CN108356955B - 一种实验用水泥基材料3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实验用水泥基材料3D打印机，包括：打印喷头，控制打印喷头运动的打印机器人，与喷头连接输送水泥基3D打印材料的泵送‑挤出系统，泵送‑挤出系统将水泥基3D打印材料通过打印喷头连续挤出，打印机器人控制打印喷头按照程序设定的轨迹运动，使3D打印材料能够连结堆叠成所需形状。与现有技术相比，本发明可用以测试3D打印建筑材料的打印工作性能，可打印适当尺寸的建筑构件用于3D打印结构的测试。

Description

一种实验用水泥基材料3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印建筑技术领域，尤其是涉及一种实验用水泥基材料3D打印机及打印方法。

背景技术

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，通过逐层叠加打印材料来构造物体的增材制造技术，借助成熟的CAD工具，3D打印技术可以将设计与制造环节紧密结合起来，从而能为设计者提供更加灵活、方便、快捷和智能的制造方案。3D打印制造技术作为一种快速发展的新兴技术，由于不受模板、时间和空间的限制，以及可节省劳动力，降低耗材和生产制造成本的优势，在机械设计、制造与加工、电子、汽车、航空航天、服装等各个领域已凸显出了巨大的发展应用前景。

目前，用于3D打印的材料以塑料和金属粉末为主，由于水泥基材料具有良好的可塑性以及较高的强度，也可作为3D打印材料，因此3D打印技术也开始尝试应用于建筑领域。凭借无模板和快速成型的技术优势，3D打印建筑技术可使建筑物的造型更加灵活，建设效率更高，建造成本更低。3D打印建筑技术作为多学科交叉的综合性应用技术，尚处于研究探索阶段，关于3D打印建筑技术的设备、材料以及打印成型方法等都有待深入的研究和完善。与塑料或金属材料的成型方式不同，水泥基材料不需要加热和冷却，但需要经过搅拌和泵送。因此，适用于水泥基材料的3D打印机在构造上和功能上与使用塑料或金属粉末的3D打印机不同。目前，3D打印建筑技术尚处于研究探索阶段，现有的3D打印建筑设备一般为龙门吊式，其结构尺寸较大，移动安装程序复杂，打印喷头直径大，每次打印所消耗的材料较多，清洗维护也较麻烦，并不适合用来测试3D打印建筑材料配比、打印路径规划等试验次数较多且试验结果不可预知的情况。针对实验使用的3D打印建筑设备要求尺寸合适、工作稳定、造价合理、操作简单以及清洗维护方便，但目前现有的3D打印建筑设备主要用来打印建筑结构模型或建筑构件，并不适合3D打印建筑材料的配制以及打印成型方法研究的试验。

为了实现3D打印建筑技术从实验研究到实际应用的过渡，积累3D打印建筑材料研制以及打印成型方法设计的经验，促进3D打印建筑技术的研究与发展，迫切需适用于实验研究的水泥基材料3D打印机及其打印成型方法，从而为3D打印建筑材料的研发、测试，打印设备体系的完善以及对打印建筑构件成型方法的改进提供理论依据。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实验用建筑3D打印机，可以进行水泥基材料3D打印试验，用以研究3D打印水泥基材料的配比，测试材料的打印性能以及打印构件的成型方法，将3D打印水泥基材料的研制与应用环节紧密连接起来，为3D打印水泥基材料、设备以及相关打印方法的研究进行技术储备和验证。该设备布局紧凑，占用空间小，适用性强，所需功率小，结构简单可靠，工作性能稳定，维护成本低，且易于操作和清洗，可用以测试3D打印建筑材料的打印工作性能，可打印适当尺寸的建筑构件用于3D打印结构的测试。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种实验用水泥基材料3D打印机，包括：

打印喷头，

控制打印喷头运动的打印机器人，

与喷头连接输送水泥基3D打印材料的泵送-挤出系统，

所述泵送-挤出系统将水泥基3D打印材料通过打印喷头连续挤出，所述打印机器人控制打印喷头按照程序设定的轨迹运动，使3D打印材料能够连结堆叠成所需形状。

所述打印机器人包括一个机架和控制打印喷头XYZ方向移动的动平台。

打印机器人机架为正三棱柱或六棱柱状焊接槽钢框架，其尺寸根据现场空间以及打印尺寸要求设计，机架立柱上安装直线导轨滑台模组，机架顶部安装泵送设备、状态警示灯，底部安装打印载物平台，机架底座安装万向脚轮。

