一種3D建筑打印機(jī)的設(shè)計(jì)研究*

李祥付，徐榮飛，田 輝，陳冠旭，竇世軒

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，已經(jīng)取得迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天、教育、醫(yī)療等諸多方面[1]。近些年在建筑業(yè)的應(yīng)用也開(kāi)始取得了一些成就，3D打印建筑也是依據(jù)把三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙，分層處理，層層疊加的思想，用建筑材料一層一層的打印建筑物[2]。3D打印建筑與傳統(tǒng)建筑方式相比低能耗、綠色環(huán)保，最大程度上達(dá)到人力、自然、建筑和諧，減少了資源浪費(fèi)，引起了人們的廣泛關(guān)注。建筑垃圾是產(chǎn)生霧霾的一個(gè)原因，而3D打印建筑不僅不產(chǎn)生揚(yáng)塵和污染，還可以就地取材，消耗建筑垃圾和廢品，打印出漂亮的建筑。

目前3D打印建筑比較成熟的是美國(guó)的“輪廓工藝”，打印所需要的打印材料從噴嘴噴出，一層一層的完成建筑物的打印，除此之外，意大利的“D-Shape”和英國(guó)的“混凝土”建造工藝也是較成熟的打印工業(yè)。3D建筑的打印方式目前大致分為整體式和裝配式兩種。整體式打印能一次成形，但易受到3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的影響，所打印的建筑不能太大；裝配式打印雖然不能一次成型，卻可以打印尺寸大的建筑，但是需要零部件有較高的精度，打印的零部件需要人工運(yùn)輸和安裝[3]。有時(shí)候可以結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)用兩種方式來(lái)完成所需建筑的打印，以實(shí)現(xiàn)效益的最大化。

3D打印在建筑方面除了打印房屋，也廣泛用于打印建筑模型上。對(duì)于一些建筑物的裝飾方面，如雕塑、花窗等，在墻上和房屋的內(nèi)外表面打印這些花紋美觀，可以省去后期的裝飾。3D建筑打印也可以打印一些異性裝飾結(jié)構(gòu)。3D打印建筑相比于傳統(tǒng)的建筑，具有強(qiáng)度高、建造周期短、減少很多的室外現(xiàn)場(chǎng)的工作，為未來(lái)社會(huì)智能家居奠定了基礎(chǔ)[4]。

1 3D建筑打印機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)及工作原理仿真

通過(guò)對(duì)3D建筑打印機(jī)進(jìn)行調(diào)研分析，設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示?？梢苑譃樗膫€(gè)板塊、架子（支撐架與固定架）、導(dǎo)軌（兩個(gè)）、橫梁、噴嘴。導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)必須滿足連接導(dǎo)軌的橫梁必須能沿著導(dǎo)軌可以往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。橫梁與導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)均采用伺服電機(jī)帶動(dòng)同步輪，同步輪帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而連接在同步帶上的連接板運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接板上的噴頭和橫梁運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)帶動(dòng)滑塊連接板的直線運(yùn)動(dòng)看作X軸，把橫梁機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)帶動(dòng)滑塊連接板的運(yùn)動(dòng)看成Y軸，架子上的伺服電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌的上下運(yùn)動(dòng)看成Z軸，這樣就可以使噴頭沿著X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成建筑物的打印[5]。

圖1 3D建筑打印機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.1 架子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

架子分為四個(gè)豎直的支撐架和四個(gè)橫向固定架。四個(gè)支撐架與四個(gè)橫向固定架通過(guò)M20螺栓連接。架子是用角鋼焊接而成，角鋼具有良好的可焊接性和塑性變形性能，具承重力強(qiáng)及不易變形，還具有一定的機(jī)械性能和使用壽命時(shí)間長(zhǎng)。另外角鋼還能節(jié)約成本。由于架子長(zhǎng)度需要很長(zhǎng)，需要做成4m左右，可以采用鍍鋅等邊角鋼焊接而成，型號(hào)為∠50×50×4，角鋼材料為Q235，角鋼表面的一層鍍鋅層，能夠起到防腐和防銹的效果。每個(gè)豎直支撐架上安裝一個(gè)直線電機(jī)，四個(gè)直線電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo)軌的上下運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)的導(dǎo)軌通過(guò)螺栓與架子相連，控制系統(tǒng)控制直線電機(jī)的上下運(yùn)動(dòng)。

1.2 橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫梁結(jié)構(gòu)需要帶動(dòng)噴頭實(shí)現(xiàn)水平橫向運(yùn)動(dòng)，橫梁采用H型剛規(guī)格為194×150×6×9，具有截面形狀合理，承載能力強(qiáng)，各個(gè)方向都抗彎能力強(qiáng)、成本低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，能更好的發(fā)揮鋼材的作用。橫梁結(jié)構(gòu)的建模如圖2所示。

