CN114961268A - 一种用于建筑3d打印的第二z轴装置和打印路径部分式遍历方法 - Google Patents

一种用于建筑3d打印的第二z轴装置和打印路径部分式遍历方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历方法，属于建筑3D打印领域，装置包括第一级移动模块、第二级移动模块和第三级移动模块，三级移动模块构成伸缩结构。打印路径部分式遍历方法提取部分模型产生切片路径，从基准面逐层打印到一定高度后，再回到相应基准面，再次提取未打印的模型生成切片路径，继续向上打印，如此反复完成构件的打印，以解决打印机停止工作等待混凝土凝固和由建筑各部分所用材料不同导致逐层打印时频繁换料的问题。与现有技术相比，本发明中的第二Z轴装置能够保证打印路径部分式遍历方法的实施，部分式遍历方法能够有效减少打印材料凝固等待时间和换料次数。

Description

一种用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历 方法
技术领域
本发明涉及建筑3D打印领域，尤其是涉及一种用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历方法。
背景技术
3D打印是一种快速成型技术,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体，是一项可以将数字模型变为实质物体的创新性技术。与建筑行业结合的建筑3D打印机，使用的粘合材料通常为特种混凝土，配合钢筋笼进行加固，可以快速打印出各种建筑。
现存建筑3D打印机基于FDM(熔融沉积制造)工艺，沿用完全式遍历打印路径，将特种混凝土进行逐层打印，等待凝固时间长，打印效率低；对于内外墙体所用打印材料不同时，需频繁更换打印材料，降低打印质量和打印机使用寿命。
目前，传统的桁架、龙门架结构的打印机打印头固定在打印横梁上，沿立柱竖直方向移动，通常工作过程中只升不降，来避免打印头及框架对已经打印完成的构件实体产生干涉；机械臂结构的打印机确实具有更高灵活性，但机械臂灵巧空间与可达空间有限，难以实现跨度较大的打印。
发明内容
本发明的目的就是提出一种用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历方法，解决上述背景技术中提出的等待凝固时间长和频繁更换打印材料的问题。
在原有建筑3D打印机的基础上，改变建筑3D打印沿用FDM工艺的完全式遍历路径的思路，提出建筑3D打印路径部分式遍历方法，部分式遍历方法提取部分模型产生切片路径，从基准面逐层打印到一定高度后，再回到相应基准面，再次提取未打印的模型生成切片路径，继续向上打印，如此反复完成构件的打印；设计第二Z轴作为打印路径部分式遍历方法的实施装置。
本发明可以通过以下技术方案来实现：一种用于建筑3D打印的第二Z轴装置，包括由第一级移动模块、第二级移动模块和第三级移动模块，三级移动模块构成伸缩结构，其特征在于，所述的第一级移动模块包括第一节轴筒、顶端定位螺母、顶端定位架、第二Z轴固定架、丝杠a、联轴器a、第一级电机、移动螺母a，第二级移动模块包括第第二节轴筒轴筒、二级电机、联轴器b、移动螺母b、丝杠b、紧固套筒、二级定位螺母，第三级移动模块包括第三节轴筒、两根丝杠c、三级定位螺母、末端固定架、第三级电机、中间连接架、同步带、同步带轮、两个移动螺母c、出料口与Z轴连接器、末端防尘盖、联轴器c；所述的第二Z轴装置利用三级T型丝杠丝杠a、丝杠b、丝杠c进行传动和锁定；所述第一级电机固定于第二Z轴固定架，通过联轴器a连接丝杠a提供动力，移动螺母a在丝杠a上带动第一节轴筒垂直移动，顶端定位螺母固定于顶端定位架起顶端定位作用，二级定位螺母固定于第一节轴筒底部对丝杠b起定位作用；所述第二级电机与紧固套筒连接，通过联轴器b连接丝杠b提供动力，移动螺母b连接紧固轴套带动第二节轴筒轴筒在丝杠b上，垂直移动；所述两根丝杠c之间通过同步带轮与同步带联动，丝杠c通过联轴器c与第三级电机连接，第三级电机和三级定位螺母分别固定于中间连接架上下侧，第三节轴筒与两个移动螺母c在末端固定架上连接，两个移动螺母c在丝杠c上垂直移动；所述出料口与Z轴连接器用于连接打印头，末端防尘盖用于底部密封。
