CN109500977A - 一种桌面式水泥基材料3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桌面式水泥基材料3D打印机，包括主框架、移动系统、挤料系统和控制系统；移动系统包括x轴移动机构、y轴移动机构和z轴移动机构；x轴移动机构安装于主框架上，y轴移动机构安装于x轴移动机构上，z轴移动机构安装于y轴移动机构上，挤料系统安装于z轴移动机构上，控制系统安装在主框架上。本打印机依据笛卡尔空间直角坐标系原理，采用单一打印喷头，同时配合x轴移动机构、y轴移动机构和z轴移动机构，能实现打印喷头精确、稳定地空间移动，实现打印模型的高精度打印和快速打印，在水泥基材料性能研究、建筑小品模型制作等方面具有良好的应用前景。

Description

一种桌面式水泥基材料3D打印机

技术领域

本发明属于3D打印机械装备技术领域，具体是一种桌面式水泥基材料3D打印机。

背景技术

近年来，随着我国传统建筑行业的快速发展，资源消耗大、高污染，安全质量管控难度大，人员成本大，施工条件差、效率低和建筑寿命短等都涉及到传统制造业的产业转型和技术创新问题。智能建造技术是解决传统建筑业诸多问题的主要手段之一，其优点在于快速、灵活、自动、节能地实现建筑物建造。由于智能建造技术与传统建造技术所应用的工程材料，在混合料性能等方面诸多问题的存在，当前尚无成熟的机械设备用于探究智能建造技术在工程材料方面的制备研究。

3D打印技术作为智能建造技术的其中之一，包括诸多方面前沿技术知识，是具有高科技含量的制造技术，已经在生物医疗、航天航空、模具制造、电子信息制造、汽车制造等领域获得广泛应用。用于3D打印技术的工程材料可打印性能探索是实现智能建造技术的基础。3D打印技术的最大优点是可以实现模型的可控制性和可复制性，适合于重复性的实验研究。

随着当前建筑级3D技术的快速发展，适用于3D打印技术的水泥基材料对其流动性、挤出性、建造性、收缩性、凝结时间和早期强度等方面具有非常严格的要求，如何科学严谨地测试水泥基材料相关性能指标成为建筑级3D打印技术在材料研究方面的瓶颈之一。目前已经报道的绝大多数混凝土3D打印机均为大型的或者工程用的设备。而混凝土3D打印技术的重要一个环节，则为3D打印材料的研发。为此，研发一种可用于3D打印技术的水泥基材料试验研究同时又可兼顾打印建筑小品的桌面式3D打印机可极大的减小实验测试所需的空间，便于对材料可打印性能的测试和评估。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种桌面式水泥基材料3D打印机。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于该打印机包括主框架、移动系统、挤料系统和控制系统；所述移动系统和控制系统安装在主框架上，挤料系统安装在移动系统上；

所述移动系统包括x轴移动机构、y轴移动机构和z轴移动机构；所述x轴移动机构安装于主框架上，y轴移动机构安装于x轴移动机构上，z轴移动机构安装于y轴移动机构上，挤料系统安装于z轴移动机构上；

所述挤料系统包括挤料步进电机、联轴器、轴承支座、搅龙轴、盛料筒、打印喷头、挤料系统滑板和挤料系统支撑板；所述挤料系统支撑板安装于z轴移动机构的z轴啮合滑块和z轴丝杠滑块上；所述挤料系统滑板固定于挤料系统支撑板上；所述挤料步进电机设置在挤料系统滑板上，其输出端通过联轴器与搅龙轴连接；轴承支座固定于挤料系统滑板上，用于通过轴承定位联轴器；所述盛料筒固定于挤料系统滑板上；所述打印喷头密封连接于盛料筒末端；所述搅龙轴的末端放置于盛料筒内。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)依据笛卡尔空间直角坐标系原理，采用单一打印喷头，同时配合x轴移动机构、y轴移动机构和z轴移动机构实现打印喷头精确、稳定地空间移动，实现打印模型的高精度打印和快速打印。

