本发明涉及一种打印技术，特别是涉及一种用于具有速凝特性的水泥基、石膏材料等建筑用粉体材料的3D打印机及其打印方法。
背景技术：
快速原型技术是上世纪80年代后期源于美国的一项新型造型技术，该技术通过材料的堆积而将计算机中的三维实体逐层“打印”出来，因此也常被形象的称为3D打印技术。现有的3D打印技术主要有立体光刻成型(SLA)、叠层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)等。
3D打印技术在珠宝、鞋类、工业设计、汽车、航空航天、医疗、军工以及其他领域都有应用，该技术同样引发了建筑业追捧的热潮。3D打印建筑技术与传统建筑相比，其优势在于：速度快，不需要使用模板，可以大幅节约成本；不需要数量庞大的建筑工人，大大提高了生产效率；可以非常容易地打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑；具有低碳、绿色、环保的特点。3D打印建筑技术可能改变建筑业的发展方向，对环保、建筑业、预拌混凝土行业带来的改变是显而易见。
常规的建筑用粉体物料，例如水泥基的混凝土，初凝时间较长，不适用于3D打印技术。研究者通过加入速凝剂等物质来降低混凝土的初凝时间，例如申请号为201410554607.4、201610034751.4的两篇专利提供的速凝技术，然而，现有的打印机3D并不适用于上述具有速凝特性的水泥基物料等建筑粉体材料。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于，提供一种3D打印机及其打印方法，尤其具有速凝特性的水泥基材料、石膏材料等建筑用粉体物料；所要解决的技术问题是采用速凝的水泥、石膏等建筑用粉体材料，提供一种3D打印机及相应的打印方法，使速凝水泥、石膏材料成功应用于3D打印技术，为3D打印技术在建筑、石膏工艺品等行业的应用提供技术支持。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
根据本发明提供的一种3D打印机，所述的打印机包含有控制系统、物料系统、搅拌系统、挤出系统、xy轴系统和z轴系统、无线发射/接收系统和输入输出系统，其中，所述的控制系统用于控制搅拌系统、挤出系统、xy轴系统和z轴系统；所述的物料系统包括物料输送系统和称量系统，与搅拌系统连接；所述的搅拌系统用于物料的搅拌，与物料系统、挤出系统连接；所述的挤出系统包括打印喷头，所述挤出系统用于挤出搅拌均匀的混合物料，将混合物料挤入打印喷头，所述打印喷头用于将混合物料挤出；所述的xy轴系统控制所述的打印喷头在xy轴方向运动；所述的z轴系统包含打印平台，所述的打印平台在z轴方向运动；所述的无线发射/接收系统与控制系统相连，用于远程移动终端对3D打印机进行控制和监控；所述的输入输出系统与控制系统相连，用于现场的打印参数和数字模型的输入与输出。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，根据前述的一种3D打印机，其中所述的物料系统包括液体物料输送系统、液体物料称量系统和粉体物料输送系统、粉体物料称量系统，所述的粉体物料为建筑材料，或者为建筑材料与固态速凝剂的混合物，所述的液体物料为水，或者为水与液态速凝剂的混合物。
优选的，根据前述的一种3D打印机，其中所述的建筑材料为水泥基物料或石膏物料。
优选的，根据前述的一种3D打印机，其中所述的控制系统控制搅拌系统的搅拌速率和搅拌时间，并控制挤出系统的挤出速率。
优选的，根据前述的一种3D打印机，其中所述的挤出系统包括打印喷头，所述的打印喷头在xy轴方向运动，所述的打印喷头运动轨迹由控制系统控制，且所述打印喷头是可更换的(即可以根据实际打印的需要，使用不同口径、不同出口形状等的打印喷头)。
优选的，根据前述的一种3D打印机，通过手机APP，利用无线发射/接收系统对打印机进行远程控制和监视。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。