优选的，直线导轨滑台模组三台，包括丝杆螺母、步进电机、滑板、限位开关、管线拖链，中心对称竖直布置于机架立柱，通过角码托架和机架立柱上的定位孔安装。

优选的，打印平台，包括平台找平托架和与满足打印尺寸以及承重要求的打印托板。

优选的，万向脚轮包括万向轮和可调橡胶阻尼地脚。

打印动平台，包括动平台托板、连接支架、连接动平台下放喷头系零件与喷头上方阀系零件的法兰、控制喷头旋转的步进电机及传动件。

所述打印动平台通过平行四边形连杆机构与机架相连，所述连杆机构包括固定在直线导轨滑台模组滑板上的连杆支架，两根平行并联杆及其两端的虎克铰，以及另一端固定在动平台上的琴键形支架组成。

优选的，万向节轴承或球轴承用作杆端虎克铰，以提供四边形连杆两个转动方向的自由度。

所述控制喷头旋转的步进电机及传动装置，采用齿轮或带传动方式，随动平台运动同步控制喷头的旋转角，使喷头方向始终与打印方向保持一致，以保证喷头出料的截面形状的一致性。

所述打印材料的泵送-挤出系统，包括水泥注浆机、输料管、气动三通阀、盛料器、喷头组成。

优选的，水泥注浆机包括功率合适的定转矩直流电动机，合适减速比的减速器，料斗，螺旋送料杆以及螺杆泵，通过控制箱控制电机转速可调，控制注料速度和打印速度。水泥注浆机作为泵送设备安装在打印机器人机架顶部，通过输料管与动平台上的阀门和喷头连接。

优选的，输料管采用耐压耐磨的快装接头软管。

优选的，气动三通阀包括电磁阀，气动执行器、T型三通球阀、限位开关。所述一进两出三通阀，进口连接输料管，出口分别连接喷头和盛料器。气源通过导管与气动执行器连接，通过电磁阀控制气动执行器改变球阀阀芯位置，以实现物料出口的切换。

所述喷头包括旋转接头，喷嘴以及可以安装在喷嘴上的组件，旋转接头为喷嘴提供了360度轴向旋转自由度。不同形状、尺寸的喷嘴可以互换，通过快装接头与旋转接头相连，喷嘴上可以安装切料板和刮板等组件。喷头通过动平台上的法兰与动平台和三通阀连接。

3D打印机通过计算机和单片机实现上下位机控制，控制柜包括电源、单片机、电机驱动器以及相关电路，放置在控制柜上的计算机与单片机采用USB连接线进行通讯。

本发明还提供一种水泥基材料的3D打印方法，包括以下步骤：

(1)接通打印机电源，将控制柜下位机数据线与便携式计算机USB接口连接，启动上位机控制软件，点击Z轴回零按钮，检查三组直线导轨滑台步进电机及限位开关功能是否正常。使用上位机加载设计好的打印轨迹程序，点击开始打印，检查打印喷头运动轨迹是否正常。

(2)接通空压机电源，达到工作压力后打开输出阀门，为阀门等气动组件提供气源。

(3)在水泥注浆机的料斗内加少量清水，启动注浆机，通水润湿整个输送管道，直至料斗及输送管内的水完全排尽。

(4)将搅拌均匀的水泥基打印材料加入到注浆机的料斗内，再次启动搅拌泵，调整泵速，使打印材料通过输送管道后能从打印喷头均匀、连续挤出，切换气动阀，切断喷头的出料，余料经另一出口输入盛料器。

(5)再次通过上位机软件启动打印程序，打印机执行程序命令，待打印喷头移动到第一层高度打印初始位置时，切换气动阀，使打印材料从打印喷头挤出。根据打印程序指令，打印喷头首先按照打印结构底座外围的测试轨迹运动，在此过程中匹配打印喷头运动速度和打印材料的泵送挤出速度。完成外围一圈测试轨迹后，打印机开始进行结构第一层的打印。打印过程中应能保证注浆机料斗内的材料持续供应，直至整个打印构件打印完成。