(2)挤料系统由步进电机联动搅龙轴实现精确挤料过程，在打印的过程中可以根据拟打印模型的几何结构，灵活地控制挤料步进电机的开关，实现建筑3D打印的精细化控制。

(3)控制面板输入三维数字模型并形成数字信号通过导线传入控制电箱，控制电箱控制电信号的输出完成对相应步进电机的精确控制；控制电箱在遇紧急情况可独立关停本打印机。

(4)本打印机可联合其他大型打印机共同实现结构部件的加工成型。

(5)移动系统中安装有感应器，保证移动系统运行的安全可靠性。

(6)打印喷头处设置有压力传感器，用于感应水泥基材料在挤出过程中压力变化。打印喷头具有多种直径类型，可依据要求选用适当的打印喷头。

(7)本打印机可以顺利实现水泥基材料3D打印，且精度高、速度快，具有较强的实验性、实用性和可操作性。该打印机以实验研究为主，同时具有可打印小型建筑小品等应用，能够实现水泥基材料的可打印性能的研究，减小实验测试所需的空间，具有较强的实用价值。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构轴测示意图。

图2为本发明一种实施例的主框架轴测示意图。

图3为本发明一种实施例的移动系统轴测示意图。

图4为本发明一种实施例的x轴移动机构轴测示意图。

图5为本发明一种实施例的y轴移动机构轴测示意图。

图6为本发明一种实施例的z轴移动机构轴测示意图。

图7为本发明一种实施例的挤料系统轴测示意图。

图8为本发明一种实施例的控制系统安装示意图。

图中：1.主框架，2.移动系统，3.挤料系统，4.控制系统，5.工具箱；

11.立杆，12.长横梁，13.脚轮，14.短横梁，15.滚轮，16.支撑板，17.斜横梁；

21.x轴移动机构，22.y轴移动机构，23.z轴移动机构；

2101.x轴步进电机，2102.x轴传动带，2103.x轴同步带动轮，2104.x轴导轨，2105.x轴丝杠，2106.x轴连接板，2107.x轴丝杠固定轴承，2108.x轴啮合滑块，2109.x轴拖链，2110.x轴丝杠滑块，2111.x轴感应器；

2201.立板，2202.y轴丝杠固定轴承，2203.y轴丝杠滑块，2204.y轴感应器，2205.y轴导轨，2206.y轴同步带动轮，2207.y轴传动带，2208.y轴步进电机，2209.y轴拖链，2210.y轴丝杠，2211.y轴啮合滑块，2212.y轴支撑板；

2301.z轴同步带动轮，2302.z轴导轨，2303.z轴丝杠，2304.z轴啮合滑块，2305.z轴丝杠滑块，2306.z轴丝杠固定轴承，2307.z轴感应器，2308.z轴支撑板，2309.z轴步进电机，2310.z轴传动带；

31.挤料步进电机，32.联轴器，33.轴承支座，34.搅龙轴，35.盛料筒，36.打印喷头，37.挤料系统滑板，38.挤料系统支撑板；

41.控制电箱，411.电源指示灯，412.紧急停止按钮，413.手动运行启动按钮，414.手动运行暂停按钮；42.控制面板；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种桌面式水泥基材料3D打印机(简称打印机，参见图1-8)，其特征在于该打印机包括主框架1、移动系统2、挤料系统3和控制系统4；主框架1为主体支撑结构；所述移动系统2和控制系统4安装在主框架1上，挤料系统3安装在移动系统2上；

所述移动系统2包括x轴移动机构21、y轴移动机构22和z轴移动机构23；所述x轴移动机构21安装于主框架1上，y轴移动机构22安装于x轴移动机构21上，z轴移动机构23安装于y轴移动机构22上，挤料系统3安装于z轴移动机构23上，在控制系统4的驱动下通过相互作用实现打印喷头36的空间移动；

所述主框架1包括立杆11、长横梁12、脚轮13、短横梁14、滚轮15、支撑板16和斜横梁17；四根立杆11的底部均安装有一个脚轮13，通过脚轮13放置在地面上；立杆11分成上、中、下三层，每一层均通过长横梁12和短横梁14配合安装固定；立杆11的上层等距离设置有滚轮15；在滚轮15上方布置支撑板16，支撑板16上方为打印区域，用以放置和承载所打印的模型；中层用于加强主框架1的稳定性；下层一端布置有斜横梁17，斜横梁17、长横梁12和短横梁14共同承载控制电箱41，下层另一端布置有工具箱5；

