸成為研究和應用的熱點。混凝土3D打印工藝13.1.1工藝裝備體系組成概述3D打印混凝土工藝裝備體系主要包括三軸移動平臺、六軸機械臂、擠出單元、旋轉單元和三維掃描儀等核心部件。這些部件協(xié)同工作，確保了混凝土可以按照預設路徑精確地擠出并固化，從而形成所需的結構形狀。其中，三軸移動平臺提供了基礎的運動支持，六軸機械臂則負責精細操作，擠出單元和旋轉單元共同完成混凝土的擠出和定位過程，三維掃描儀則用于實時監(jiān)測和調整打印過程，確保精度和質量。建筑3D打印工藝裝備體系13.1.2軟件結構軟件結構組成（1）用戶界面（UI）：提供直觀友好的操作界面，使操作者能夠輕松設置打印參數(shù)、監(jiān)控打印過程及調整機器狀態(tài)。用戶界面設計應考慮到易用性與功能性的平衡，確保操作者可以快速熟悉并有效利用軟件。（2）數(shù)據(jù)處理模塊：負責接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行預處理和分析。數(shù)據(jù)處理模塊將實時數(shù)據(jù)轉化為控制指令，以便于機器執(zhí)行相應的動作。此外，該模塊還需具備一定的故障診斷功能，能夠在出現(xiàn)異常時及時發(fā)出警告。（3）運動控制模塊：控制3D打印混凝土機器人的移動和操作。運動控制模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊提供的指令，通過算法計算得出機器各關節(jié)的最優(yōu)運動軌跡和速度，確保打印過程的精準性和高效性。（4）擠出控制模塊：負責管理擠出單元的操作，包括擠出壓力、擠出距離和擠出速度的控制。該模塊需要根據(jù)打印任務的具體要求，動態(tài)調整擠出參數(shù)，以適應不同的打印環(huán)境和材料特性。13.1.2軟件結構軟件結構組成（5）安全管理模塊：保障整個打印過程的安全性。安全管理模塊通過監(jiān)控機器狀態(tài)、環(huán)境條件等信息，評估潛在的安全風險，并采取相應的預防措施。在檢測到危險情況時，能夠立即啟動安全保護程序，如緊急停機、報警等。（6）維護與更新模塊：提供軟件的維護與更新服務，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。包括軟件錯誤修復、性能優(yōu)化以及新功能的添加等。在3D打印混凝土工藝裝備體系中，軟件結構是實現(xiàn)精準控制和高效操作的關鍵。整個軟件結構應當基于模塊化設計原則，每個模塊之間通過明確定義的接口進行通信。這樣不僅有助于降低系統(tǒng)的復雜度，也便于后期的維護和升級。軟件架構的選擇應充分考慮到實際應用場景的需求，確保系統(tǒng)既能滿足功能要求，又具有良好的擴展性和兼容性。13.1.3主要功能模塊功能模塊組成（1）用戶界面模塊：該模塊負責與用戶進行交互，接收用戶輸入的指令，并向用戶反饋操作狀態(tài)和結果。它提供了一個友好的圖形界面，使用戶能夠輕松地設置打印參數(shù)、監(jiān)控打印過程和查看打印結果。（2）路徑規(guī)劃模塊：根據(jù)3D模型數(shù)據(jù)，該模塊負責生成3D打印混凝土的精確路徑。它需要考慮到機器人的運動限制、擠出速度和方向等因素，以確保打印過程的準確性和效率。（3）擠出控制模塊：負責控制擠出單元的工作，包括擠出壓力、擠出速度和擠出時間等。該模塊根據(jù)路徑規(guī)劃模塊提供的路徑信息，精確控制擠出頭的移動，確保混凝土沿預定路徑準確擠出。（4）旋轉控制模塊：控制旋轉單元的運動，包括旋轉速度和旋轉角度。通過調節(jié)旋轉速度和角度，該模塊能夠實現(xiàn)混凝土在不同層上的均勻覆蓋，保證結構的穩(wěn)定性和強度。13.1.3主要功能模塊功能模塊組成（5）三維掃描儀控制模塊：負責控制三維掃描儀的工作，實時獲取打印表面的形貌信息。該模塊通過分析掃描數(shù)據(jù)，幫助優(yōu)化打印路徑，減少材料浪費，并提高打印質量。（6）安全監(jiān)控模塊：負責監(jiān)控裝備的運行狀態(tài)，包括溫度、壓力等參數(shù)。一旦檢測到異常情況，該模塊能夠立即發(fā)出警報并停止打印，以保障操作人員和設備的安全?？刂葡到y(tǒng)是3D打印混凝土工藝裝備的核心，其設計和實現(xiàn)對整個裝備的性能至關重要。本系統(tǒng)采用模塊化設計思想，將復雜的控制任務分解為若干個相對簡單的功能模塊，以提高系統(tǒng)的可維護性和擴展性。通過這些功能模塊的協(xié)同工作，3D打印混凝土工藝裝備能夠實現(xiàn)高效、精準的打印操作，滿足建筑工程中復雜結構的快速制造需求。