根据本发明提供的一种3D打印方法，采用前述任一项所述的打印机，打印方法包括：步骤一，利用输入输出系统进行打印参数的设置或者利用移动终端远程进行打印参数的设置；步骤二，将粉体物料和液体物料分别置于所述的粉体物料输送系统和液体物料输送系统中，并通过称量系统控制粉体物料和液体物料的用量；步骤三，将称量好的粉体物料和液体物料置于搅拌系统中，搅拌均匀，得到混合物料；步骤四，将所述的混合物料置于挤出系统中，挤出系统将所述的混合物料挤出到打印喷头中；步骤五，xy轴系统控制打印喷头将所述的混合物料打印在打印平台上，完成一层厚度为m的混合物料的打印，之后打印平台下降m距离；重复步骤五，至完成控制系统中设定的待打印物体的模型，停止打印，所述的粉体物料为建筑材料，或者为建筑材料与固态速凝剂的混合物，所述的液体物料为水，或者为水与液态速凝剂的混合物。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，根据前述的一种3D打印方法，在输入输出系统中可观察打印进程或通过无线发射/接收系统在远程终端手机APP中监视打印进程。
优选的，根据前述的一种3D打印方法，其中所述的建筑材料为水泥基物料或石膏物料。
优选的，根据前述的一种3D打印方法，其中所述的水泥基物料为包含有通用硅酸盐水泥、专用水泥、特种水泥、骨水泥、氯氧镁水泥中的一种或两种以上的混合物。
借由上述技术方案，本发明一种3D打印机及其打印方法至少具有下列优点：
1、本发明提供了一种原料为速凝水泥等建筑用粉体材料的3D打印机。
现有技术中，通过添加化学速凝剂等物质，极大的降低了水泥基物料的初凝时间，例如，添加聚羧酸系减水剂等物质后，水泥基物料的初凝时间可降低至10分钟左右。
然而，虽然降低了水泥基物料的初凝时间，但现有的3D打印机并不适用于上述速凝水泥基物料。本发明提供了一种适用于上述速凝水泥物料的3D打印机及其相应的打印方法，成功打印出了材质为水泥基物料等建筑材料的3D模型。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1本发明实施例1水泥基材料的3D打印机。
1打印喷头，2样品，3打印平台。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种3D打印机及其打印方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
以水泥基材料为例。
本发明提供一种水泥基材料的3D打印机。
本发明提供的水泥基材料的3D打印机包含有，控制系统、物料系统、搅拌系统、挤出系统、xy轴系统和z轴系统，无线发射/接收系统和输入输出系统。
所述的控制系统为计算机控制系统，在计算机的界面上输入相应的参数，控制搅拌系统、挤出系统、xy轴系统和z轴系统，进行相应的操作。
所述的物料系统用于物料的贮存和定量输送，包括输送系统和称量系统，并与搅拌系统连接。
所述的搅拌系统与物料系统、挤出系统连接，用于物料的搅拌，即将物料系统传输过来的物料搅拌均匀，并将搅拌均匀的混合物料传送至挤出系统。
所述的挤出系统可用于搅拌均匀的混合物料的暂时贮存，所述的挤出系统还包含打印喷头，暂时贮存的混合物料挤入打印喷头中，所述的打印喷头在xy轴系统的控制下，在xy轴方向上运动。
所述的xy轴系统控制打印喷头在xy轴方向(即水平方向)运动，将混合物料喷涂在设定的路线上，完成在xy轴方向的打印。
所述的z轴系统包含打印平台，所述的打印平台在z轴方向运动。
进一步的，所述的3D打印机还包括流动性检测装置，所述的流动性检测装置位于所述的挤出系统与打印喷头之间。以速凝水泥基物料为打印材料，应严格控制各步骤中物料的流动性，尤其是挤出系统和打印喷头处物料的流动性。挤出系统处的物料的流动性不可太低，否则会凝固在挤出系统处，导致打印失败，并破坏打印装置；打印喷头处物料的流动性不宜大，否则，打印出来的物料不易定型。
所述的流动性检测装置可以是流速测量传感器等，用于实时监测混合物料的流动性。
进一步的，所述的打印平台为可上下移动的平台，且上表面为不沾涂层。
进一步的，本发明提供的水泥基材料的3D打印机中，所述的物料系统包括液体物料输送系统、液体物料称量系统和水泥基物料输送系统、水泥基物料称量系统。
进一步的，本发明提供的一种3D打印机，所述的控制系统控制搅拌系统的搅拌速率和搅拌时间，且控制挤出速率。
以速凝水泥等建筑材料为打印材料时，应检测物料在各步骤中的停留时间，否则，水泥基物料在打印前凝固，会导致打印失败，并破坏打印装置。
进一步的，本发明提供的一种3D打印机，将所述的混合物料置于挤出系统中，并将暂时贮存的混合物料挤出到打印喷头中。
所述的打印喷头将混合物料打印在打印平台上，所述的打印喷头的运动轨迹由控制系统控制。
同样，以水泥基材料为例，本发明提供一种水泥基材料的3D打印方法。
采用上述的3D打印机，其打印方法包括以下步骤。
步骤一，利用输入输出系统进行打印参数的设置或者利用移动终端(手机APP)远程进行打印参数的设置。