进一步地，所述的丝杠a导程不小于丝杠b，丝杠b导程不小于丝杠c。
进一步地，所述的第一节轴筒长度不小于第二节轴筒，第二节轴筒长度不小于第三节轴筒。
一种如上所述的用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.将模型划分，得到面积相等或者内部结构连接性较好的部分；
S2.设定合适的打印高度，或者根据打印材料性能和区域面积，计算每部分的打印高度；
S3.将各部分逐次切片，逐次完成高度内的打印；
S4.重复S3步骤，直至完成全部打印。
进一步地，各部分的面积与高度计算表达式：
式1：
Figure BDA0003668085000000031
式2：tx＝(Sx，Hx)；
式3：
Figure BDA0003668085000000032
其中，S1,S2,S3,…为各部分面积，H1，H2，H3，…为各部分高度，t1，t2，tx…为各部分打印时间，t′1为打印机停止工作等待再次向上打印第一部分的时间，Th为高度为h的材料获得继续向上打印强度的凝固时间，n为划分的打印部分序号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、从建筑3D打印的独特性出发，在目前建筑3D打印沿用FDM工艺的完全式遍历打印路径的基础上提出打印路径部分式遍历方法，合理利用打印材料的凝固时间，提高效率；
2、对于内外墙体所用打印材料不同时，无需频繁更换打印材料，提高打印整体质量和打印机使用寿命；
3、本发明提供第二Z轴作为打印路径部分式遍历方法的实施装置，设计伸缩结构减小振动，提高稳定性，第二Z轴竖直移动作为冗余自由度可以提高打印机整体的灵活性。
附图说明
图1为本发明第二Z轴装置的最大收缩状态示意图
图2为本发明第二Z轴装置的一种伸长状态示意图
图3为本发明第二Z轴装置隐藏第一节与第二节轴筒的结构示意图
图4为本发明打印路径部分式遍历方法高度优先实施例示意图
图5为本发明打印路径部分式遍历方法面积优先实施例示意图
附图标记：1、第一节轴筒，2、第二节轴筒，3、末端轴筒，4、顶端定位螺母，5、顶端定位架，6、第二级电机，7、联轴器b，8、移动螺母b，9、丝杠b，10、第二Z轴固定架，11、丝杠a，12、联轴器a，13、第一级电机，14、丝杠c，15、三级定位螺母，16、末端固定架，17、移动螺母a，18、第三级电机，19、中间连接架，20、同步带，21、同步带轮，22、移动螺母c，23、出料口与Z轴连接器，24、末端防尘盖，25、紧固轴套，26、联轴器c，27、二级定位螺母。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和2所示，本实施例提供了一种用于建筑3D打印的第二Z轴装置，包括第一级移动模块、第二级移动模块和第三级移动模块，三级移动模块构成伸缩结构，图1为第二Z轴装置的一种收缩状态，图2为第二Z轴装置的一种伸长状态。
如图3所示，第一级移动模块包括第一节轴筒1、顶端定位螺母4、顶端定位架5、第二Z轴固定架10、丝杠a11、联轴器a12、第一级电机13、移动螺母a17。第一级电机13固定于第二Z轴固定架10，通过联轴器a12连接丝杠a11提供动力，移动螺母a17在丝杠a11上带动第一节轴筒1垂直移动，顶端定位螺母4固定于顶端定位架5起顶端定位作用，二级定位螺母27固定于第一节轴筒1底部对丝杠b9起定位作用。
第二级移动模块包括第第二节轴筒轴筒2、第二级电机6、联轴器b7、移动螺母b8、丝杠b9、紧固套筒25、二级定位螺母27。第二级电机6与紧固套筒25连接，通过联轴器b7连接丝杠b9提供动力，移动螺母b8连接紧固轴套25带动第二节轴筒轴筒2在丝杠b9上，垂直移动。
