基于混凝土的3D打印机

郝诚

摘要：随着社会的发展，在现如今的建筑行业，用量最大并且最经济的建筑材料要属混凝土了。但是随着工程建设发展的不断加快，混凝土在生产应用方面的高污染、高浪费的弊端也逐渐显露出来，并且严重阻碍了混凝土的发展。因此，为了满足绿色生产发展的要求，基于混凝土的3D打印技术逐渐进入了人们的视野，混凝土3D打印机也应运而生。本文将以3D打印技术为出发点，从打印机的工作特点、结构、硬件、软件等方面全面介绍一款自主研发的初级混凝土3D打印机。

关键词：混凝土；3D打印；绿色

一、混凝土3D打印机的工作流程

3D打印混凝土技术是一种新型应用技术，它将商品混凝土行业的技术与3D打印技术巧妙地结在一起。他的主要原理是将混凝土产品利用SolidWorks或者inventor等计算机建模软件进行3D建模，再将模型导入切片软件Cura进行模型切片，然后将配制好的混凝土净浆通过挤料装置，按照切片软件所生成的程序，通过步进电机控制，由喷嘴挤出进行打印，最后得到混凝土产品。混凝土3D打印技术在实际生产的过程中，由于他的可塑性较高，在打印过程中的无需任何模具或者支撑，属于一種新型的混凝土无模成型技术。因此，在混凝土成型的过程中节省了大量的混凝土材料和混凝土残渣，从而达到了绿色环保的效果，做到了符合绿色工业发展的绿色生产。

二、混凝土3D打印机的组成

（一）混凝土3D打印机的框架结构

由于本次实验的混凝土3D打印机还处于试验阶段，只用于打印一些较为简单的混凝土产品，所以为其设计的尺寸较小，故整体打印机结构的设计放弃了以往龙门式结构的想法而采用的尺寸较小的台式框架结构，且打印空间设置为150mm*150mm*200mm。从混凝土3D打印机的控制结构上看，混凝土打印机由上位机和底层控制两部分组成，其中上位机一般是笔记本电脑（控制端），主要运行一些切片软件、三维建模软件、打印控制软件和操作界面等。底层控制主要是由一些硬件构成，以协助上机位完成一系列的打印操作。

（二）混凝土3D打印机的硬件部分

硬件的主要功能是配合主机（计算机）完成打印过程的执行。混凝土3D打印机的硬件部分主要分布在打印机的底层控制部分，主要有限位开关、主板、电机驱动器、嵌入式微控制器、功率不等的步进电机（由于z轴方向承载着载物台的运动，且混凝土材质质量较大，所以z轴方向应选择相对于x轴，y轴功率较大的步进电机）、载物台等。混凝土3D打印机所需要的所有不同的硬件都连接在控制器主板上，并主板再连接到微控制器上。

（三）混凝土3D打印机的软件部分

混凝土3D打印机所需要的软件配置和普通的PLA材料打印机基本相同，主要有建模软件SolidWorks、切片软件Cura和打印控制软件。SolidWorks的作用是建立混凝土产品模型，由于要满足切片软件Cura的适应性，在混凝土建模方面，建模软件以SolidWorks为主。若以Inventor建模，则需要在Cura里将尺寸参数扩大十倍。Cura的作用是将模型（stl文件模型）进行切片处理，并自动生成G代码。故Cura软件的自动编程节省了大量时间。生成的G代码可以通过数据线直接传输到打印机上，也可以通过U盘或内存卡人工载入到打印机。打印控制软件的主要功能是控制整个打印机的运动和打印过程。其控制内容主要有原点坐标初始化、打印速度设置、文件的传送、串口状态的显示、打印的开始和暂停等。

三、混凝土3D打印机的运动分析

混凝土3D打印机在运动方面的灵感来源于笛卡尔坐标系，即它的打印运动分为x轴，y轴，z轴三个方向。每个方向都配备以较高精度的步进电机，甚至还可以使打印机的精度达到 0.1 mm左右。其中z轴方向主要控制载物台的上下运动，它由步进电机驱动高精度的丝杆完成，即将步进电机的旋转运动通过丝杆转化为z轴方向上的直线运动，精度极高。x轴和y轴方向主要完成混凝土喷头的平面运动，它由步进电机驱动相应的皮带轮带动同步带来完成。所有的小型步进电机都通过数据线连接到打印机的PLC板上，我们可以通过对PLC板的编程从而实现对电机的转速控制，进而控制打印机x轴，y轴，z轴三个方向的运动。

四、混凝土3D打印机的喷头设计

混凝土3D打印机的喷头由60ml注射器、连接装置、螺母、滚子轴承、丝杆和步进电机组成。由于本次设计的混凝土打印机的尺寸较小，故打印机的储料装置和出料装置被设计为一体，都由60ml注射器完成。喷头的挤料过程由步进电机驱动丝杆完成。螺母作为挤料运动的过渡体通过粘合剂与注射器的推杆相固定，并且配合在丝杆上。丝杆头部通过齿轮与步进电机相配合。因此，步进电机的运动会带动丝杆的旋转，从而通过螺母带动注射器推杆的上下移动，进而达到注射器出料的目的。由于混凝土具有凝固的特性，因此外界条件的改变都会引起混凝土的凝固，比如含水量、温度等。由于本次打印机的喷嘴出料方式采用的是挤压式出料，因此随着注射器内混凝土的减少和水分的流失会使后期的出料变得艰难，故注射器内的混凝土只能挤出三分之二，这使得混凝土打印机的效率降低了不少。除此之外，混凝土的装载需要手动进行，这使得装载混凝土时不得不暂停打印机的打印，这也使得混凝土打印机的效率降低不少。

三、总结本次混凝土3D打印机的设计是在借鉴PLA材料打印机相关设计的基础上通过团队的后期创新而完成的。不管是打印材料混凝土的选用还是绿色生产的宗旨都是一次伟大的创新。尽管产品的设计还存在着不足，但是我相信后期的改进一定会弥补现在的缺陷。

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