利用计算机控制系统进行相关参数的设置，例如，搅拌系统的搅拌时间、搅拌速率，挤出系统的挤出时间、挤出量、运动轨迹，xy轴系统的运动轨迹、运动速率、打印喷头的喷出量，z轴系统的运动轨迹、运动速率等。并通过网络将相应的参数命令传输至相应的系统，进而控制打印机的运行。
步骤二，将水泥基粉体和液体分别置于所述的水泥基粉体物料输送系统和液体物料输送系统中，并通过称量系统控制水泥基粉体和液体的用量。
步骤三，将称量好的水泥基粉体和液体置于搅拌系统中，搅拌均匀，得到混合物料。
步骤四，将所述的混合物料置于挤出系统中，挤出系统将所述的混合物料置于打印喷头中。
步骤五，xy轴系统控制打印喷头将所述的混合物料打印在打印平台上，完成一层厚度为m的混合物料的打印，之后打印平台下降m距离。
重复步骤五，至完成控制系统中设定的待打印物体的参数，停止打印。
所述的粉体物料为建筑材料，或者为建筑材料与固态速凝剂的混合物，所述的液体物料为水，或者为水与液态速凝剂的混合物。
进一步的，上述打印方法中所述的水泥基物料包含有通用水泥、专用水泥、特种水泥、骨水泥、氯氧镁水泥中的一种或两种以上的混合物。
即本发明的水泥为现有水泥，优选的，水泥基物料还可以包含有石膏、砂、石，以及煤渣、矿渣等固体废弃物，有利于促进水泥基物料的凝固。优选的，本发明水泥基物料的粒径小于0.5mm。一方面，提高了水泥基物料的总的表面积，进而增大了水泥基物料与速凝剂的反应面积，使反应速率加快，提高速凝效果；另一方面，使制得的物体的表面更加光滑、细腻、美观，使后续的打磨程序更加简单。
固态速凝剂可以为，1、以碱金属的铝酸盐、碳酸盐等为主要成分的速凝剂；2、以硫铝酸钙、铝酸钠、铝酸钙和硫酸铝等为主要成分的无碱、低碱速凝剂；3、加入一定量的醇胺(一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、链烷醇胺)、多元醇(乙二醇、丙三醇)、有机酸(柠檬酸、草酸)、聚丙烯酰胺、羧酸等的无机有机复合型速凝剂等。上述速凝剂可极大的减小水泥基材料的初凝时间，使得水泥基材料的初凝时间为几分钟，甚至小于1分钟。
液态速凝剂可以为，1、中国建筑材料科学研究总院研制的无碱无氯液态速凝剂，主要成分有硫酸铝、无机酸、多元醇、有机胺和配位剂；2、中铁隧道集团有限公司研制的无碱液态速凝剂，主要成分有硫酸铝、氢氧化铝、氢氟酸、水玻璃、稳定剂等。
实施例1
本实施例提供一种水泥基材料的3D打印机，如图1所示。
本实施例提供的水泥基材料的3D打印机的打印方法如下。
本实施例中的粉体物料为硅酸盐水泥和硫酸盐水泥的混合物，两者的质量之比为1∶3，液体物料为水和聚羧酸减水剂的混合物，两者的质量之比为50∶1。粉体物料与液体物料的质量之比为2∶1。其中，粉体物料的最大粒径不超过0.5mm。经检测，粉体物料与液体物料混合后的混合物料的初凝时间为30min。
步骤一，进行控制系统的参数设置。
搅拌系统的搅拌时间为1min、搅拌速率为90转/min，挤出系统的挤出速率为3mm/s，设置打印层厚为1mm，填充模式为网格填充，填充密度为30％，打印速度为70mm/s，空走速度100mm/s。并通过网络将相应的参数命令传输至相应的系统，进而控制打印机的运行。
步骤二，将粉体物料和液体物料分别置于所述的粉体物料输送系统和液体物料输送系统中，并通过称量系统控制粉体物料和液体物料的用量。每次称量10kg粉体物料，5kg液体物料。
步骤三，将称量好的粉体物料和液体物料置于搅拌系统中，搅拌均匀，得到混合物料。搅拌时间为3min。
步骤四，将所述的混合物料置于挤出系统中，挤出系统将所述的混合物料置于打印喷头1中。混合物料在挤出系统中停留的时间为60s。
步骤五，xy轴系统中的打印喷头1将所述的混合物料打印在打印平台3上，打印出的混合物料厚度为1mm，之后，打印平台3下降1mm距离。
重复步骤五，至完成控制系统中设定的待打印物体的参数，完成样品2的打印。
本发明同样适用于申请号为201410554607.4、201610034751.4中指出的速凝水泥基物料。
本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。例如，“搅拌时间为10-300s”，此数值范围包括10-300之间所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值(例如：20、50)组成的范围值(20-50)；本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。
本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。