(6)打印命名执行完毕后，切换气动阀，切断喷头的出料，余料输入盛料器或接入软管排出，直至注浆机料斗内余料排尽，向料斗中加入清水，增大泵速，疏通、清洗整个输送管道。

(7)拆卸输料管，用高压水枪清洗三通阀门和喷头，清洗完成后加少量润滑油润滑注浆机螺杆泵的转子以及三通球阀阀芯。

(8)清洗工作完成后，使用上位机控制打印平台回零位，断开上下位机通讯，关闭3D打印机电源，结束打印工作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明作为水泥基材料3D打印测试设备，面向实验与科研，填补了3D打印建筑从理论论证到实际施工阶段之间的空白。不同的3D打印水泥基材料、打印成型方法以及打印结构本身都可以通过该3D打印机在实验室得以测试、验证和分析。对打印材料性能的改进、打印方法和结构的设计甚至3D打印建筑的思路创新都有重要的参考价值。

二、本发明采用并联机器人构型，相对于传统龙门式布局，提高了打印机整体的有效载荷/质量比，显著控制了效应器的质量惯性，提高打印喷头灵活性的同时降低了整机的功率、成本以及加工和安装难度。

三、本发明打印机采用水泥基材料作为打印测试材料，满足水泥基材料作为3D打印材料对泵送、挤出、打印、堆积等各项性能的要求，对其在3D打印领域的研究和实验具有非常强的实用意义。本发明充分考虑到3D打印水泥基材料黏聚性较强、自流性较差、凝结硬化快且含有砂石集料等特点，在泵送装置的选择与布置、输送管路设计、接头选用和喷头设计等方面根据实验和计算进行了改进、优化，最大限度地避免材料堵塞情况的发生，同时方便整个设备的清洗和维护。

四、本发明采用模块化的设计思路，通用性和扩展性强。可根据测试材料的不同，设计不同的打印思路和方法；可使用不同形状、尺寸的喷头，改变打印的形状，效果和效率；可以根据不同打印路径规划，改变打印结构的性能，节理；可以在喷嘴上安装组件，对打印材料表面进行处理。设备平台改进空间大，功能丰富。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为连接机架滑台的结构示意图；

图5为动平台的并联机构的结构示意图；

图6为泵送-挤出系统的结构示意图；

图7为泵送-挤出系统的结构示意图。

图中，1-机架、2-管线盖板、3-直线导轨滑台模组、4-水泥注浆机控制箱、5-水泥注浆机、6-并联杆滑台端支架、7-管线拖链安装板、8-万向节联轴器、9-平行并联连杆、10-状态警示灯、11-输料管、12-限位开关安装板、13-水泥注浆机安装支架、14-3D打印机控制柜、15-效应器动平台总成、16-打印载物平台、17-万向脚轮、18-动平台、21-气动三通阀、22-喷头旋转控制电机、23-动平台管系零件安装法兰、24-琴键形并联杆动平台端连接支架、25-动平台机架、26-旋转接头、27-从动传动齿轮、28-轴承座、29-主动传动齿轮、30-联轴器、31-齿轮安装支架、32-喷头、33-快装接头、34-集料器、35-快装弯接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

一种实验用水泥基材料3D打印机，其结构如图1-3所示，包括打印喷头，控制打印喷头运动的打印机器人，与喷头连接输送水泥基3D打印材料的泵送-挤出系统。泵送-挤出系统将水泥基3D打印材料通过打印喷头连续挤出，所述打印机器人控制打印喷头按照程序设定的轨迹运动，使3D打印材料能够连结堆叠成所需形状。

打印机器人包括机架1及控制打印喷头在XYZ三个方向上移动的动平台。机架1包括框架，在框架立柱上安装的三组直线导轨滑台模组及管线盖板2，在机架的顶部安装泵送设备、状态警示灯10，在机架的底部安装打印载物平台16，机架底座安装万向脚轮17。直线导轨滑台模组包括丝杆螺母、步进电机、滑板、限位开关、管线拖链，中心对称竖直布置于机架立柱，通过角码托架和机架立柱上的定位孔安装，限位开关机管线拖链分别经限位开关安装板12以及管线拖链安装板7进行安装。

