CN104908325A - 基于uv光固化工艺的建筑打印成型方法 - Google Patents

Abstract

一种采用泵送与螺杆挤出混凝土等材料输送方式以及UV光固化树脂喷射成型表面进行快速固化相结合的方法来建造建筑物的三维打印成型方法。其步骤是：根据预打印的建筑物建立三维实体模型，针对其易出现变形的部位，重新生成带UV光固化树脂喷射信息模型；对新模型进行切片分层，获取每层实体部分和光固化壳体部分的加工信息；在打印每层过程中，根据加工信息使用对应材料逐层堆积而打印成型；打印完成后去除UV光固化树脂壳体及支撑，从而得到具有复杂结构的建筑物，也可以根据实际情况，不去除UV光固化树脂壳体，以保持建筑物的光滑表面；本发明方法适用于复杂结构的建筑物的打印成型，在景观雕塑、小型建筑、假山等成型领域有着广泛的应用前景。

Description

基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法

技术领域

本发明涉及一种建筑物三维打印领域，具体涉及用泵送与螺杆挤出混凝土等材料输送方式以及UV光固化树脂喷射成型表面进行快速固化相结合的方法来建造建筑物的三维打印领域。

背景技术

建筑打印(也称建筑三维打印、三维建筑打印、建筑3D打印、3D打印建筑等等，由于目前没有统一的名称，以下统一用建筑打印)是采用3D打印技术制作大型物体(包括城市雕塑、景观建筑、功能建筑等)的一种3D打印成型方法，该方法是集成了计算机、自动化、机械、电子、材料等多学科为一体的先进制造技术。

建筑打印的一般流程是：借助3D设计软件系统(如Pro-Engineer、3DS Max、APM、天正、ArchiCAD、Revit等)设计出的数字化建筑结构，采用混凝土或石膏等建筑类材料，通过大型建筑打印装备，利用三维打印技术快速、自动、精确建造出大型、结构复杂的城市雕塑或功能完备且兼顾审美艺术的实体建筑。

不同于其它如光固化打印工艺(SLA)、融丝沉积成型工艺(FDM)等传统三维打印方法的固化或凝结速度快的优势，建筑打印由于采用的成型材料一般为改性的混凝土或石膏等建筑类材料，其成型速度较慢、成型初期强度较弱，在建筑打印过程中易出现分层、变形、坍塌等现象。有时为减弱诸如此类现象的发生，要采取降低打印速度，或者采取人工介入的办法，造成打印效率低、自动化程度低等问题。因此，如何提高打印速度、精度和自动化程度是建筑打印中的一个关键性问题。

发明内容

发明的目的：克服现有建筑打印技术或方法存在的技术缺陷，提供一种在建筑材料表面形成UV树脂光固化壳体，以减轻建筑材料固化或凝结变形的三维打印成型方法。

技术方案：一种基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法，其步骤如下:

1)根据预打印的建筑物建立其三维CAD实体模型，针对其易出现变形的部位，生成相应的UV光固化树脂喷射信息(即光固化树脂壳体的结构信息)；

2)对含有光固化树脂壳体的三维CAD实体模型进行切片分层，获取每层的实体部分和光固化壳体部分的加工信息(包括结构信息、材料信息和成型参数等)；

3)在打印每层过程中，实体部分(即建筑物本体)的结构采用建筑类材料成型，光固化树脂壳体部分(即起加固作用的光固化树脂壳体)的结构采用UV光固化树脂类材料成型，如此逐层堆积而打印成型；

4)打印完成后去除UV光固化树脂壳体，从而得到具有复杂结构的建筑物；也可以根据实际情况，不去除UV光固化树脂壳体，以保持建筑物的光滑表面。

本发明涉及两种喷头：喷射建筑材料的打印喷头和喷射UV光固化树脂的打印喷头；打印每层的过程中，如是打印实体部分，喷射建筑材料的打印喷头将工作，该喷头采用泵送与螺杆挤出建筑材料输送方式，计算机控制喷射建筑材料的打印喷头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料，该类建筑成型材料中含有快速固化反应成份，使其能快速达到初凝状态，以保持一定的形状及强度；如是打印光固化壳体部分，UV光固化树脂的打印喷头将工作，计算机即通过控制喷头喷射UV光固化树脂至工作表面，随即被UV光源迅速固化而形成具有一定强度的硬层。

