基于混凝土的3D打印機

郝誠

摘要：隨著社會的發展，在現如今的建筑行業，用量最大并且最經濟的建筑材料要屬混凝土了。但是隨著工程建設發展的不斷加快，混凝土在生產應用方面的高污染、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展。因此，為了滿足綠色生產發展的要求，基于混凝土的3D打印技術逐漸進入了人們的視野，混凝土3D打印機也應運而生。本文將以3D打印技術為出發點，從打印機的工作特點、結構、硬件、軟件等方面全面介紹一款自主研發的初級混凝土3D打印機。

關鍵詞：混凝土；3D打印；綠色

一、混凝土3D打印機的工作流程

3D打印混凝土技術是一種新型應用技術，它將商品混凝土行業的技術與3D打印技術巧妙地結在一起。他的主要原理是將混凝土產品利用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，最后得到混凝土產品。混凝土3D打印技術在實際生產的過程中，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。因此，在混凝土成型的過程中節省了大量的混凝土材料和混凝土殘渣，從而達到了綠色環保的效果，做到了符合綠色工業發展的綠色生產。

二、混凝土3D打印機的組成

（一）混凝土3D打印機的框架結構

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品，所以為其設計的尺寸較小，故整體打印機結構的設計放棄了以往龍門式結構的想法而采用的尺寸較小的臺式框架結構，且打印空間設置為150mm*150mm*200mm。從混凝土3D打印機的控制結構上看，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成，以協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、主板、電機驅動器、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，且混凝土材質質量較大，所以z軸方向應選擇相對于x軸，y軸功率較大的步進電機）、載物臺等。混凝土3D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品模型，由于要滿足切片軟件Cura的適應性，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軟件的自動編程節省了大量時間。生成的G代碼可以通過數據線直接傳輸到打印機上，也可以通過U盤或內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。其控制內容主要有原點坐標初始化、打印速度設置、文件的傳送、串口狀態的顯示、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，它由步進電機驅動高精度的絲桿完成，即將步進電機的旋轉運動通過絲桿轉化為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，它由步進電機驅動相應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據線連接到打印機的PLC板上，我們可以通過對PLC板的編程從而實現對電機的轉速控制，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，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、總結本次混凝土3D打印機的設計是在借鑒PLA材料打印機相關設計的基礎上通過團隊的后期創新而完成的。不管是打印材料混凝土的選用還是綠色生產的宗旨都是一次偉大的創新。盡管產品的設計還存在著不足，但是我相信后期的改進一定會彌補現在的缺陷。

參考文獻：

[1]崔萬瑞，李愈馨，李福坤，于航，姜合萍.3D打印機體系結構研究[J].計算機光盤軟件與應用，2014，16：127128.

[2]曾妍，閆大鵬.基于直角坐標系3D打印的機械結構設計分析[J].科技視界，2016，12：134.

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

[4]田韜毓，關忻.桌面級3D打印機的技術發展及應用前景[J].山東工業技術，2017，04：240.