打印机器人通过下位机传输的控制信号通过线缆传送给各个被控单元，其中，直线导轨滑台模组3通过平行连杆机构控制的动平台18在打印空间根据程序轨迹XYZ方向运动；动平台上挤出系统控制单元包括气动三通阀21，喷头旋转控制电机22等，连接动平台上的接线端子，通过拖链内布置的线缆接受控制柜下位机和操作界面的控制信号。

泵送-挤出系统中，水泥注浆机5作为材料泵送装置布置在打印机器人顶部，并且设有水泥注浆机安装支架13。水泥注浆机5利用势能增加输料效果，减小输料软管长度、降低沿程压力损失并节约布置空间。水泥注浆机5可通过水泥注浆机控制箱4独立控制，也可以通过3D打印机控制柜14进行闭环控制，通过调节注浆机螺杆泵转子转速，使喷头出料速度与动平台移动速度匹配。水泥注浆机5出料口与效应器动平台总成15通过输料管11相连，打印材料经输料管输送至动平台端管系零件入口，最终经喷头输出打印材料32。

参考图4、5，并联杆滑台端支架6安装在直线导轨滑台模组3的滑板上，平行并联杆9的一端通过万向节联轴器8与其连接，另一端连接固定在动平台18上的琴键形并联杆动平台端连接支架24，每一组平行四连杆机构限制了动平台18一个方向转动的自由度，使动平台18在3组直线导轨滑台模组3的控制下在打印空间内沿XYZ方向平动，形成喷头32的打印运动轨迹。

如图6、7所示，在打印动平台安装有必要的零件和设备，实现控制喷头的旋转，打印材料输出的切断，以及打印材料的表面处理等功能。气动三通阀21通过接头与旋转接头26安装布置在动平台管系零件安装法兰23的两侧，一进两出气动三通阀21入口与输料管连通，两出口别通过快装弯接头35连接集料器34以及快装接头33连接喷头32。其作用保证切断喷头材料输出时输料管内材料压力不出现大幅波动。琴键形并联杆动平台端连接支架24设置在动平台机架25上，旋转接头26与从动传动齿轮27固连安装，喷头旋转控制电机22通过联轴器30与主动传动齿轮29连接，主动传动齿轮29另一端与在齿轮安装支架31上的轴承座28装配。喷头32被设计成统一快装接头与不同形状3D打印喷嘴的装配体，以便更换不同尺寸、形状的喷嘴，在喷头上可安装喷嘴末端的相关组件，如安装切料器模组对断料截面进行处理，安装可控刮板对打印侧表面进行处理。

控制系统采取上下位机控制模式。通过计算机对下位机控制程序进行编写和烧录，进行打印成品的设计建模和路径规划，并通过上位机软件向下位机发送控制指令，下位机控制3D打印机的打印机器人和泵送-挤出系统。下位机安装在3D打印机控制柜14中，在打印工作过程中需要通过USB连接线与3D打印机控制柜上的计算机连接通讯。3D打印机控制柜14上设计有其他按钮和指示灯，辅助上位机软件对3D打印机进行人工控制。

本发明实例作为一种水泥基材料3D打印实验测试设备，具有以下优点：

1、在设计时充分考虑到使用环境的空间、操作人员等限制，注重机器的整体性，布局紧凑，合理利用了并联结构自动平台上极限位置以上的空间，减小占地面积的同时，将泵送设备与打印机器人集成一体，便于整个打印机在非工作状态下的移动。

2、结合水泥基3D打印材料的特点，本发明实例涉及到的泵送——挤出系统中各零件设备，具备内壁光滑，过渡无阶梯，密封性好，安装拆卸方便快速，便于清洗和维护等特点，能够有效降低打印实验的工作量，提高打印材料的输送时间和实验的成功率。

3、本发明实例所采用的并联式打印机器人构型，三组直线导轨滑台模组共同承担效应器平台负载，避免了传统串联机器人的负载累积和误差累积，具有功效高，总功率小，动态特性好，有效载荷/质量比高等优点，降低了整机质量和成本。