圖2 橫梁結(jié)構(gòu)圖

在H型鋼上設(shè)有直線導(dǎo)軌、同步帶、同步輪、惰輪、壓板、電機(jī)、惰輪固定軸。直線導(dǎo)軌上有滑塊和導(dǎo)軌。滑塊固定在滑塊固定板上，滑塊固定板用于和噴頭進(jìn)行連接。齒條和壓板夾緊同步帶固定在滑塊固定板上，電機(jī)帶動(dòng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而同步帶帶動(dòng)滑塊固定板運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴頭的運(yùn)動(dòng)。控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制滑塊固定板的往返運(yùn)動(dòng)。

同步帶的選型計(jì)算，打印的速度要求為0.1m/s，同步帶需要傳動(dòng)的總負(fù)載選為100kg，導(dǎo)軌與滑塊之間的摩擦系數(shù)u=0.1，則同步帶傳遞受到的力由公式(1)得：

則同步帶需要傳遞的負(fù)載功率由公式（2）給出：

求得負(fù)載功率P=100N×0.1m/s=10W。有電機(jī)的選擇可以得到，同步輪主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為n=60r/min。由于3D建筑打印機(jī)需要良好的精度，所以要盡量避免多邊形效應(yīng)，提高打印的精度。圓弧齒同步帶相對(duì)與梯形齒同步帶多邊形效應(yīng)比較小，所以傳動(dòng)精度要比梯形齒同步帶要高，故同步帶齒形選為圓弧形同步帶。

根據(jù)同步帶需要傳遞負(fù)載的功率10W和主動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速60r/min可知，可以選用5M（同步帶的節(jié)距為5mm）。根據(jù)國(guó)標(biāo)取齒數(shù)為40。接著進(jìn)行同步帶節(jié)線長(zhǎng)度計(jì)算

求得同步帶得外圓直徑為63.66mm，由于傳動(dòng)比為1，故d1=d2=63.66mm，初定中心距為3 200mm，因此可以根據(jù)公式計(jì)算出同步帶的理論節(jié)線長(zhǎng)度可有公式（3）給出：

得到節(jié)線長(zhǎng)度L=6 599.8m。可以根據(jù)理論節(jié)線長(zhǎng)度選取皮帶，所選皮帶的齒數(shù)為=6 599.8/5=1 319.8，取同步帶齒數(shù)為1 320，同步帶的寬度選擇S5M系列最大值25mm，綜上所述同步帶的類型選為ECX01-S5M-250-1320。

根據(jù)同步帶的選擇確定同步輪，同步輪與同步帶類型配套，根據(jù)同步輪的帶寬、齒數(shù)等，同步帶類型選擇為ECC51-S5M250-40-E-d19，最大扭矩滿足要求。

根據(jù)同步輪的選擇確定同步輪惰輪，同步輪為M5，惰輪也應(yīng)為M5。同步輪惰輪M5有單軸承和雙軸承，由于同步輪的帶寬為25mm，故選擇雙軸承的同步輪惰輪。根據(jù)齒數(shù)帶輪寬度，型號(hào)選為EVD21-40-S5M250。

1.3 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)需要滿足連接在上面的橫梁結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌有分為左導(dǎo)軌和右導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌相反設(shè)計(jì)，分別連接橫梁的左右兩端。導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的零部件有H型鋼架、直線導(dǎo)軌、同步帶、同步輪、惰輪、壓板、電機(jī)、惰輪固定軸。

兩個(gè)的導(dǎo)軌兩邊的伺服電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制連接板的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)。其中左導(dǎo)軌虛擬建模圖如圖3所示。

圖3 左導(dǎo)軌虛擬建模圖

1.4 噴頭設(shè)計(jì)

