3D建筑打印機設(shè)計分析
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摘要：隨著人工智能時代的到來，建筑業(yè)也開始研究用智能化取代人工化，3d建筑打印綠色環(huán)保、省時、省力，逐漸成為各國建筑行業(yè)研究熱點。針對三自由度3D建筑打印機的設(shè)計進行研究，通過三維SolidWorks軟件進行實體建模、工作原理仿真并對機器運動系統(tǒng)以及混凝土配比對打印結(jié)果的影響因素進行了分析。對比3D建筑打印機與傳統(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。
關(guān)鍵詞：3D打印建筑；快速成型；虛擬設(shè)計
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，最大程度上達到人力、自然、建筑和諧，減少了資源浪費，引起了人們的廣泛關(guān)注。建筑垃圾是產(chǎn)生霧霾的一個原因，而3D打印建筑不僅不產(chǎn)生揚塵和污染，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輸和安裝[3]。有時候可以結(jié)合二者的優(yōu)點，同時用兩種方式來完成所需建筑的打印，以實現(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，具有強度高、建造周期短、減少很多的室外現(xiàn)場的工作，為未來社會智能家居奠定了基礎(chǔ)[4]。
13D建筑打印機的虛擬設(shè)計及工作原理仿真
通過對3D建筑打印機進行調(diào)研分析，設(shè)計的虛擬樣機整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示?？梢苑譃樗膫€板塊、架子（支撐架與固定架）、導(dǎo)軌（兩個）、橫梁、噴嘴。導(dǎo)軌的設(shè)計必須滿足連接導(dǎo)軌的橫梁必須能沿著導(dǎo)軌可以往復(fù)直線運動。橫梁與導(dǎo)軌的設(shè)計均采用伺服電機帶動同步輪，同步輪帶動同步帶運動，進而連接在同步帶上的連接板運動，帶動連接板上的噴頭和橫梁運動。導(dǎo)軌機構(gòu)伺服電機帶動滑塊連接板的直線運動看作X軸，把橫梁機構(gòu)伺服電機帶動滑塊連接板的運動看成Y軸，架子上的伺服電機帶動導(dǎo)軌的上下運動看成Z軸，這樣就可以使噴頭沿著X、Y、Z軸運動，進而完成建筑物的打印[5]。
1.1架子結(jié)構(gòu)設(shè)計
架子分為四個豎直的支撐架和四個橫向固定架。四個支撐架與四個橫向固定架通過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，具承重力強及不易變形，還具有一定的機械性能和使用壽命時間長。另外角鋼還能節(jié)約成本。由于架子長度需要很長，需要做成4m左右，可以采用鍍鋅等邊角鋼焊接而成，型號為∠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。每個豎直支撐架上安裝一個直線電機，四個直線電機同步運動，帶動導(dǎo)軌的上下運動。直線電機的導(dǎo)軌通過螺栓與架子相連，控制系統(tǒng)控制直線電機的上下運動。
1.2橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計
橫梁結(jié)構(gòu)需要帶動噴頭實現(xiàn)水平橫向運動，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，各個方向都抗彎能力強、成本低、重量輕等優(yōu)點，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。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、惰輪固定軸。直線導(dǎo)軌上有滑塊和導(dǎo)軌?；瑝K固定在滑塊固定板上，滑塊固定板用于和噴頭進行連接。齒條和壓板夾緊同步帶固定在滑塊固定板上，電機帶動同步輪轉(zhuǎn)動，從而同步帶帶動滑塊固定板運動，實現(xiàn)噴頭的運動?？刂齐姍C的正反轉(zhuǎn)來控制滑塊固定板的往返運動。同步帶的選型計算，打印的速度要求為0.1m/s，同步帶需要傳動的總負載選為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載功率由公式（2）給出：求得負載功率P=100N×0.1m/s=10W。有電機的選擇可以得到，同步輪主動輪的轉(zhuǎn)速為n=60r/min。由于3D建筑打印機需要良好的精度，所以要盡量避免多邊形效應(yīng)，提高打印的精度。圓弧齒同步帶相對與梯形齒同步帶多邊形效應(yīng)比較小，所以傳動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)同步帶需要傳遞負載的功率10W和主動帶輪的轉(zhuǎn)速60r/min可知，可以選用5M（同步帶的節(jié)距為5mm）。根據(jù)國標(biāo)取齒數(shù)為40。接著進行同步帶節(jié)線長度計算求得同步帶得外圓直徑為63.66mm，由于傳動比為1，故d1=d2=63.66mm，初定中心距為3200mm，因此可以根據(jù)公式計算出同步帶的理論節(jié)線長度可有公式（3）給出：得到節(jié)線長度L=6599.8m?？梢愿鶕?jù)理論節(jié)線長度選取皮帶，所選皮帶的齒數(shù)為=6599.8/5=1319.8，取同步帶齒數(shù)為1320，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，型號選為EVD21-40-S5M250。
1.3導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)設(shè)計
導(dǎo)軌的設(shè)計需要滿足連接在上面的橫梁結(jié)構(gòu)往復(fù)運動，導(dǎo)軌有分為左導(dǎo)軌和右導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌相反設(shè)計，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、惰輪固定軸。兩個的導(dǎo)軌兩邊的伺服電機同步運動控制連接板的運動，帶動橫梁的運動。其中左導(dǎo)軌虛擬建模圖如圖3所示。