未來，隨著技術的進步和創(chuàng)新，這些功能模塊還將不斷優(yōu)化升級，以適應更廣泛的應用場景和更高的性能要求。13.2材料制備與沉積機構3.2.1/打印混凝土攪拌制備機構3.2.2/混凝土容積式泵3.2.3/打印混凝土擠出噴頭3.2.4/其他材料沉積機構分類3.2.5/材料沉積機構設計的關鍵因素3.2.6/材料沉積機構設計流程13.2.1打印混凝土攪拌制備機構在3D打印混凝土的制備過程中，攪拌機構起著至關重要的作用。它不僅確保了混凝土材料的均勻性，還影響到最終產(chǎn)品的質量和強度。因此，對攪拌機構進行深入的分析，對于提高3D打印混凝土的性能具有重要意義。攪拌機構的設計需要考慮多個因素，包括混凝土的流動性、壓實度以及打印速度等。流動性是指混凝土在攪拌過程中的流動能力，這直接影響到混凝土的均勻性和可打印性。壓實度則決定了混凝土結構的穩(wěn)定性和耐久性。打印速度是指3D打印過程中，混凝土從擠出到固化的時間，這直接關系到生產(chǎn)效率。工廠攪拌機構13.2.1打印混凝土攪拌制備機構攪拌機構設計優(yōu)化為優(yōu)化攪拌機構，可采用計算流體動力學（CFD）模擬技術。在攪拌機構的設計中，攪拌葉片的數(shù)量、形狀和排列方式都會對混凝土的攪拌效果產(chǎn)生顯著影響。通過優(yōu)化攪拌葉片的設計，可以有效提高混凝土的均勻性，減少氣泡和孔隙，從而提高混凝土的整體性能。此外，攪拌機構的材料選擇也非常關鍵。材料的強度、韌性以及耐磨性都直接影響到攪拌機構的使用壽命和打印混凝土的質量。因此，在設計過程中應選用高性能的材料來制造攪拌機構，以確保其在長期使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。3D打印混凝土擠出過程模擬13.2.2混凝土容積式泵泵體結構組成混凝土容積式泵一般包括泵體和控制系統(tǒng)，泵體負責將預先配制好的混凝土從泵池中輸送到打印頭擠出，控制系統(tǒng)根據(jù)預設的打印過程實時調整泵送速度以適應不同需求。泵體結構設計關鍵在于其內部管道的布局與連接方式。泵體由多個部分組成，包括進料口、出料口、主體框架以及驅動機構。為了確?；炷恋捻槙齿斔停瑑炔抗艿佬枰?jīng)過精心設計，以減少流動阻力并避免堵塞。容積式泵體結構13.2.2混凝土容積式泵泵體控制結構設計在3D打印混凝土容積式泵的設計中，控制系統(tǒng)是確保其高效、穩(wěn)定運行的關鍵部分。該系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，旨在實現(xiàn)對打印過程的精準控制，保證混凝土結構的質量和強度?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分主要由微處理器、傳感器、執(zhí)行器以及通信接口組成。微處理器作為系統(tǒng)的核心，負責處理來自各傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設程序控制執(zhí)行器進行相應動作。傳感器用于監(jiān)測混凝土的溫度、濕度等關鍵參數(shù)，確保打印過程在最佳狀態(tài)下進行。執(zhí)行器則負責驅動3D打印機械臂、調整打印頭位置等動作，精確控制混凝土的沉積過程。通信接口則確?？刂葡到y(tǒng)能夠與外部設備如PC或智能手機等進行數(shù)據(jù)交換，便于操作者遠程監(jiān)控和調整打印過程。13.2.2混凝土容積式泵泵體控制結構設計軟件部分則主要包括用戶界面、控制算法和故障診斷模塊。用戶界面友好直觀，使得操作者能夠輕松設定打印參數(shù)、啟動或暫停打印任務?？刂扑惴軌蚋鶕?jù)傳感器反饋實時調整打印策略，優(yōu)化混凝土的結構性能。故障診斷模塊能夠及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在問題，提示操作者采取相應措施，確保打印過程的安全和可靠性。綜上所述，3D打印混凝土容積式泵的控制系統(tǒng)設計涵蓋了硬件和軟件兩方面，通過集成高效的傳感器、精準的執(zhí)行器以及靈活的軟件平臺，實現(xiàn)了對打印過程的全面控制。該系統(tǒng)不僅能夠提高混凝土結構的打印效率和質量，還能夠降低生產(chǎn)成本，具有廣泛的應用前景。未來，隨著控制技術的進一步發(fā)展和材料科學的突破，3D打印混凝土容積式泵的控制系統(tǒng)將更加智能化、高效化，推動建筑行業(yè)向數(shù)字化、自動化方向發(fā)展。13.2.2混凝土容積式泵混凝土容積式泵性能測試（1）流量測試：通過標準流量計測量泵在不同轉速下的實際輸出流量，與設計值進行對比分析，評估泵的流量性能是否達到預期目標