CN108908928A - 采用热熔水泥的大型3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用热熔水泥的大型3D打印机，包括：垂直支撑和垂直运动装置，包括垂直立柱、旋转平台和垂直驱动组件；水平支撑悬臂和极径运动装置，包括水平支撑悬臂和极径驱动组件；打印头装置，包括具有热熔功能的打印头和供料组件。通过旋转平台驱动的水平支撑悬臂的旋转(极角方向)运动、打印头沿水平悬臂(极径方向)的径向运动、与垂直运动装置的上下(Z向)运动实现三维运动；供料组件用于输送热熔水泥打印材料至打印头，打印头将热熔水泥热熔并挤压至打印喷嘴，完成打印工艺。该3D打印机结构轻便，安装简单、运输方便，可安装在建筑塔吊上或直接安装在现有建筑上，不但可用于车间的打印作业，也可直接应用于建筑现场的打印建造。

Description

采用热熔水泥的大型3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印和建筑建造技术领域，具体涉及一种多关节机器臂(SCARA)构造形式、采用热熔水泥的大型3D打印机。

背景技术

随着3D打印技术的发展，3D打印机已经可实现打印建筑模型、建筑浮雕、雕像和其他中小型新颖个性建筑。

现有的3D打印机主要采用石膏、ABS塑料、蜡、尼龙等以丝状供料打印，材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与底下的材料凝结。上述材料打印出的产品用于观赏或存储等作用，不能作为实用的建筑。

本发明公布的一种采用热熔水泥材料、具有类似多关节机器臂(SCARA)结构形式和极坐标体系、可用于打印实体建筑的大型3D打印机。该打印机由四大组件构成，包括：垂直支撑和垂直运动装置、水平支撑悬臂和极径向运动装置、打印头装置和控制箱。垂直支撑和垂直运动装置，包括垂直立柱、旋转平台和垂直驱动组件；水平支撑悬臂和极径驱动装置，包括水平悬臂和极径驱动组件；打印头装置，包括具有热熔功能的打印头和供料组件；控制箱，包括单片机主板，若干伺服电机控制器和步进电机控制器、交直流电源以及其它传感器和温度计的接线端子和线路。SCARA结构形式通过旋转平台和打印悬臂的活动与垂直运动装置实现三维打印运动；供料组件用于输送打印材料至打印头，打印头将热熔水泥热熔并挤压至打印喷嘴，完成打印工艺。该打印机结构轻便，安装简单、运输方便，可安装在建筑施工塔上或直接安装在现有建筑上，不但可用于车间的打印作业，也可直接应用于建筑现场的打印建造。

基于现有打印机设备本身结构及大小、水泥的输送和快速凝固等技术难点，现有技术中还没有出现可采用热熔水泥打印实用大型建筑的3D打印机。

发明内容

本申请提供一种采用热熔水泥打印大型实用建筑的3D打印机。

一种实施例中提供一种采用热熔水泥的大型3D打印机，包括：

垂直支撑和垂直运动装置，包括垂直立柱、旋转平台、机座和垂直驱动组件，所述垂直立柱安装在所述旋转平台上，所述旋转平台安装在所述机座内部，所述垂直驱动组件安装在所述垂直立柱内部，所述旋转平台安装在所述机座内部。

水平支撑悬臂和极径驱动装置，包括水平支撑悬臂和极径驱动组件，所述水平悬臂的一端可拆卸地安装在所述垂直立柱的垂直驱动组件的滑块上，所述垂直驱动组件用于驱动所述水平悬臂上下移动；所述极径驱动组件安装在所述水平悬臂内部；

打印头装置，包括具有热熔挤出和给料功能的打印头和供料组件，所述打印头可拆卸地安装在所述水平悬臂的滑块上，所述极径驱动组件与所述打印头滑块连接，用于驱动所述打印头沿所述水平悬臂做极径运动；所述供料组件包括冷料装置和热料装置，所述冷料装置安装在所述垂直立柱的上端，位置高于所述热料装置；所述热料装置安装在所述打印头的上端。