所述x轴移动机构21包括x轴步进电机2101、x轴传动带2102、x轴同步带动轮2103、x轴导轨2104、x轴丝杠2105、x轴连接板2106、x轴丝杠固定轴承2107、x轴啮合滑块2108、x轴拖链2109、x轴丝杠滑块2110和x轴感应器2111；两条x轴导轨2104分别固定于主框架1的立杆11上层的两条长横梁12上，x轴啮合滑块2108与x轴导轨2104啮合配合连接，x轴啮合滑块2108能够沿x轴导轨2104滑动；所述x轴丝杠2105的两端通过x轴丝杠固定轴承2107和轴承座安装于主框架1的立杆11上层的短横梁14上，末端安装有x轴同步带动轮2103，其上安装有x轴丝杠滑块2110；所述x轴步进电机2101固定于主框架1的立杆11上层的短横梁14上，其输出端通过x轴传动带2102与x轴同步带动轮2103连接，带动x轴丝杠2105转动；所述x轴连接板2106通过x轴丝杠滑块2110与x轴丝杠2105连接，x轴丝杠2105的转动带动x轴丝杠滑块2110沿x轴丝杠2105滑动；所述x轴拖链2109放置于主框架1的立杆11中层的长横梁12上，用于放置x轴步进电机2101和x轴感应器2111的导线；一条x轴导轨2104的两端安装有x轴感应器2111，用于监测运行中x轴移动机构21移动位置是否出界；

所述y轴移动机构22包括立板2201、y轴丝杠固定轴承2202、y轴丝杠滑块2203、y轴感应器2204、y轴导轨2205、y轴同步带动轮2206、y轴传动带2207、y轴步进电机2208、y轴拖链2209、y轴丝杠2210、y轴啮合滑块2211和y轴支撑板2212；两个立板2201分别安装于x轴移动机构21的两条x轴导轨2104的x轴啮合滑块2108上，一个立板2201的底部与x轴移动机构21的x轴连接板2106固定连接；所述y轴支撑板2212的两端分别固定于两个立板2201上；y轴导轨2205固定于y轴支撑板2212上，y轴啮合滑块2211与y轴导轨2205啮合配合连接，y轴啮合滑块2211能够沿y轴导轨2205滑动；所述y轴丝杠2210的两端通过y轴丝杠固定轴承2202和轴承座安装于y轴支撑板2212上，末端安装有y轴同步带动轮2206，其上安装有y轴丝杠滑块2203，y轴丝杠2210的转动带动y轴丝杠滑块2203沿y轴丝杠2210滑动；所述y轴步进电机2208固定于y轴支撑板2212上，其输出端通过y轴传动带2207与y轴同步带动轮2206连接，带动y轴丝杠2210转动；所述y轴拖链2209放置于y轴支撑板2212上，用于放置y轴感应器2204和y轴步进电机2208的导线；一条y轴导轨2205的两端安装有y轴感应器2204，用于监测运行中y轴移动机构22移动位置是否出界；

所述z轴移动机构23包括z轴同步带动轮2301、z轴导轨2302、z轴丝杠2303、z轴啮合滑块2304、z轴丝杠滑块2305、z轴丝杠固定轴承2306、z轴感应器2307、z轴支撑板2308、z轴步进电机2309和z轴传动带2310；所述z轴支撑板2308安装于y轴移动机构22的y轴丝杠滑块2203和y轴啮合滑块2211上；z轴导轨2302固定于z轴支撑板2308上，z轴啮合滑块2304与z轴导轨2302啮合配合连接，z轴啮合滑块2304能够沿z轴导轨2302滑动；所述z轴丝杠2303的两端通过z轴丝杠固定轴承2306和轴承座安装于z轴支撑板2308上，末端安装有z轴同步带动轮2301，其上安装有z轴丝杠滑块2305，z轴丝杠2303的转动带动z轴丝杠滑块2305沿z轴丝杠2303滑动；所述z轴步进电机2309固定于z轴支撑板2308上，其输出端通过z轴传动带2310与z轴同步带动轮2301连接，带动z轴丝杠2303转动；一条z轴导轨2302的两端安装有z轴感应器2307，用于监测运行中z轴移动机构23移动位置是否出界；

所述挤料系统3包括挤料步进电机31、联轴器32、轴承支座33、搅龙轴34、盛料筒35、打印喷头36、挤料系统滑板37和挤料系统支撑板38；所述挤料系统支撑板38安装于z轴移动机构23的z轴啮合滑块2304和z轴丝杠滑块2305上，带动挤料系统3沿z轴导轨2302移动，实现挤料系统3与移动系统2的连接；所述挤料系统滑板37通过螺栓固定于挤料系统支撑板38上；所述挤料步进电机31固定在挤料系统滑板37的承台中心，其输出端通过联轴器32与搅龙轴34连接，挤料步进电机31带动搅龙轴34转动；轴承支座33固定于挤料系统滑板37上，用于通过轴承定位联轴器32；所述盛料筒35固定于挤料系统滑板37上，用于水泥基材料的储存；盛料筒35下端呈45°夹角，使水泥基材料可以在自身的重力下进行流动有利于材料的输送；所述打印喷头36通过螺纹密封连接于盛料筒35末端；所述搅龙轴34的末端放置于盛料筒35内，实现水泥基材料的稳定挤出；