本发明所述的UV光固化成型方法与采用UV光固化成型的传统三维印刷工艺(3DP)不同。UV光固化成型的3DP工艺是打印喷头喷射微量的UV光固化材料至打印平台上，随即被UV光源快速固化形成薄薄的固化层，该工艺制作的零件或模型一般采用两种材料：一种是零件或模型的实体材料，另一种是支撑实体部位的支撑材料，材料一般为类树脂或类液态塑料。而本发明的UV光固化成型是在打印出的混凝土或其它建筑材料的表面形成一固化薄层，以减弱建筑材料在固化或凝结过程中的变形。喷洒UV光固化树脂的喷头安装在建筑材料打印喷头附近,视建筑打印过程的具体情况，UV光固化树脂喷射喷头可以随建筑材料打印喷头一起运动或者由另外的机械装置如机械臂等进行控制实现配合性运动；与UV光固化树脂相匹配的UV光源亦安装在建筑材料打印喷头附近或者与UV光固化树脂喷射喷头一起安装在另外的机械装置如机械臂等上面,以实现UV树脂的快速固化；待UV光固化树脂喷射至成型材料表面处时,UV光源在计算机控制下随即发出高强度UV光束对其进行快速固化,在喷射表面形成具有一定强度的壳体。

本发明所述的UV光固化成型所涉及的光固化树脂，对波长100～450nm的光较为敏感，尤其是300-400nm的紫外光更为敏感；其主要组分包括齐聚物、活性单体、光引发剂、着色剂及其它助剂，其中亦可含有胶体或纳米颗粒等填料，如硅石、有机物、金属或合金；其在室温下的粘度是1～10000cps，在工作温度(一般为20～80℃)下粘度为100～5000cps。

本发明所述的UV固化光源为中心波长在300～450nm范围的紫外光源，可以是LED点光源或点光源阵列、LED线光源或线光源阵列、LED面光源或面光源阵列、高压或超高压汞灯；或者由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯的两种或多种光源组合而成的组合型光源。

本发明所述的喷射UV光固化树脂的打印喷头采用数字微喷雾化方式，计算机控制打印喷头的开关进行有选择性的喷射；打印头喷射端距离成型表面的距离一般为1～100cm，必要时可根据实际成型情况进行距离的调整；喷头数量一般为1～10个，可以根据实际情况需要，适当增减喷头数量；打印喷头内或者树脂容器内安装有温度控制器，或者采用其它加温方法以保证UV光固化树脂在成型过程中保持一定的温度和粘度，具体温度范围视UV光固化树脂材料和工况而定，一般为20～80℃，优选为25～60℃。

有益效果：①在建筑CAD模型设计阶段，就针对易变形部位设计与其匹配的UV光固化树脂壳体结构；在打印过程中，采用UV光固化树脂逐层打印出支撑易变形部位的壳体，以降低易变形部位的变形量。②UV光固化树脂的成型采取非接触式喷射方式，使得建筑物体的易变形部位表面形成一层光滑的保护层，在打印完成后，待实体建筑材料达到其足够的强度时便可以拆除，后处理过程较为简单，且保证建筑物表面光洁度较高。

本发明方法尤其适用于复杂结构的建筑物的打印成型，在景观雕塑、小型建筑、假山等此类的建筑物成型领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1所示的是采用UV光固化工艺制作建筑物的3D打印成型方法示意图；