进一步地，热料装置下部设置有一对物料检测传感器，用于检测所述热料装置内材料的多少。

进一步地，水平悬臂包括基础悬臂和延长悬臂，所述基础悬臂的一端可拆卸地安装在所述垂直立柱的垂直驱动组件的滑块上，所述延长悬臂可拆卸地安装在所述基础悬臂的另一端。

进一步地，打印头包括罐体、电加热组件、推料螺杆、推料电机和打印喷嘴。所述罐体内有内筒，所述罐体的侧壁上端设有热料口，所述推料螺杆安装于内筒内；所述电加热组件由电热线圈和热敏电阻组成，安装于所述罐体和内筒的夹层之间；所述推料电机安装在所述罐体的上端，与所述推料螺杆连接；所述打印喷嘴安装于所述罐体的下部，与所述罐体内筒连接；所述热料螺杆由所述推料电机驱动旋转将热熔水泥快速融化并挤压出打印喷嘴。

进一步地，冷料装置包括冷料斗、冷料电机、冷料管和冷料阀门，所述冷料斗安装在所述垂直立柱的上部，所述冷料阀门安装在所述冷料斗的下端并连接冷料管，所述冷料电机安装在冷料阀门的侧面。

进一步地，冷料管采用伸缩管。

进一步地，热料装置包括热料斗和热料管，所述热料斗安装在所述推料电机的上端，所述热料斗通过所述热料管与罐体的热料口连接。

进一步地，还包括控制箱，所述控制箱安装于所述打印悬臂位于垂直立柱的一端，所述控制箱与所述旋转平台、竖直驱动组件、极径驱动组件、打印头装置信号连接，用于控制整个设备装置的打印。

依据上述实施例的采用热熔水泥的大型3D打印机，实现了一种采用热熔水泥材料、SCARA结构形式，通过旋转平台和水平悬臂的活动与垂直运动装置实现三维打印运动；供料组件用于输送打印材料至打印头，打印头将树脂水泥热熔并挤压至打印喷嘴，完成打印工艺。该打印机结构轻便，安装简单、运输方便，可安装在建筑施工塔上或直接安装在现有建筑上，不但可用于车间的打印作业，也可直接应用于建筑现场的打印建造，实现了大型建筑的打印。

附图说明

图1为一种实施例中大型3D打印机的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例提供了一种大型3D打印机，本大型3D打印机可采用水泥打印大型建筑和各种建筑构件、模型和雕塑。

如图1所示，本实施例的大型3D打印机主要包括垂直支撑和垂直运动装置1、水平支撑悬臂和极径驱动装置2和打印头装置3。水平支撑悬臂和极径驱动装置2安装在垂直支撑和垂直运动装置1的滑块上，打印头装置3安装在水平支撑悬臂和极径驱动装置2上。

垂直支撑和垂直运动装置1，包括旋转平台11、垂直立柱12、机座13和垂直驱动组件(图中未示出)，垂直立柱12安装在旋转平台11上，旋转平台11安装在垂直立柱12底部的机座13内，机座13底部有多个地脚螺孔，机座13可通过这些地脚螺孔固定在地面，也可通过这些地脚螺孔固定在建筑塔吊上。垂直驱动组件安装在垂直立柱12内部，用于驱动水平悬臂21上下移动；旋转平台11安装在机座13内部，

具体的，垂直立柱12由高强度铝合金型材或轻质型钢条拼接制作，为整个设备的垂直支撑部件，同时为水平环形(极角方向)旋转部，立柱的底部有法兰盘，与其旋转平台11的顶部的法兰盘联接。旋转平台11内安装有电机、齿轮和其他传动装置，驱动垂直立柱12旋转。垂直驱动组件包括导轨、滑块、滚珠丝杆和电机等组件，导轨垂直安装在垂直立柱12上，滑块安装在导轨上，滚珠丝杆和电机安装在垂直立柱12上。