4、本发明实例所采用的控制方案，技术成熟，可靠性强，可应用和开发种类丰富的软硬件，以便于3D打印机功能的拓展和优化。

5、本发明实例采用带有橡胶阻尼隔振垫脚轮，在非工作状态方便设备的移动，在工作状态，施放阻尼隔振垫，能有效避免整机在打印过程中的振动，以避免对打印效果产生不利影响

6、本发明实例采用的喷头，喷嘴部分采用3D打印树脂成型加工，便于制造，可以设计，加工和使用各种形状、尺寸的喷嘴加装通用接头相互替换，喷头上还留有接口以便于安装喷嘴端功能组件。

7、本发明实例中喷嘴旋转方向可控，能够使用非各向同性喷嘴，避免打印方向改变对堆积效果的影响。

8、本发明实例中采用三通阀控制打印材料的输出和切断，相比于切断阀，能够在实现通断功能的同时，保证输料管中材料压力不发生较大波动，能够保证打印材料挤出的均匀性，并避免管内压力升高造成材料性能发生变化和输料管路的阻塞。

9、本发明实例所选注浆机，根据与打印速度区间匹配的排量区间换装了合适的行星减速器，采用直流定转矩电机以保证在不同转速下较为稳定的输出，采用螺杆泵对打印材料进行泵送，保证了材料输送的均匀稳定，并能够提供足够的输送压力。打印机可通过检测打印喷头运动速度对注浆机进行自动化闭环控制，此外注浆机还有独立的手动控制柜，便于操作人员观察材料输送情况对其进行手动控制。

10、本发明实例中采用的打印载物平台以及直线导轨滑台均设计有微调装置，可在动平台加装传感器进行打印机器人的自调平或手动调平，提高打印喷头的定位精度，以保证打印效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种实验用水泥基材料3D打印机，其特征在于，该打印机包括：

打印喷头，

控制打印喷头运动的打印机器人，

与喷头连接输送水泥基3D打印材料的泵送-挤出系统，

所述泵送-挤出系统将水泥基3D打印材料通过打印喷头连续挤出，所述打印机器人控制打印喷头按照程序设定的轨迹运动，使3D打印材料能够连结堆叠成所需形状，

所述打印机器人包括机架及控制打印喷头在XYZ三个方向上移动的动平台，所述动平台通过平行四边形连杆机构与机架相连，所述连杆机构包括固定在直线导轨滑台模组滑板上的连杆支架，两根平行并联杆及设置在并联杆两端的虎克铰，以及一端固定在动平台上的琴键形支架；

所述机架包括框架，在框架立柱上安装直线导轨滑台模组，在机架的顶部安装泵送设备、状态警示灯，在机架的底部安装打印载物平台，机架底座安装万向脚轮；

所述直线导轨滑台模组设有数组，呈中心对称竖直布置在所述框架的立柱上，包括丝杆螺母、步进电机、滑板、限位开关、管线拖链，

所述打印载物平台包括平台找平托架和满足打印尺寸及承重要求的打印托板；

所述动平台包括动平台托板、连接支架、连接动平台下方喷头系零件与喷头上方阀系零件的法兰、控制喷头旋转的步进电机及传动件；

所述泵送-挤出系统包括水泥注浆机、输料管、气动三通阀、盛料器、喷头；

所述水泥注浆机包括定转矩直流电动机、减速器、料斗、螺旋送料杆以及螺杆泵，通过控制箱控制电动机转速、注料速度及打印速度，所述水泥注浆机作为泵送设备安装在机架顶部，通过输料管与喷头及动平台上的阀门连接，

所述气动三通阀包括电磁阀，气动执行器、T型三通球阀、限位开关，所述T型三通球阀的进口连接输料管，出口分别连接喷头和盛料器，气源通过导管与气动执行器连接，通过电磁阀控制气动执行器改变球阀阀芯位置，以实现物料出口的切换，

所述喷头包括旋转接头，喷嘴以及安装在喷嘴上的组件，喷头通过动平台上的法兰与动平台和三通阀连接，

所述喷嘴上安装有切料板和刮板组件；

所述输料管采用耐压耐磨的快装接头软管；

所述打印喷头经步进电机及传动装置控制旋转，所述传动装置采用齿轮或带传动方式，随动平台运动同步控制喷头的旋转角，使喷头方向始终与打印方向保持一致，以保证喷头出料的截面形状的一致性。

2.根据权利要求1所述的一种实验用水泥基材料3D打印机，其特征在于，所述虎克铰为万向节轴承或球轴承，提供四边形连杆两个转动方向的自由度。

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