多材料建筑三维打印成型方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及多材料建筑的三维打印成型方法，属于3D打印技术领域。
[0002]
【背景技术】
[0003]建筑三维打印(也称三维打印建筑、建筑3D打印、3D打印建筑等)是采用3D打印技术制作大型物体(包括城市雕塑、景观建筑、功能建筑等)的一种3D打印成型方法，该方法集成了计算机、自动化、机械、电子、材料等多学科为一体。建筑三维打印技术的基本原理为:根据预打印的实体建筑物，通过数字建模软件或技术设计其三维CAD实体数字模型，利用计算机控制巨型三维打印设备及相关系统挤出建筑成型材料，逐层打印并堆积成型从而将设计蓝图变为实物。
[0004]建筑三维打印的目标与功能在于:建筑师能够借助3D设计技术设计出数字化建筑结构，通过大型建筑打印设备及装备，利用高性能新型建筑材料，采用三维打印技术快速、自动建造出大型、结构复杂的城市雕塑或功能完备且兼顾审美艺术的实体建筑。
[0005]根据建筑物的成型工艺来分，目前建筑三维打印的成型工艺主要有两种:I)轮廓工艺成型法，该成型方法类似熔丝沉积制造(FDM)工艺，成型材料为建筑用浆料，根据预打印的建筑物构建其三维CAD实体模型，利用混凝土喷头或其它类似喷头喷射或挤出建筑材料，层层固化粘结而打印成型获得建筑物。如美国南加州大学Berokh Khoshnevis和他的团队研制的该成型工艺的设备，在20个小时内，制作出一栋近300平方米的房屋。该轮廓工艺成型方法的优点是能快速制作较大型的物体，缺点是建筑物表面粗糙度大，精细度差。
2)三维印刷成型法，该成型方法类似于三维印刷(3DP)工艺，成型材料为建筑用粉料，每层打印前，先铺设一层建筑粉末材料，多个打印头根据该层的轨迹喷射粘结剂，粘结剂与粉末材料快速反应固化为薄层，如此层层铺设、粘结而固化成型为建筑物。如意大利的EnricoDini研制的此种工艺的打印机采用数百个喷嘴，喷射的镁质黏合物与沙石等粉末类材料反应而成为石质固体，该设备可以打印出4米高的石质建筑物。该三维印刷成型方法的优点是建筑物表面粗糙度低，精细度高，缺点是受限于材料铺设和设备尺寸等因素制作较大型建筑物较为困难，打印成型时间也较长。
[0006]根据建筑物的成型方法来分，目前建筑三维打印的成型方式主要有两种:I)整体打印成型法，利用现有的建筑工程所用的搅拌设备将三维打印所需要的混凝土或其它建筑类材料现场搅拌混合成浆料，或者均匀搅拌成浆料后运送至施工现场，再通过一级或多级储料仓经过输送管道输送至打印喷头喷射或挤压出来，层层迭加成型为一个整体建筑物。
2)模块打印组装法，在计算机中将预打印的建筑物CAD模型根据建筑物功能、打印设备成型空间和相关打印工艺等因素进行分割，通过巨型建筑三维打印机依次打印出各模块，再将各模块进行组装，并适当进行后处理从而实现建筑物的模块化打印与制作。
[0007]传统的建筑建造过程速度慢、不安全、成本高，并且施工危险、劳动强度大。在建筑业中引进3D打印技术将是一次巨大的产业创新。建筑三维打印对环保、建筑业、商品混凝土行业带来的改变将是颠覆性和革命性的，在可预见的将来其将可以取代传统的建造模式，成为未来建筑行业的主要形式。目前该项技术已引起包括中国在内的多个国家的高度重视。
[0008]但目前的建筑打印，几乎均采用单一材料成型，一般为混凝土或复合建筑材料，其成型速度慢、成型初期强度弱、成型精度低的缺陷比较明显，由于其无法成型出多种不同的材料，如金属构件、塑料构件、木质构件等，因此，其成型的建筑仅是模型，而不是功能型实体建筑。本发明提出采用多种打印材料和多个打印头的方式来制作出多材料实体建筑物。
[0009]
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于，克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种采用多种打印材料和多个打印头制作含有多种材料的建筑物的成型方法。
