演讲者：Geert De Schutter，根特大学
描述：统一 3D 打印水泥基材料相互矛盾的流变学要求是一项挑战。在第一阶段，材料需要具有足够的流动性，以便于向喷嘴泵送。在第二阶段，材料必须是可挤压的。在第三阶段，一旦形成各层，水泥基材料需要表现出较高的可构建性，以支撑下一层材料的重量。因此，在短时间内，材料需要表现出从更像流体到更像固体的非常快速的变化。可以采用不同的方法来实现这一目标，其中包括在喷嘴中添加加速器，并使用动态混合器进行均质化。现在提出了一种新的替代方法，即双管泵送 (TPP) 方法，基本上由两个泵和一个静止的静态混合器组成。在打印过程中，两种不同的混合物被预先混合。第一股流由不含加速器的波特兰水泥基混合物组成，而第二股流则以石灰石粉末为基础，含有相对高剂量的加速器。这两种混合物都易于泵送，且开放时间较长。两根独立的管道将不同的流输送到位于挤出喷嘴正前方的直列式静态混合器。通过加速器引起的化学作用，混合物的硬化率大幅提高。TPP 可实现高施工率和良好的形状稳定性。例如，一个 3 米高的柱子可以在仅 9 分钟的创纪录短时间内打印出来。作为另一个优势，TPP 还可以扩展到更具可持续性的碱激活材料，遵循两股独立流和静态混合器内化学激活的相同原理。一些非凡的 3D 打印元素的例子将被展示，包括大悬垂和桥接窗户和门开口。
https://www.youtube.com/watch?v=ridLpt2Iplg&t=35s
感谢你的友好介绍，早上好！今天我将为大家讲解双管泵送方法。稍后我会详细说明它的具体内容。这项技术由Tashin研究，他在根特完成了博士学位，现在在ETH工作。我也想感谢我的同事Kim Von Tibone，但今天的演讲由我来进行。
大家对3D混凝土打印应该都很熟悉，我们希望摆脱模具铸造混凝土，因为模具占据了成本的大部分，而在3D打印中，我们不需要模具。模具铸造混凝土劳动密集，脱模过程可能需要很长时间。3D打印的目标是实现自动化施工，以更快速的方式和更短的施工周期。
当然，这个目标很好，口头上说起来容易，但实际操作中并不简单，因为材料有一些矛盾的要求。通常，你需要将材料泵送到喷嘴，然后材料需要流动性良好，能够被泵送。一旦到达喷嘴，材料需要具备构建层的能力。因此，你需要从更流动、可泵送的状态过渡到更坚固、快速硬化的状态。
市场上有1K和2K系统。1K系统（单组分系统）虽然有效，但通常其建筑速度有限，因为在某个时候，底层可能会出现压碎、翘曲等失败问题。2K系统（双组分系统）则更快，建筑速度更高，但传统的双组分系统更复杂，喷嘴内需要一些动态混合器，这些机械系统需要能量，且易磨损。
基于这两种情况，我们开始研究一种新系统，即双管泵送。双管如其名，我们有两根管道，将两股材料泵送到喷嘴，并在喷嘴中混合，但不使用动态混合器，而是使用静态混合器。关键在于如何将最终混合物分成两条独立的流，确保它们可以轻松泵送并保持较长的开放时间。
在第一个应用中，我们的第一条流包含沙子、波特兰水泥、水和减水剂，具有较长的开放时间；第二条流则是以石灰石填料为基础的载体，也含有沙子、水和减水剂，以及加速剂。第二条流也具有很长的开放时间，但一旦合并，加速剂与波特兰水泥接触，反应会迅速加速。
我们在几年前首次演示了这一原理，结果非常成功，仅仅经过有限的几次试验，我们就能在9分钟内打印出一根3米高的柱子，这个速度至今仍然相当快。
我们进一步优化了系统，重要的问题是，在静态混合器中需要多少混合元件。我们对12到30个不同数量的混合元件进行了研究。在我们的系统中，混合元件的内径为32毫米，长度约为45毫米。我们检查了静态混合器末端混合材料的均匀性，使用变异系数来衡量：变异系数越低，材料越均匀。可以看到，混合元件的数量对均匀性有影响，混合元件越多，变异系数越低，材料越均匀。