第三级移动模块包括第三节轴筒3、两根丝杠c14.1和c14.2、三级定位螺母15、末端固定架16、第三级电机18、中间连接架19、同步带20、同步带轮21、两个移动螺母c22.1和c22.2、出料口与Z轴连接器23、末端防尘盖24、联轴器c26。两根丝杠c14.1和c14.2之间通过同步带轮21与同步带20联动，丝杠c14.1通过联轴器c26与第三级电机18连接，第三级电机18和三级定位螺母15分别固定于中间连接架19上下侧，第三节轴筒3与两个移动螺母c22在末端固定架16上连接，两个移动螺母c22.1和c22.2在两根丝杠c14.1和c14.2上垂直移动；出料口与Z轴连接器23用于连接打印头，末端防尘盖24用于底部密封。
第二Z轴最大收缩状态下，移动螺母a17位于丝杠a11行程顶端，移动螺母b8位于丝杠b9行程顶端，两个移动螺母c22.1和c22.2位于两根丝杠c14.1和c14.2行程顶端。从收缩状态向任一种伸长状态转变过程中，向第二Z轴装置配套的上位机输入指定高度，判断高度范围，当指定高度小于丝杠a11行程时，第一级电机13通过联轴器a12转动丝杠a11，带动移动螺母a17沿丝杠a11竖直移动，使出料口与Z轴连接器2到达指定高度，移动螺母b8、丝杠b9、两个移动螺母c22.1和c22.2、两根丝杠c14.1和c14.2在这个过程处于静止状态；当指定高度大于丝杠a11而小于丝杠a11和丝杠b9行程之和时，转动丝杠a11使移动螺母a17沿丝杠a11竖直移动至丝杠a11行程底端，第一级电机13停止工作，第二级电机6开始工作，通过联轴器b7连接丝杠b9提供动力，移动螺母b8沿丝杠b9竖直移动，使出料口与Z轴连接器2到达指定高度；当指定高度大于丝杠a11和丝杠b9行程之和而小于丝杠a11、丝杠b9和丝杠c14.1行程之和时，第一级电机13与第二级电机6逐次工作至移动螺母a17和移动螺母b8相继到达丝杠a11和丝杠b9行程底端后停止工作，第三级电机18开始工作，带动两个移动螺母c22.1和c22.2沿两根丝杠c14.1和c14.2竖直移动，使出料口与Z轴连接器2到达指定高度。
本实例的打印路径部分式遍历方法包括以下步骤：
步骤S1.将模型划分得到面积相等的部分，或者在面积不便计算时按连通结构划分为面积不等的部分；
步骤S2.设定合适的打印高度，或者根据打印材料性能和区域面积，计算每部分的打印高度；
步骤S3.将各部分逐次切片，逐次完成高度内的打印；
步骤S4.重复S3步骤，直至完成全部打印。
根据权利要求5所述的用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历方法，其特征在于，各部分的面积与高度计算表达式：
式1：
Figure BDA0003668085000000061
式2：tx＝(Sx，Hx)；
式3：
Figure BDA0003668085000000071
其中，S1,S2,S3,…为各部分面积，H1，H2，H3，…为各部分高度，t1，t2，tx…为各部分打印时间，t′1为打印机停止工作等待再次向上打印第一部分的时间，Th为高度为h的材料获得继续向上打印强度的凝固时间，n为划分的打印部分序号。
具体展开为，式1用于划分形状规则的柱状建筑构件，依据公式1将建筑构件划分为面积相等、高度相同的各部分，如图4所示的①、②、③三个部分，各部分横截面积相同，设定相同的打印高度时，打印时间相同。合理规划顺序，如逐次打印①、②、③，①打印到设定高度后，再从基准面向上打印②，完成后继续打印③，②、③打印的时间与①的材料凝固时间重合，因此节约整体打印时间。
式2用于优先保证各部分结构上的连通性，因此各部分划分不再受面积和高度相等限制，如图5所示④、⑤、⑥各部分使用不同材料的打印，受面积和打印速率影响，各部分高度也不再相同，但其减少换料次数，提高打印质量和打印机寿命。