打印喷头36处设置有压力传感器，用于感应水泥基材料在挤出过程中压力变化。

所述控制系统4包括控制电箱41和控制面板42；控制面板42通过导线与控制电箱41连接；控制电箱41通过导线分别与挤料系统3的挤料步进电机31、x轴移动机构21的x轴步进电机2101和x轴感应器2111、y轴移动机构22的y轴感应器2204和y轴步进电机2208以及z轴移动机构23的z轴感应器2307和z轴步进电机2309连接；所述控制电箱41放置于主框架1的斜横梁17上；所述控制面板42用于输入将要打印的三维模型的数字信号和人工控制控制电箱41；

所述控制电箱41包括电源指示灯411、紧急停止按钮412、手动运行启动按钮413和手动运行暂停按钮414；电源指示灯411用于显示打印机是否通电；紧急停止按钮412用于紧急情况下控制移动系统2和挤料系统3对应电机暂停转动，实现断电确保安全目的；手动运行启动按钮413用于控制挤料步进电机31转动，实现初始打印状态或打印喷头36发生堵口等情况下水泥基材料手动控制挤出；手动运行暂停按钮414用于停止手动运行启动按钮413的功能。

该系统还包括工具箱5；所述工具箱5安装在主框架1的立杆11的下层，用于储放设备维修及实验工具；

立杆11、长横梁12、短横梁14和斜横梁17的长度比为3：5：1：1，共同形成装置的主体支撑结构。

本发明的工作原理和工作流程是：

将拌合好的水泥基材料送入盛料筒35中，并通过搅龙轴34将水泥基材料输送、加压后送至打印喷头36。x轴移动机构21、y轴移动机构22和z轴移动机构23的运动带动挤料系统3空间移动，经挤料步进电机31通过联轴器32带动搅龙轴34转动，实现水泥基材料从打印喷头36的挤出，控制面板42输入将要打印的三维模型的数字信号，以进行逐层打印。挤料系统3的打印喷头36在x轴移动机构21和y轴移动机构22的带动下实现水平打印，在z轴移动机构23的带动下沿z轴方向升降，以进行下一层打印。

在打印过程中，由x轴移动机构21、y轴移动机构22和z轴移动机构23的感应器分别采集x轴移动机构21、y轴移动机构22和z轴移动机构23的空间位置信息并传输至控制电箱41，以防移动超界；将操作信号或是三维模型的数字信号通过控制面板42输入至控制电箱41，控制电箱41实现对移动系统2和挤料系统3的各个步进电机的精确控制，进而实现打印过程的精细化控制。

本实施例中的移动系统2和挤料系统3均在控制系统4中相应的控制单元对其进行控制。而该控制单元采用的均是本领域常用的电控系统，属于现有技术。x轴感应器2111、y轴感应器2204和z轴感应器2307可采用市售商品。

所述z轴移动机构22还可以采用液压控制、伺服电机等方式来代替步进电机驱动方式。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于该打印机包括主框架、移动系统、挤料系统和控制系统；所述移动系统和控制系统安装在主框架上，挤料系统安装在移动系统上；

所述移动系统包括x轴移动机构、y轴移动机构和z轴移动机构；所述x轴移动机构安装于主框架上，y轴移动机构安装于x轴移动机构上，z轴移动机构安装于y轴移动机构上，挤料系统安装于z轴移动机构上；

所述挤料系统包括挤料步进电机、联轴器、轴承支座、搅龙轴、盛料筒、打印喷头、挤料系统滑板和挤料系统支撑板；所述挤料系统支撑板安装于z轴移动机构的z轴啮合滑块和z轴丝杠滑块上；所述挤料系统滑板固定于挤料系统支撑板上；所述挤料步进电机设置在挤料系统滑板上，其输出端通过联轴器与搅龙轴连接；轴承支座固定于挤料系统滑板上，用于通过轴承定位联轴器；所述盛料筒固定于挤料系统滑板上；所述打印喷头密封连接于盛料筒末端；所述搅龙轴的末端放置于盛料筒内。

