基于混凝土的3D打印機(jī)

郝誠

摘要：隨著社會的發(fā)展，在現(xiàn)如今的建筑行業(yè)，用量最大并且最經(jīng)濟(jì)的建筑材料要屬混凝土了。但是隨著工程建設(shè)發(fā)展的不斷加快，混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用方面的高污染、高浪費(fèi)的弊端也逐漸顯露出來，并且嚴(yán)重阻礙了混凝土的發(fā)展。因此，為了滿足綠色生產(chǎn)發(fā)展的要求，基于混凝土的3D打印技術(shù)逐漸進(jìn)入了人們的視野，混凝土3D打印機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。本文將以3D打印技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，從打印機(jī)的工作特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、硬件、軟件等方面全面介紹一款自主研發(fā)的初級混凝土3D打印機(jī)。

關(guān)鍵詞：混凝土；3D打印；綠色

一、混凝土3D打印機(jī)的工作流程

3D打印混凝土技術(shù)是一種新型應(yīng)用技術(shù)，它將商品混凝土行業(yè)的技術(shù)與3D打印技術(shù)巧妙地結(jié)在一起。他的主要原理是將混凝土產(chǎn)品利用SolidWorks或者inventor等計算機(jī)建模軟件進(jìn)行3D建模，再將模型導(dǎo)入切片軟件Cura進(jìn)行模型切片，然后將配制好的混凝土凈漿通過擠料裝置，按照切片軟件所生成的程序，通過步進(jìn)電機(jī)控制，由噴嘴擠出進(jìn)行打印，最后得到混凝土產(chǎn)品。混凝土3D打印技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，由于他的可塑性較高，在打印過程中的無需任何模具或者支撐，屬于一種新型的混凝土無模成型技術(shù)。因此，在混凝土成型的過程中節(jié)省了大量的混凝土材料和混凝土殘渣，從而達(dá)到了綠色環(huán)保的效果，做到了符合綠色工業(yè)發(fā)展的綠色生產(chǎn)。

二、混凝土3D打印機(jī)的組成

（一）混凝土3D打印機(jī)的框架結(jié)構(gòu)

由于本次實(shí)驗(yàn)的混凝土3D打印機(jī)還處于試驗(yàn)階段，只用于打印一些較為簡單的混凝土產(chǎn)品，所以為其設(shè)計的尺寸較小，故整體打印機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計放棄了以往龍門式結(jié)構(gòu)的想法而采用的尺寸較小的臺式框架結(jié)構(gòu)，且打印空間設(shè)置為150mm*150mm*200mm。從混凝土3D打印機(jī)的控制結(jié)構(gòu)上看，混凝土打印機(jī)由上位機(jī)和底層控制兩部分組成，其中上位機(jī)一般是筆記本電腦（控制端），主要運(yùn)行一些切片軟件、三維建模軟件、打印控制軟件和操作界面等。底層控制主要是由一些硬件構(gòu)成，以協(xié)助上機(jī)位完成一系列的打印操作。

（二）混凝土3D打印機(jī)的硬件部分

硬件的主要功能是配合主機(jī)（計算機(jī)）完成打印過程的執(zhí)行。混凝土3D打印機(jī)的硬件部分主要分布在打印機(jī)的底層控制部分，主要有限位開關(guān)、主板、電機(jī)驅(qū)動器、嵌入式微控制器、功率不等的步進(jìn)電機(jī)（由于z軸方向承載著載物臺的運(yùn)動，且混凝土材質(zhì)質(zhì)量較大，所以z軸方向應(yīng)選擇相對于x軸，y軸功率較大的步進(jìn)電機(jī)）、載物臺等。混凝土3D打印機(jī)所需要的所有不同的硬件都連接在控制器主板上，并主板再連接到微控制器上。