[0011 ]本发明是运用如下技术方案来实现发明目的:
1)建立模型:针对预三维打印的多材料建筑物，根据该建筑物的功能和设计要求等要素，利用三维建模软件或数字化扫描技术以及数据处理技术，建立其三维CAD实体模型，该CAD实体模型含有该建筑物的结构信息和材料信息；
2)模型切片分层处理:之后对该CAD实体模型进行离散化切片分层处理，切片厚度根据建筑物的成型精度、成型效率等要素而定，从而获得一系列切片，再通过数据处理获取每层的实体结构信息、材料分布信息、运动轨迹等加工信息；
3)切片信息转化:将各二维切片的结构信息转化成相应的数控加工轨迹，使得各二维切片中的成型材料信息与相应成型材料的喷头相对应，以控制喷头的开与关;通过数控运动和喷头喷射材料，实现每个二维切片分层的精确堆积；
4)打印:多材料建筑物的打印过程采取多个打印头分别输送多种成型材料、逐层堆积而打印成型；
5)打印后处理:对打印的建筑模型进行打磨、喷涂、布线、去支撑等处理，从而得到含有多种材料的建筑物。
[0012]该技术方案的具体内容如下:
本发明所述的多材料建筑物的三维CAD实体模型及其数据处理，是根据该建筑物的功能和结构而进行优化设计的，每种材料的分布均在该CAD实体模型中有所定义;该多材料建筑三维CAD模型中的各材料分布，根据功能和设计需要，可以为彼此不同比例混合，彼此间无明显材料分界面;也可以为独立性分布，彼此间有明显材料分界面。
[0013]建筑物的三维CAD实体模型的多材料定义或设计的方法是:根据制作的建筑模型的材料分布要求，用某个特定的色彩来表示或对应建筑物的某相材料，色彩表示方法可以采取以下几种方式的一种或几种进行:Al)直接对三维造型软件设计的CAD模型进行上色；A2)把三维造型软件设计的CAD模型转换为VRML、PLY/ZCP、WRL等数据格式后进行上色;A3)把三维造型软件设计的CAD模型进行格式转换、尤其是转化为STL格式后上色;A4)直接对三维造型软件设计的CAD模型上色后，再把上过色的模型转换为VRML、PLY/ZCP、WRL、STL等数据格式;A5)通过各类文本编辑软件打开该建筑物CAD模型文件，在该文件内增加或修改相应的色彩信息进行上色;A6)把建筑物CAD模型进行切片分层，对所获得的切片进行上色。
[0014]对于建筑物中某一个或几个局部特征或整体建筑物中同时含有多种或多相材料的情形，除采用上述方法进行材料设计之外，也可以采用色彩分布函数来进行材料定义，该分布函数能反映出建筑物内部的多种或多相材料在高度方向和水平方向连续地变化过程。该分布函数视建筑物的功能和材料分布而确定。
[0015]对于建筑物中某一个或几个局部特征或整体中同时含有多种或多相材料的情形，也可以采用贴图方式进行色彩渗透的方法完成上色处理和材料定义。所谓贴图方式就是把通过其他软件或方法所获得的建筑物的材料分布图形或图像，在软件环境下，映像至三维CAD实体模型的表面，并指定色彩渗透或材料渗透深度。
[0016]该建筑物三维CAD实体模型在打印工作之前，根据成型工艺要求对其进行切片分层，确定每层的结构信息、材料分布信息、加工轨迹、运动参数等一系列加工信息;每个切片的厚度可以相同，也可以不相同，每个切片的厚度根据成型精度来确定，一般为1-lOOmm，优先值为1—50mm。
[0017]该三维CAD实体模型在打印工作之前及打印过程中，根据成型工艺要求进行支撑的设计及打印，以保障实体建筑打印的精度和效率。
[0018]本发明所述的多材料打印头含有多个能喷射或挤出不同材料的打印头，每个打印头可实现独立的材料喷射或挤出控制;该多材料建筑成型时采用的多个打印头可以采用相同的供料方式集中进行材料输出，也可以采用独立的供料方式分别进行材料输出；打印开始时，计算机控制各打印喷头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照材料分布信息有选择性地控制某个或某几个打印头喷射或挤出混凝土、金属、塑料、木料或其它建筑成型材料。
[0019]对