2.根据权利要求1所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于所述主框架包括立杆、长横梁、脚轮、短横梁、滚轮、支撑板和斜横梁；四根立杆的底部均安装有一个脚轮，通过脚轮放置在地面上；立杆分成上、中、下三层，每一层均通过长横梁和短横梁安装固定；立杆的上层等距离设置有滚轮；在滚轮上方布置支撑板；下层一端布置有斜横梁。

3.根据权利要求2所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于立杆、长横梁、短横梁和斜横梁的长度比为3：5：1：1。

4.根据权利要求1所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于所述x轴移动机构包括x轴步进电机、x轴传动带、x轴同步带动轮、x轴导轨、x轴丝杠、x轴连接板、x轴丝杠固定轴承、x轴啮合滑块、x轴拖链、x轴丝杠滑块和x轴感应器；两条x轴导轨分别固定于主框架的立杆上层的两条长横梁上，x轴啮合滑块与x轴导轨配合连接；所述x轴丝杠的两端通过x轴丝杠固定轴承和轴承座安装于主框架的立杆上层的短横梁上，末端安装有x轴同步带动轮，其上安装有x轴丝杠滑块；所述x轴步进电机固定于主框架的立杆上层的短横梁上，其输出端通过x轴传动带与x轴同步带动轮连接；所述x轴连接板通过x轴丝杠滑块与x轴丝杠连接；所述x轴拖链放置于主框架的立杆中层的长横梁上；x轴导轨的两端安装有x轴感应器。

5.根据权利要求1所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于所述y轴移动机构包括立板、y轴丝杠固定轴承、y轴丝杠滑块、y轴感应器、y轴导轨、y轴同步带动轮、y轴传动带、y轴步进电机、y轴拖链、y轴丝杠、y轴啮合滑块和y轴支撑板；两个立板分别安装于x轴移动机构的两条x轴导轨的x轴啮合滑块上，一个立板的底部与x轴移动机构的x轴连接板固定连接；所述y轴支撑板的两端分别固定于两个立板上；y轴导轨固定于y轴支撑板上，y轴啮合滑块与y轴导轨配合连接；所述y轴丝杠的两端通过y轴丝杠固定轴承和轴承座安装于y轴支撑板上，末端安装有y轴同步带动轮，其上安装有y轴丝杠滑块；所述y轴步进电机固定于y轴支撑板上，其输出端通过y轴传动带与y轴同步带动轮连接；所述y轴拖链放置于y轴支撑板上；y轴导轨的两端安装有y轴感应器。

6.根据权利要求1所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于所述z轴移动机构包括z轴同步带动轮、z轴导轨、z轴丝杠、z轴啮合滑块、z轴丝杠滑块、z轴丝杠固定轴承、z轴感应器、z轴支撑板、z轴步进电机和z轴传动带；所述z轴支撑板安装于y轴移动机构的y轴丝杠滑块和y轴啮合滑块上；z轴导轨固定于z轴支撑板上，z轴啮合滑块与z轴导轨配合连接；所述z轴丝杠的两端通过z轴丝杠固定轴承和轴承座安装于z轴支撑板上，末端安装有z轴同步带动轮，其上安装有z轴丝杠滑块；所述z轴步进电机固定于z轴支撑板上，其输出端通过z轴传动带与z轴同步带动轮连接；z轴导轨的两端安装有z轴感应器。

7.根据权利要求1所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于所述控制系统包括控制电箱和控制面板；控制面板与控制电箱连接；控制电箱分别与挤料系统的挤料步进电机、x轴移动机构的x轴步进电机和x轴感应器、y轴移动机构的y轴感应器和y轴步进电机以及z轴移动机构的z轴感应器和z轴步进电机连接；所述控制电箱放置于主框架的斜横梁上。

8.根据权利要求7所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于所述控制电箱包括电源指示灯、紧急停止按钮、手动运行启动按钮和手动运行暂停按钮；电源指示灯用于显示打印机是否通电；紧急停止按钮用于紧急情况下控制移动系统和挤料系统对应电机暂停转动，实现断电确保安全目的；手动运行启动按钮用于控制挤料步进电机转动，实现初始打印状态或打印喷头发生堵口情况下水泥基材料手动控制挤出；手动运行暂停按钮用于停止手动运行启动按钮的功能。

9.根据权利要求1所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于该系统还包括工具箱；所述工具箱安装在主框架的立杆的下层。

10.根据权利要求1所述的桌面式水泥基材料3D打印机，其特征在于盛料筒下端呈45°夹角；打印喷头处设置有压力传感器。