（三）混凝土3D打印機(jī)的軟件部分

混凝土3D打印機(jī)所需要的軟件配置和普通的PLA材料打印機(jī)基本相同，主要有建模軟件SolidWorks、切片軟件Cura和打印控制軟件。SolidWorks的作用是建立混凝土產(chǎn)品模型，由于要滿足切片軟件Cura的適應(yīng)性，在混凝土建模方面，建模軟件以SolidWorks為主。若以Inventor建模，則需要在Cura里將尺寸參數(shù)擴(kuò)大十倍。Cura的作用是將模型（stl文件模型）進(jìn)行切片處理，并自動生成G代碼。故Cura軟件的自動編程節(jié)省了大量時間。生成的G代碼可以通過數(shù)據(jù)線直接傳輸?shù)酱蛴C(jī)上，也可以通過U盤或內(nèi)存卡人工載入到打印機(jī)。打印控制軟件的主要功能是控制整個打印機(jī)的運(yùn)動和打印過程。其控制內(nèi)容主要有原點(diǎn)坐標(biāo)初始化、打印速度設(shè)置、文件的傳送、串口狀態(tài)的顯示、打印的開始和暫停等。

三、混凝土3D打印機(jī)的運(yùn)動分析

混凝土3D打印機(jī)在運(yùn)動方面的靈感來源于笛卡爾坐標(biāo)系，即它的打印運(yùn)動分為x軸，y軸，z軸三個方向。每個方向都配備以較高精度的步進(jìn)電機(jī)，甚至還可以使打印機(jī)的精度達(dá)到 0.1 mm左右。其中z軸方向主要控制載物臺的上下運(yùn)動，它由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動高精度的絲桿完成，即將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過絲桿轉(zhuǎn)化為z軸方向上的直線運(yùn)動，精度極高。x軸和y軸方向主要完成混凝土噴頭的平面運(yùn)動，它由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動相應(yīng)的皮帶輪帶動同步帶來完成。所有的小型步進(jìn)電機(jī)都通過數(shù)據(jù)線連接到打印機(jī)的PLC板上，我們可以通過對PLC板的編程從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而控制打印機(jī)x軸，y軸，z軸三個方向的運(yùn)動。

四、混凝土3D打印機(jī)的噴頭設(shè)計

混凝土3D打印機(jī)的噴頭由60ml注射器、連接裝置、螺母、滾子軸承、絲桿和步進(jìn)電機(jī)組成。由于本次設(shè)計的混凝土打印機(jī)的尺寸較小，故打印機(jī)的儲料裝置和出料裝置被設(shè)計為一體，都由60ml注射器完成。噴頭的擠料過程由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲桿完成。螺母作為擠料運(yùn)動的過渡體通過粘合劑與注射器的推桿相固定，并且配合在絲桿上。絲桿頭部通過齒輪與步進(jìn)電機(jī)相配合。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動會帶動絲桿的旋轉(zhuǎn)，從而通過螺母帶動注射器推桿的上下移動，進(jìn)而達(dá)到注射器出料的目的。由于混凝土具有凝固的特性，因此外界條件的改變都會引起混凝土的凝固，比如含水量、溫度等。由于本次打印機(jī)的噴嘴出料方式采用的是擠壓式出料，因此隨著注射器內(nèi)混凝土的減少和水分的流失會使后期的出料變得艱難，故注射器內(nèi)的混凝土只能擠出三分之二，這使得混凝土打印機(jī)的效率降低了不少。除此之外，混凝土的裝載需要手動進(jìn)行，這使得裝載混凝土?xí)r不得不暫停打印機(jī)的打印，這也使得混凝土打印機(jī)的效率降低不少。

三、總結(jié)本次混凝土3D打印機(jī)的設(shè)計是在借鑒PLA材料打印機(jī)相關(guān)設(shè)計的基礎(chǔ)上通過團(tuán)隊(duì)的后期創(chuàng)新而完成的。不管是打印材料混凝土的選用還是綠色生產(chǎn)的宗旨都是一次偉大的創(chuàng)新。盡管產(chǎn)品的設(shè)計還存在著不足，但是我相信后期的改進(jìn)一定會彌補(bǔ)現(xiàn)在的缺陷。

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