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、高浪費的弊端也逐漸顯露出來，并且嚴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)逐漸進入了人們的視野，混凝土3D打印機也應(yīng)運而生。本文將以3D打印技術(shù)為出發(fā)點，從打印機的工作特點、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。

關(guān)鍵詞：混凝土；3D打??；綠色

一、混凝土3D打印機的工作流程

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等計算機建模軟件進行3D建模，再將模型導入切片軟件Cura進行模型切片，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，通過步進電機控制，由噴嘴擠出進行打印，最后得到混凝土產(chǎn)品。混凝土3D打印技術(shù)在實際生產(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打印機的組成

（一）混凝土3D打印機的框架結(jié)構(gòu)

由于本次實驗的混凝土3D打印機還處于試驗階段，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打印機的控制結(jié)構(gòu)上看，混凝土打印機由上位機和底層控制兩部分組成，其中上位機一般是筆記本電腦（控制端），主要運行一些切片軟件、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)助上機位完成一系列的打印操作。

（二）混凝土3D打印機的硬件部分

硬件的主要功能是配合主機（計算機）完成打印過程的執(zhí)行。混凝土3D打印機的硬件部分主要分布在打印機的底層控制部分，主要有限位開關(guān)、主板、電機驅(qū)動器、嵌入式微控制器、功率不等的步進電機（由于z軸方向承載著載物臺的運動，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軸功率較大的步進電機）、載物臺等?；炷?D打印機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打印機的軟件部分

混凝土3D打印機所需要的軟件配置和普通的PLA材料打印機基本相同，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)擴大十倍。Cura的作用是將模型（stl文件模型）進行切片處理，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上，也可以通過U盤或內(nèi)存卡人工載入到打印機。打印控制軟件的主要功能是控制整個打印機的運動和打印過程。其控制內(nèi)容主要有原點坐標初始化、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打印機的運動分析

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

四、混凝土3D打印機的噴頭設(shè)計

混凝土3D打印機的噴頭由60ml注射器、連接裝置、螺母、滾子軸承、絲桿和步進電機組成。由于本次設(shè)計的混凝土打印機的尺寸較小，故打印機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電機驅(qū)動絲桿完成。螺母作為擠料運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電機相配合。因此，步進電機的運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，進而達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的效率降低了不少。除此之外，混凝土的裝載需要手動進行，這使得裝載混凝土時不得不暫停打印機的打印，這也使得混凝土打印機的效率降低不少。

三、總結(jié)本次混凝土3D打印機的設(shè)計是在借鑒PLA材料打印機相關(guān)設(shè)計的基礎(chǔ)上通過團隊的后期創(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一定會彌補現(xiàn)在的缺陷。

參考文獻：

[1]崔萬瑞，李愈馨，李福坤，于航，姜合萍.3D打印機體系結(jié)構(gòu)研究[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2014，16：127128.

[2]曾妍，閆大鵬.基于直角坐標系3D打印的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].科技視界，2016，12：134.

[3]郭彥麟，張冬.3D高精度打印機的設(shè)計[J].信息化建設(shè)，2016，06：127.

[4]田韜毓，關(guān)忻.桌面級3D打印機的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017，04：240.