一種3D建筑打印機的設計研究*

李祥付，徐榮飛，田 輝，陳冠旭，竇世軒

（1.河南農業大學機電工程學院，河南 鄭州 450002；2.上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

3D打印技術是一種快速成型技術，已經取得迅速發展，廣泛應用于工業、航空航天、教育、醫療等諸多方面[1]。近些年在建筑業的應用也開始取得了一些成就，3D打印建筑也是依據把三維模型轉化為二維圖紙，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打印建筑與傳統建筑方式相比低能耗、綠色環保，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注。建筑垃圾是產生霧霾的一個原因，而3D打印建筑不僅不產生揚塵和污染，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。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打印機結構尺寸的影響，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]。有時候可以結合二者的優點，同時用兩種方式來完成所需建筑的打印，以實現效益的最大化。

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構。3D打印建筑相比于傳統的建筑，具有強度高、建造周期短、減少很多的室外現場的工作，為未來社會智能家居奠定了基礎[4]。

1 3D建筑打印機的虛擬設計及工作原理仿真

通過對3D建筑打印機進行調研分析，設計的虛擬樣機整體結構，如圖1所示。可以分為四個板塊、架子（支撐架與固定架）、導軌（兩個）、橫梁、噴嘴。導軌的設計必須滿足連接導軌的橫梁必須能沿著導軌可以往復直線運動。橫梁與導軌的設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。導軌機構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]。

圖1 3D建筑打印機整體結構

1.1 架子結構設計

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，帶動導軌的上下運動。直線電機的導軌通過螺栓與架子相連，控制系統控制直線電機的上下運動。

1.2 橫梁結構設計

橫梁結構需要帶動噴頭實現水平橫向運動，橫梁采用H型剛規格為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、重量輕等優點，能更好的發揮鋼材的作用。橫梁結構的建模如圖2所示。

圖2 橫梁結構圖

在H型鋼上設有直線導軌、同步帶、同步輪、惰輪、壓板、電機、惰輪固定軸。直線導軌上有滑塊和導軌。滑塊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，電機帶動同步輪轉動，從而同步帶帶動滑塊固定板運動，實現噴頭的運動。控制電機的正反轉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，導軌與滑塊之間的摩擦系數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，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。

根據同步帶需要傳遞負載的功率10W和主動帶輪的轉速60r/min可知，可以選用5M（同步帶的節距為5mm）。根據國標取齒數為40。接著進行同步帶節線長度計算

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3 200mm，因此可以根據公式計算出同步帶的理論節線長度可有公式（3）給出：

得到節線長度L=6 599.8m。可以根據理論節線長度選取皮帶，所選皮帶的齒數為=6 599.8/5=1 319.8，取同步帶齒數為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。

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

根據同步輪的選擇確定同步輪惰輪，同步輪為M5，惰輪也應為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。根據齒數帶輪寬度，型號選為EVD21-40-S5M250。

1.3 導軌結構設計

導軌的設計需要滿足連接在上面的橫梁結構往復運動，導軌有分為左導軌和右導軌，兩導軌相反設計，分別連接橫梁的左右兩端。導軌結構的零部件有H型鋼架、直線導軌、同步帶、同步輪、惰輪、壓板、電機、惰輪固定軸。

兩個的導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。其中左導軌虛擬建模圖如圖3所示。

圖3 左導軌虛擬建模圖

1.4 噴頭設計

噴頭是實現建筑物質量好壞的核心機構，為了便于清洗和維修，把噴頭設計成可拆裝式結構。噴頭需要具備能使建筑材料連續平穩的擠出，而且應該避免建筑材料粘附在料倉的內壁[6]。噴頭結構由可拆卸噴嘴、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。噴嘴和料倉設計成分離式，設有法蘭盤，上面開有相同的孔徑，通過螺栓和螺母連接，去實現噴嘴的可拆卸。電機和桿件通過聯軸器連接。打印噴頭采用伺服傳動系統控制，電機減速機旋轉控制噴頭內的桿件轉動，桿件上面的螺旋片隨之轉動擠壓建筑混凝土向噴嘴運動，從而實現混凝土從噴嘴平穩噴出。桿件速度和建筑材料噴出的速度成正比例，可以調節電機的速度從而控制出料速度[7]。另外，此設計采用可拆卸噴嘴，可以更換不同孔徑的噴嘴來調節打印尺寸，實現打印的可變性。桿件上設有刮壁桿，刮壁桿隨桿件轉動，利于噴頭腔體內壁的混凝土材料的流出，設刮壁桿可以有效防止混凝土長時間黏附在墻體內壁而凝固。設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，還要準確控制出料，所以可以選擇伺服電機驅動。噴頭結構虛擬建模如圖4所示。

圖4 噴頭結構虛擬建模圖

2 運動系統分析

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。設計的橫梁機構和兩個導軌機構伺服電機帶動連接板的運動就分別對應了噴頭在X軸及Y軸的往復運動在架子上的直線電機拉動橫梁及導軌的運動形成了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及導軌機構的伺服電機實現，通過高分辨率的編碼器控制運動的準確性。

3 混凝土配比對打印結果的影響

3D打印建筑成品質量好壞，與混凝土的混凝土材料是否能夠從噴嘴內連續且均勻的擠出，保證擠出后層與層之間具有黏結性和足夠的強度，是完成3D建筑打印的必需條件[8]。由于3D打印建筑內部沒有鋼筋機構，也不像傳統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 結語

本文針對三自由度3D建筑打印機的設計進行研究，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以及混凝土配比對打印結果的影響因素進行了分析。對比3D建筑打印機與傳統建筑方式，結論得出新型的建筑方式比傳統方式具有周期短、低成本、成型質量高、節能環保等突出優勢。隨著3D建筑打印機的推廣以及納米科技、人工智能、新能源產業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實。