图2所示的是UV光固化树脂喷头和UV光源由机械臂进行控制的示意图；

图3所示的是采用UV光固化工艺制作建筑物过程中的垂直支撑添加方法示意图；

图4所示的是采用UV光固化工艺制作建筑物过程中的网格支撑添加方法示意图；

图5所示的是采用UV光固化工艺制作建筑物过程中的优化支撑添加方法示意图。

以上的图中包括计算机1，打印的建筑物2，UV光固化树脂壳体3，喷头安装架4，建筑材料喷头5，建筑材料6，UV光固化树脂材料喷头7，UV光固化树脂材料8，UV光源9，机械臂10，打印的垂直型支撑11，打印的网格型支撑12，打印的优化型支撑13。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1：以打印图示中的1为例，采用两种打印喷头：分别为建筑材料喷头5和UV光固化树脂材料喷头7，建筑材料喷头5内含有的建筑材料6为混凝土、石膏等建筑类材料，UV光固化树脂材料喷头7内含有的UV光固化树脂材料8为液态树脂、油墨或液态塑料等UV光固化类材料。建筑材料喷头5安装在喷头安装架4上，随其一起在计算机1的控制下做设定的X、Y、Z向运动，UV光固化树脂材料喷头7可以安装在喷头安装架4上，也可以安装在由计算机1控制的机械臂上(见图2)。喷头安装架4作为成型设备的运动部件之一则在计算机的控制下，根据计算机设定的成型信息逐层完成3D打印的运动。

采用UV树脂光固化工艺制作建筑物的具体过程如下：

根据预打印的建筑物2建立其三维CAD实体模型，针对其易变形(如悬挑)部位，生成相应的支撑结构，即UV光固化树脂壳体3；对包含UV光固化树脂壳体结构的三维CAD实体模型进行切片(可以采取等层厚切片或变层厚切片，具体情况视建筑物的设计要求、强度、成型精度、制作成本、制作时间等因素而定)，得到一系列的切片分层，获取每层的实体部分(即建筑物本体)和支撑部分(即UV光固化树脂壳体)的结构信息和加工信息；在打印过程中，喷头5在计算机1的控制下精确地挤出建筑成型材料6，建筑成型材料内含有的速凝剂或固化剂在较短时间内使得刚挤出的建筑成型材料6具有一定强度；对于有悬挑部位的成型时，由于刚挤出的建筑材料6自凝结或自固化时间较长，初期时自身的强度较弱，如果无相应的滑模等支撑物，刚挤出的建筑材料易变形，此时，UV光固化树脂材料喷头7将开始工作，在计算机1的控制下，UV光固化树脂材料喷头7喷射UV光固化树脂8至易变形部位形成一层较薄的液态树脂，随之计算机1控制UV光源9照射该层液态树脂使其快速固化形成一层与已有建筑物2有一定结合强度的树脂固化壳体。如此层层打印，在易变形部位即形成了能够支撑建筑物的UV光固化树脂壳体。

在打印成型过程中，UV光固化树脂喷射及其固化过程的控制，以及起到支撑作用的UV光固化树脂壳体的结构可根据具体情况进行灵活选择，以下4个实施例展示了几种不同方式。

实施例1：

图2所示的是UV光固化树脂喷头7和UV光源9安装在机械臂10上，由计算机1控制该机械臂9实现各种设定的运动。该种方法的优点是与建筑材料喷头4的运动控制分开，利用机械臂控制灵活的优势达到整个打印过程的更加柔性化，同时节省打印时间、提高打印质量和效率。

实施例2：

图3所示的支撑添加方式为最为简单的一种，打印出的垂直型支撑11结构简单，此类支撑易于去除。但此类支撑强度较弱，不适于较重的易变形部位的支撑。

实施例3：

图4所示的支撑添加方式为网格型支撑12的结构形式和添加方法，此类支撑强度较好，但支撑打印时间较长，浪费UV光固化树脂材料现象比较严重。

实施4：

图5所示的支撑添加方式为优化型支撑13的结构形式和添加方法，此类支撑的添加方法是根据建筑物和易变形部位的结构，以及建筑材料和UV光固化树脂壳体的力学性能和物理性能等因素，进行综合分析与优化后生成的。该方法以使用最少支撑材料产生足够的支撑强度为依据而进行设计的。该方法具有支撑材料使用量最少、支撑拆除容易、支撑打印时间较短的优势。