式3计算打印机停止工作等待再次向上打印第一部分的时间t′1，当t′1≤0时，部分遍历式路径发挥最高价值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于建筑3D打印的第二Z轴装置，包括第一级移动模块、第二级移动模块和第三级移动模块，三级移动模块构成伸缩结构，其特征在于，所述的第一级移动模块包括第一节轴筒(1)、顶端定位螺母(4)、顶端定位架(5)、第二Z轴固定架(10)、丝杠a(11)、联轴器a(12)、第一级电机(13)、移动螺母a(17)，第二级移动模块包括第第二节轴筒轴筒(2)、第二级电机(6)、联轴器b(7)、移动螺母b(8)、丝杠b(9)、紧固套筒(25)、二级定位螺母(27)，第三级移动模块包括第三节轴筒(3)、两根丝杠c(14.1)和c(14.2)、三级定位螺母(15)、末端固定架(16)、第三级电机(18)、中间连接架(19)、同步带(20)、同步带轮(21)、两个移动螺母c(22.1)和c(22.2)、出料口与Z轴连接器(23)、末端防尘盖(24)、联轴器c(26)；所述的第二Z轴装置利用三级T型丝杠丝杠a(11)、丝杠b(9)、丝杠c(14)进行传动和锁定；所述第一级电机(13)固定于第二Z轴固定架(10)，通过联轴器a(12)连接丝杠a(11)提供动力，移动螺母a(17)在丝杠a(11)上带动第一节轴筒(1)垂直移动，顶端定位螺母(4)固定于顶端定位架(5)起顶端定位作用，二级定位螺母(27)固定于第一节轴筒(1)底部对丝杠b(9)起定位作用；所述第二级电机(6)与紧固套筒(25)连接，通过联轴器b(7)连接丝杠b(9)提供动力，移动螺母b(8)连接紧固轴套(25)带动第二节轴筒轴筒(2)在丝杠b(9)上，垂直移动；所述两根丝杠c(14.1)和(14.2)之间通过同步带轮(21)与同步带(20)联动，丝杠c(14.1)通过联轴器c(26)与第三级电机(18)连接，第三级电机(18)和三级定位螺母(15)分别固定于中间连接架(19)上下侧，第三节轴筒(3)与两个移动螺母c(22.1)和(22.2)在末端固定架(16)上连接，两个移动螺母c(22)在丝杠c(14)上垂直移动；所述出料口与Z轴连接器(23)用于连接打印头，末端防尘盖(24)用于底部密封。
2.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的第二Z轴装置，其特征在于，所述的丝杠a(11)导程不小于丝杠b(9)，丝杠b(9)导程不小于丝杠c(14)。
3.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的第二Z轴装置，其特征在于，所述的第一节轴筒(1)长度不小于第二节轴筒(2)，第二节轴筒(2)长度不小于末端轴筒(3)。
4.根据权利要求1所述的用于建筑3D打印的第二Z轴装置，其特征在于，所述的丝杠c(14.1)和(14.2)完全相同，移动螺母c(22.1)和(22.2)完全相同。
5.一种如权力1～4任一所述的用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.将模型划分，得到面积相等或者内部结构连接性较好的部分；
S2.设定合适的打印高度，或者根据打印材料性能和区域面积，计算每部分的打印高度；
S3.将各部分逐次切片，逐次完成高度内的打印；
S4.重复S3步骤，直至完成全部打印。
6.根据权利要求5所述的用于建筑3D打印的第二Z轴装置和打印路径部分式遍历方法，其特征在于，各部分的面积与高度计算表达式：
式1：
Figure FDA0003668084990000021
式2：tx＝(Sx，Hx)；
式3：
Figure FDA0003668084990000031
其中，S1,S2,S3,…为各部分面积，H1，H2，H3，…为各部分高度，t1，t2，tx…为各部分打印时间，t1′为打印机停止工作等待再次向上打印第一部分的时间，Th为高度为h的材料获得继续向上打印强度的凝固时间，n为划分的打印部分序号。划分各部分使t1′减小，当t1′≤0时，打印路径部分式遍历方法发挥最大价值。
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