不过，混合元件数量增加带来的代价是泵送压力会稍微增大，因为更多的混合障碍会对流动产生阻碍。我们进一步研究了混合过程，并进行了建模。
在这些模型中，我们可以切割不同类型的静态混合器，观察不同混合器架构的效果。随着混合过程的进行，材料变得越来越均匀。
我们还通过CT扫描验证了这些实验结果。我们制作了塑料混合元件，以便在混合后可以去掉。我们在钢管中支持这些混合元件，以承受混合器内的压力。我们将两条流送入混合器，等待材料硬化，然后进行CT扫描。
扫描结果显示，在混合器的开头，材料呈现分离状态，随着混合过程的进行，材料变得越来越均匀。最终，我们得到了非常均匀的材料，这与我们的实验观察非常一致。
在大约12个混合元件的情况下，我们得到了很好的材料均匀性。这些建模和实验背景帮助我们优化混合元件的数量。
另一个挑战是，是否可以将其扩展到粗集料，这将使真正的混凝土打印成为可能。我们扩大了管道和混合元件的直径，并使用8毫米的集料，依然保持两条独立流的原则，将其带入静态混合器中，进行层的挤出。
最终结果显示了良好的粗集料分布。我们在两条流中使用了不同类型的粗集料，以便进行良好的区分。系统非常有效，基于波特兰水泥的系统和石灰石基系统的组合。
我们有其他变化和可能的混合物，最终的混合物需要找到方法将其分割成可泵送和保持较长开放时间的混合物。
基于石灰石的材料加上可重新分散的聚合物和/或硼酸钙硫酸盐水泥，我们也可以使用碱激活系统。在这一部分，A流是钙硫酸盐水泥，B流是以石灰石填料为基础的载体，里面含有碱激活剂。当两者结合时，会产生一种非常新鲜的碱激活材料，反应非常快速。
这里展示了渗透抗力的测量，这是材料强度和刚度发展的一个指标。我们可以看到双管系统在强度发展方面的曲线与常规加速剂的对比。在我们的系统中，正常加速剂的剂量为3%，而商业产品的加速剂剂量需要达到10%才能与双管系统相当。
我们还可以完全自动化整个过程，系统可以编程，在某个时刻停止打印，然后在稍后的阶段重新开始打印。这项技术使得打印复杂形状（如扭曲的椭球体和大悬垂结构）成为可能。
我们进行了两项具体的规模演示。第一项是快速打印的柱子，虽然不是3米，但也是2.7米，高度具有复杂的扭曲形状。第二项是拱形打印，类似于中世纪大教堂的窗户。我们在YouTube频道上有许多相关视频和照片，接下来我将快速展示这两个案例的简短剪辑。
首先是柱子打印，打印机开始打印复杂形状，灵感来源于巴塞罗那的圣家堂。整个柱子在9到10分钟内完成打印。
第二个案例是拱形打印，机器人打印机的喷嘴由两条泵送管道供料。我们现在看到的静态混合器和喷嘴正在打印，先打印右侧部分，然后是左侧，最后填补间隙。
最后一个例子是我们打印的拓扑优化桥梁。一个学生小组致力于拓扑优化，后续的演讲中可能会有进一步的详细信息。我在这里不详细解释，基本上是确定材料最有用的地方，以及在哪里打印，在哪里不打印。
这座拓扑优化桥梁是通过双管泵送系统打印的，两个半部分是垂直打印的，虽然视频加速了，但实际速度稍慢。最后将这两个打印的部分装配在一起，形成了最终的桥梁。
我们的双管泵送技术是专利技术，可以在专利文献中找到。总结来说，我们开发了一种新的3D混凝土打印方法，称为双管泵送，基于两条独立流和静态混合器中的化学激活。它结合了易于泵送和极快的硬化速率，能够实现高施工速率和良好的形状稳定性。我们的记录时间是在9分钟内打印3米高的柱子，并且可以扩展到更大的集料尺寸以及更可持续的碱激活材料。我们欢迎您的反馈或问题，谢谢大家的关注！
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