水平支撑悬臂和极径驱动装置2包括水平悬臂21和极径驱动组件(图中未示出)，本实施例中，水平悬臂21包括基础悬臂和延长悬臂，基础悬臂和延长悬臂由高强度铝合金制作若干个钢条拼接而成。基础悬臂通过活动关节可竖直移动的安装在垂直立柱12的垂直驱动组件的滑块上，从而垂直驱动组件可驱动基础悬臂上下移动。延长悬臂的一端可拆卸的安装在基础悬臂远离垂直立柱12的一端，即基础悬臂和延长悬臂串联安装组成水平悬臂。水平极径驱动组件包括电机、同步传送带、滑轨和滑块等部件，安装在水平悬臂上。

在其他实施例中，根据使用需要，水平悬臂21也可延长至两个或三个悬臂，并且均为可拆卸安装，以增加打印悬臂的长度，增加打印的范围。

打印头装置3包括打印头31和供料组件32。打印头31和供料组件32的部分安装在水平悬臂的侧面，并且打印头31位于下端，供料组件32的部分位于上端。供料组件32与打印头31连接，供料组件32用于将热料斗提供的热熔水泥原料推入到打印头31的内筒内。

打印头31用于加热并熔化热熔水泥及将热熔的水泥挤出打印喷嘴进行打印，打印头31包括罐体311、推料电机312、推料螺杆313、电加热组件314和打印喷嘴315，罐体311安装在水平悬臂上，罐体311的内筒上端侧面设有的热料口(进料口)，下端设有出料口，推料电机312安装在罐体311上，其推料螺杆插入到罐体311的内筒内，推料螺杆313安装在推料电机312的输出轴上，并位于罐体311内，推料螺杆313上带有螺旋的叶片，螺旋叶片的间距朝下递减设置，通过螺旋的叶片将热熔水泥向下推送。电加热组件314由电热线圈和热敏电阻组成，安装在罐体311与隔热层的的夹层内，电加热组件314用于对罐体311内的热熔水泥进行加热使之融化。打印喷嘴315安装于罐体311的下部，与罐体311的内筒连接。

供料组件32包括冷料装置和热料装置。冷料装置包括：冷料斗321、冷料管322、冷料电机323和冷料阀门324。冷料斗321安装在垂直立柱12的顶端，冷料电机323安装在垂直立柱12上部，冷料管322安装在冷料斗321的下端，冷料阀门324安装在冷料斗321的下部并连接冷料斗321和冷料管322，冷料电机323安装在冷料阀门324的侧面。热料装置包括热料斗325和热料管326，热料斗325安装在打印头31的上端，通过热料管326与罐体311的进料口连接。冷料斗321的水平位置高度高于热料斗325，冷料斗321比热料斗325大，冷料斗321用于储备大量的物料，热料斗325作为中间过渡料斗，将冷料斗321中的物料分批次导入到打印头31内。热料斗下部设置有物料检测传感器，所述物料检测传感器的检测信号用于驱动冷料电机旋转控制冷料的给料量。冷料管322采用伸缩管，可随水平悬臂装置上下移动。

本实施例的热料斗325上也安装有一对物料检测传感器，分别检测料斗内物料的上位和下位。

本实施例的水平悬臂的另一端安装有控制箱4，控制箱4分别与旋转平台11、垂直驱动组件、极径驱动组件、打印头装置上的所有电机和物料检测传感器、位置传感器信号连接，控制箱4控制驱动旋转平台11的旋转做极角向运动，控制水平悬臂升降移动，控制水平极径驱动组件驱动打印头31和热料斗等组件水平径向移动，控制加料及打印。

当热料斗325内的物料使用完毕，热料斗325下端的物料检测传感器将触发信号传送给控制箱4的控制主板，控制打印头31暂停打印，并记录此刻的打印位置，控制箱4控制极径驱动组件驱动打印头31和热料斗325移动至冷料斗321的下方，热料斗325与冷料斗321下端的冷料管322对齐，控制箱4控制冷料电机323打开冷料阀门324给热料斗325加料，待料加满后，热料斗325上端的物料检测传感器将触发信号传送给控制箱4，控制箱4控制电机关闭冷料阀门324，再控制极径驱动组件驱动打印头31和热料斗325移动至记录的初始位置继续打印。