1.4噴頭設(shè)計
噴頭是實現(xiàn)建筑物質(zhì)量好壞的核心機構(gòu)，為了便于清洗和維修，把噴頭設(shè)計成可拆裝式結(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的內(nèi)壁[6]。噴頭結(jié)構(gòu)由可拆卸噴嘴、料倉、螺旋片桿件、刮壁桿、電機固定板、電機組成。電機固定板開有進料口及橫梁連接所需的螺栓孔。噴嘴和料倉設(shè)計成分離式，設(shè)有法蘭盤，上面開有相同的孔徑，通過螺栓和螺母連接，去實現(xiàn)噴嘴的可拆卸。電機和桿件通過聯(lián)軸器連接。打印噴頭采用伺服傳動系統(tǒng)控制，電機減速機旋轉(zhuǎn)控制噴頭內(nèi)的桿件轉(zhuǎn)動，桿件上面的螺旋片隨之轉(zhuǎn)動擠壓建筑混凝土向噴嘴運動，從而實現(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)電機的速度從而控制出料速度[7]。另外，此設(shè)計采用可拆卸噴嘴，可以更換不同孔徑的噴嘴來調(diào)節(jié)打印尺寸，實現(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，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時間黏附在墻體內(nèi)壁而凝固。設(shè)計成噴頭于料倉一起運動，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，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驅(qū)動。噴頭結(jié)構(gòu)虛擬建模如圖4所示。
2運動系統(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軸的獨立運動，控制各軸的速度來完成噴頭的斜線、曲線運動，進而完成斜面及曲面的形成。設(shè)計的橫梁機構(gòu)和兩個導(dǎo)軌機構(gòu)伺服電機帶動連接板的運動就分別對應(yīng)了噴頭在X軸及Y軸的往復(fù)運動在架子上的直線電機拉動橫梁及導(dǎo)軌的運動形成了Z軸方向的運動，運動過程中噴頭始終與打印建筑的平面成90°。形成三維運動的機構(gòu)簡單，且便于拆卸，便于運輸和安裝。X、Y、Z軸的運動是通過PLC控制架子上的直線電機及橫梁機構(gòu)及導(dǎo)軌機構(gòu)的伺服電機實現(xiàn)，通過高分辨率的編碼器控制運動的準(zhǔn)確性。
3混凝土配比對打印結(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)部沒有鋼筋機構(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，可以增強混凝土的強工作性能。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，實驗證明，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度得到提高。
4結(jié)語
本文針對三自由度3D建筑打印機的設(shè)計進行研究，通過三維SolidWorks軟件進行實體建模、工作原理仿真并對機器運動系統(tǒng)以及混凝土配比對打印結(jié)果的影響因素進行了分析。對比3D建筑打印機與傳統(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。隨著3D建筑打印機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，人類去海底打印建筑，去外星球打印房子的夢想都將會變成現(xiàn)實。
參考文獻：
[2]李清.3D打印在建筑業(yè)的應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2017.
[3]祝云，陳景，劉東，等.混凝土3D打印技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].商品混凝土，2018(11)：19-22+49.
[4]辛蕾.3D打印技術(shù)對建筑工程管理的影響[J].四川建材，2017，43(11)：215-216+218.
[5]徐天.關(guān)節(jié)型建筑3D打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計與樣機運動測試研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.
[6]趙洪河.基于水泥構(gòu)件的3D打印控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計[D].濟南：齊魯工業(yè)大學(xué)，2018.
[7]張永虹.機械臂式建筑3D打印機控制系統(tǒng)開發(fā)[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2018.
[8]馬勇.3D建筑打印混凝土配合比設(shè)計及其性能研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2018.
[9]趙思勰，晏華，李云濤，等.磷酸鎂水泥研究進展[J].硅酸鹽通報，2017,36(10)：3303-3310.
[10]薛龍.3D打印水泥基材料的制備與性能研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2017.
[11]李念勇.探討建筑工程與3D打印相結(jié)合及應(yīng)用前景[J].建設(shè)監(jiān)理，2018(10)：49-52.
作者：李祥付 徐榮飛 田輝 陳冠旭 竇世軒 單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院