以上仅是根据实体材料为混凝土材料和支撑材料为UV光固化树脂为例，阐述该发明的实施过程。如果采用其它建筑类材料作为建筑物实体材料或者其它UV光固化材料作为支撑材料，实施过程与上述实施方法类似，可做适当变更。

Claims (9)

1.一种基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法，其特征在于,步骤如下：

1)根据预打印的建筑物建立其三维CAD实体模型，针对其易出现变形的部位,生成相应的UV光固化树脂喷射信息,之后对其进行切片分层，获取每层的实体结构信息和光固化壳体部分的加工信息；

2)建筑物的打印过程采取泵送和螺杆方式挤出成型材料、逐层堆积而打印成型；

3)每层成型过程中,对于建筑物的悬挑部位或易变形部位,采用UV光固化树脂喷射至上述部位表面的方式迅速使其定型；

4)打印完成后再进行简单后处理，从而得到具有一定复杂形状结构的建筑物。

2.根据权利要求1所述的基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法，其特征在于：步骤2)中打印过程是计算机控制打印喷头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料；在成型建筑物的悬挑部位或易变形部位时,针对该部位所涉及的每一层成型材料,当喷头挤出该层成型材料时，通过喷洒UV光固化剂至该层成型材料易变形处的外表面进行快速固化反应，形成具有一定强度和厚度的实体层片。

3.根据权利要求1和2所述的基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法，其特征在于：步骤3)中喷洒UV光固化树脂的喷头安装在建筑材料打印喷头附近,同建筑材料打印喷头保持一定距离。

4.根据权利要求1和2所述的基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法，其特征在于：步骤3)中增加与UV光固化树脂相匹配的UV光源亦安装在建筑材料打印喷头附近；待UV光固化树脂喷射至成型材料表面处时,UV光源在计算机控制下随即发出高强度UV光束对其进行快速固化,在喷射表面形成具有一定强度的壳体。

5.根据权利要求1、2、3任一所述的基于UV光固化工艺的建筑打印，其特征在于,UV光固化树脂特征如下：

1)对波长100～450nm的光较为敏感光固化树脂对；

2)光固化树脂的组分包括齐聚物、活性单体、光引发剂、着色剂及其它助剂；

3)光固化树脂中含有胶体或纳米颗粒等填料，如硅石、有机物、金属或合金；

4)光固化树脂在室温下的粘度是1～10000cps，尤其是在工作温度下的100～5000cps更适合喷射成型。

6.根据权利要求1、2、3任一所述的基于UV光固化工艺的建筑打印，其特征在于,光固化树脂要求其对光的敏感度范围为300-400nm的紫外光。

7.根据权利要求4所述的基于UV光固化工艺的建筑打印，其特征在于,UV固化光源的特征在于：

1)中心波长在300～450nm范围的LED点光源或点光源阵列；或

2)中心波长在300～450nm范围的LED线光源或线光源阵列；或

3)中心波长在300～450nm范围的LED面光源或面光源阵列；或

4)中心波长在300～450nm范围的高压或超高压汞灯；或

5)中心波长在300～450nm范围的由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯的两种或多种光源组合而成的组合型光源。

8.根据权利要求根据权利要求1和2所述的基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法，其特征在于：步骤3)中打印喷头采用数字微喷雾化方式，计算机控制打印喷头的开关进行有选择性的喷射；喷头数量为1～10个；打印喷头内或者树脂容器内安装有温度控制器，温度范围为20～80℃，优选为25～60℃。

9.根据权利要求根据权利要求8所述的基于UV光固化工艺的建筑打印成型方法，其特征在于，材料喷射方式为非接触式，打印头喷射端距离成型表面的距离为1～100cm。