本实施例的供料组件32分为安装在不同位置的两个料斗，将大容量的冷料斗321安装在垂直立柱12上，通过控制热料斗的水平径向移动进行分批次填料，降低了打印悬臂的承重，使得打印悬臂能够快速精确地移动，提高了打印效率和精度。

本实施例中，垂直支撑和垂直运动装置1还包括建筑塔吊单元14，建筑塔吊单元14由若干个单元塔块层叠拼接而成，而单元塔块由钢条拼接而成。建筑塔吊单元14用于安装在地面上，或者同时固定在建筑的本体上。机座13安装在建筑塔吊单元14上，建筑塔吊单元14可通过调节单元塔块的数量使旋转平台11随建筑建造的高度而升高。旋转平台11可拆卸的安装，使得垂直支撑和垂直运动装置1、水平支撑悬臂和极径驱动装置2和打印头装置3可整体拆除，便于运输。

在其他实施例中，机座13也可直接安装在现有建筑上，依托现有的建筑实现打印。

以上应用就具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种采用热熔水泥的大型3D打印机，其特征在于，包括：

垂直支撑和垂直运动装置，包括垂直立柱、旋转平台、机座和垂直驱动组件，所述垂直立柱安装在所述旋转平台上，所述旋转平台安装在所述机座内部，所述垂直驱动组件安装在所述垂直立柱内部，所述旋转平台安装在所述机座内部。

水平支撑悬臂和极径驱动装置，包括水平支撑悬臂和极径驱动组件，所述水平悬臂的一端可拆卸地安装在所述垂直立柱的垂直驱动组件的滑块上，所述垂直驱动组件用于驱动所述水平悬臂上下移动；所述极径驱动组件安装在所述水平悬臂内部；

打印头装置，包括具有热熔挤出和给料功能的打印头和供料组件，所述打印头可拆卸地安装在所述水平悬臂的滑块上，所述极径驱动组件与所述打印头滑块连接，用于驱动所述打印头沿所述水平悬臂做极径运动；所述供料组件包括冷料装置和热料装置，所述冷料装置安装在所述垂直立柱的上端，位置高于所述热料装置；所述热料装置安装在所述打印头的上端。

2.如权利要求1所述的大型3D打印机，其特征在于，所述热料装置下部设置有一对物料检测传感器，用于检测所述热料装置内材料的多少。

3.如权利要求1所述的大型3D打印机，其特征在于，所述水平悬臂包括基础悬臂和延长悬臂，所述基础悬臂的一端可拆卸地安装在所述垂直立柱的垂直驱动组件的滑块上，所述延长悬臂可拆卸地安装在所述基础悬臂的另一端。

4.如权利要求1所述的大型3D打印机，其特征在于，所述打印头包括罐体、电加热组件、推料螺杆、推料电机和打印喷嘴。所述罐体内有内筒，所述罐体的侧壁上端设有热料口，所述推料螺杆安装于内筒内；所述电加热组件由电热线圈和热敏电阻组成，安装于所述罐体和内筒的夹层之间；所述推料电机安装在所述罐体的上端，与所述推料螺杆连接；所述打印喷嘴安装于所述罐体的下部，与所述罐体内筒连接；所述热料螺杆由所述推料电机驱动旋转将热熔水泥快速融化并挤压出打印喷嘴。

5.如权利要求4所述的大型3D打印机，其特征在于，所述冷料装置包括冷料斗、冷料电机、冷料管和冷料阀门，所述冷料斗安装在所述垂直立柱的上部，所述冷料阀门安装在所述冷料斗的下端并连接冷料管，所述冷料电机安装在冷料阀门的侧面。

6.如权利要求5所述的大型3D打印机，其特征在于，所述冷料管采用伸缩管。

7.如权利要求4所述的大型3D打印机，其特征在于，所述热料装置包括热料斗和热料管，所述热料斗安装在所述推料电机的上端，所述热料斗通过所述热料管与罐体的热料口连接。

8.如权利要求1所述的大型3D打印机，其特征在于，还包括控制箱，所述控制箱安装于所述打印悬臂位于垂直立柱的一端，所述控制箱与所述旋转平台、竖直驱动组件、极径驱动组件、打印头装置信号连接，用于控制整个设备装置的打印。