噴頭是實(shí)現(xiàn)建筑物質(zhì)量好壞的核心機(jī)構(gòu)，為了便于清洗和維修，把噴頭設(shè)計(jì)成可拆裝式結(jié)構(gòu)。噴頭需要具備能使建筑材料連續(xù)平穩(wěn)的擠出，而且應(yīng)該避免建筑材料粘附在料倉(cāng)的內(nèi)壁[6]。噴頭結(jié)構(gòu)由可拆卸噴嘴、料倉(cāng)、螺旋片桿件、刮壁桿、電機(jī)固定板、電機(jī)組成。電機(jī)固定板開(kāi)有進(jìn)料口及橫梁連接所需的螺栓孔。噴嘴和料倉(cāng)設(shè)計(jì)成分離式，設(shè)有法蘭盤(pán)，上面開(kāi)有相同的孔徑，通過(guò)螺栓和螺母連接，去實(shí)現(xiàn)噴嘴的可拆卸。電機(jī)和桿件通過(guò)聯(lián)軸器連接。打印噴頭采用伺服傳動(dòng)系統(tǒng)控制，電機(jī)減速機(jī)旋轉(zhuǎn)控制噴頭內(nèi)的桿件轉(zhuǎn)動(dòng)，桿件上面的螺旋片隨之轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓建筑混凝土向噴嘴運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)混凝土從噴嘴平穩(wěn)噴出。桿件速度和建筑材料噴出的速度成正比例，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度從而控制出料速度[7]。另外，此設(shè)計(jì)采用可拆卸噴嘴，可以更換不同孔徑的噴嘴來(lái)調(diào)節(jié)打印尺寸，實(shí)現(xiàn)打印的可變性。桿件上設(shè)有刮壁桿，刮壁桿隨桿件轉(zhuǎn)動(dòng)，利于噴頭腔體內(nèi)壁的混凝土材料的流出，設(shè)刮壁桿可以有效防止混凝土長(zhǎng)時(shí)間黏附在墻體內(nèi)壁而凝固。設(shè)計(jì)成噴頭于料倉(cāng)一起運(yùn)動(dòng)，可以有效避免建筑材料在管道中發(fā)生堵塞、漏料。由于螺旋片攪拌建筑材料時(shí)，桿件需要較大的扭矩，還要準(zhǔn)確控制出料，所以可以選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。噴頭結(jié)構(gòu)虛擬建模如圖4所示。

圖4 噴頭結(jié)構(gòu)虛擬建模圖

2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分析

噴頭能否完成建筑物的空間打印，噴頭需要具備在X、Y、Z軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，控制各軸的速度來(lái)完成噴頭的斜線、曲線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成斜面及曲面的形成。設(shè)計(jì)的橫梁機(jī)構(gòu)和兩個(gè)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)帶動(dòng)連接板的運(yùn)動(dòng)就分別對(duì)應(yīng)了噴頭在X軸及Y軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在架子上的直線電機(jī)拉動(dòng)橫梁及導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)形成了Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中噴頭始終與打印建筑的平面成90°。形成三維運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，且便于拆卸，便于運(yùn)輸和安裝。X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)PLC控制架子上的直線電機(jī)及橫梁機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)高分辨率的編碼器控制運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。

3 混凝土配比對(duì)打印結(jié)果的影響

3D打印建筑成品質(zhì)量好壞，與混凝土的混凝土材料是否能夠從噴嘴內(nèi)連續(xù)且均勻的擠出，保證擠出后層與層之間具有黏結(jié)性和足夠的強(qiáng)度，是完成3D建筑打印的必需條件[8]。由于3D打印建筑內(nèi)部沒(méi)有鋼筋機(jī)構(gòu)，也不像傳統(tǒng)混凝土那樣整體澆筑，而是一層層打印，層層疊加而成，所以3D打印混凝土除了具備普通混凝土的性能外，還需要具備較好的黏結(jié)性、快速固化及不能倒縮的性能。磷酸鹽水泥是一種非常適合3D打印的膠凝材料[9]。在3D打印混凝土里面添加粉煤灰、礦粉、纖維素醚、硅粉，可以增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)工作性能。在3D打印混凝土里面添加粉煤灰可以提高混凝土的力學(xué)性能、持久性。粉煤灰是混凝土的一種摻合料，制造高性能的3D打印所需要的混凝土少不了粉煤灰的參與。在混凝土中加入纖維素醚也可以提高混凝土的工作性能，實(shí)驗(yàn)證明，纖維素醚也能改善打印混凝土的黏結(jié)性[10]。硅粉具有較多高的活性，與粉煤灰摻和一起使用能使混凝土強(qiáng)度得到提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)三自由度3D建筑打印機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，通過(guò)三維SolidWorks軟件進(jìn)行實(shí)體建模、工作原理仿真并對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及混凝土配比對(duì)打印結(jié)果的影響因素進(jìn)行了分析。對(duì)比3D建筑打印機(jī)與傳統(tǒng)建筑方式，結(jié)論得出新型的建筑方式比傳統(tǒng)方式具有周期短、低成本、成型質(zhì)量高、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)勢(shì)。隨著3D建筑打印機(jī)的推廣以及納米科技、人工智能、新能源產(chǎn)業(yè)等科技元素以及生物科技融入建筑中[11]，相信在不久的將來(lái)，人類去海底打印建筑，去外星球打印房子的夢(mèng)想都將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。