一种用于打印球面的3D打印装置及打印方法与流程

本发明属于3d打印建造技术领域，具体涉及一种用于打印球面的3d打印装置及打印方法。

背景技术：

3d打印技术是一种方便快捷、精密化、数字化的智能建造技术。与混凝土传统施工方式不同的是，混凝土3d打印建造需要将3维模型转化为2维模型，并在电脑上完成相关建模工作，再通过混凝土打印头自动化挤出工艺，将数字化模型转换为实物，因而免去了传统施工所需要的大量人力资源，同时节省成本、提高效率。利用3d打印技术建造复杂的球面混凝土结构时，可充分发挥3d打印技术的优势，体现出3d打印技术建造的智能化、数字化和精密化，这也是公认的3d打印技术未来的发展方向。

现有基于3d打印技术的复杂球面混凝土结构建造方法，多是预先制作模板，再在支撑模板的基础上进行3d打印。这不仅增加打印成本，延长打印建造工期；与现浇方法相比，也没有真正体现出3d打印技术本身的特点与优势。因而，对于复杂的球面混凝土结构，合理的3d打印建造方式应为：通过对打印头形状和打印路径等工艺的科学设计，直接控制打印混凝土的成形。这样就省去了制作模板的环节，与现浇的施工方式相比，不仅体现出3d打印技术简便、快捷、精密、数字化的特点，也为3d打印技术的发展与应用提供了更为广阔的空间。

技术实现要素：

为了实现无模板的情况下打印球面，本发明提供一种用于打印球面的3d打印装置及打印方法，具体技术方案如下。

一种用于打印球面的3d打印装置，包括打印头、机械臂和旋转底座，所述机械臂设置在所述旋转底座上，所述打印头设置在所述机械臂的端部，所述打印头能够绕所述旋转底座旋转；其特征在于，所述3d打印装置还包括有设置于所述打印头的刮板，所述刮板位于所述打印头移动方向的下游侧，且所述刮板的至少一部分低于所述打印头的位置，所述刮板的下边缘绕所述旋转底座旋转时形成球面状，所述刮板的最低点绕所述旋转底座的旋转半径等于所述打印头的出料口的最大旋转半径，所述刮板的移动路径与所述出料口的打印路径至少部分的重叠。

进一步地，所述刮板通过刮板机械臂设置于所述打印头。刮板机械臂采用现有已知的机械臂形式，能够实现刮板相对于所述打印头进行转动和/或平移运动，控制刮板的角度和位置，以此实现球面的分段打印。

进一步地，所述刮板与所述打印头铰接连接，所述打印头还设置有用于驱动所述刮板相对于所述打印头转动的驱动机构，所述刮板与所述打印头的铰接点位于所述刮板的最低点。

优选地，所述刮板与竖直方向具有一定的夹角。该夹角比如是2-10°，刮板可以是向打印头移动方向的上游侧或下游侧倾斜该角度，这有利于刮除多余的打印材料，使得打印出球面更加光滑。

本发明还涉及一种采用上述3d打印装置的打印方法，用于打印垂直于球体半径的截面体，所述刮板下边缘绕所述旋转底座旋转时形成的球面半径等于所述球体的半径；将所述截面体分成若干层逐层打印，第n+1层直接在第n层上打印形成；将所述截面体分为双曲率部分和单曲率部分；打印时，刮板起到刮除打印材料作用的部分为双曲率部分，刮板未起到刮除打印材料作用的部分为单曲率部分；

打印第一层的双曲率部分时，所述刮板的最低点与第一层处于同一高度，打印第一层的单曲率部分时，调整刮板位置至不能接触到打印材料的高度；

打印第二层的双曲率部分时，所述刮板的最低点与第一层处于同一高度，打印第二层的单曲率部分时，调整刮板位置至不能接触到打印材料的高度；

打印第n层的双曲率部分时，所述刮板的最低点与第一层处于同一高度，打印第n层的单曲率部分时，调整刮板位置至不能接触到打印材料的高度，逐层打印直到完成整个截面体的打印；打印每一层的双曲率部分时，所述刮板相对于所述打印头的位置和方位都完全相同。

采用上述的打印方法，打印第一层时，刮板的最低点位于第一层打印材料的边缘，打印第二层及其以上的每一层的双曲率部分时，刮板将与其抵接的打印材料刮除，形成截面体的球面表面。

进一步地，上述打印方法中，先打印第n层的双曲率部分，在打印第n层的单曲率部分，然后再打印第n+1层的单曲率部分，接着打印第n+1层及n+2层的双曲率部分。采用这种方式，可以减小打印头(刮板)的高度调节次数，提高打印效率。

基于同一发明构思，本发明还涉及一种采用上述3d打印装置的打印方法，用于打印球体多个连续的截面体，主要包括以下步骤：

1)、将球体划分为垂直于球体半径的连续的若干个截面体，每一个所述截面体对对应的圆心角相同；

2)、采用上述的打印方法打印其中一个截面体后，调整所述刮板相对于所述打印头的方位，使得调整后的刮板的下边缘绕所述旋转底座旋转时形成的球面能够与相邻的截面体的球面相重合；

3)、采用上述的打印方法打印所述相邻的截面体；

4)、重复上述步骤2)和步骤3)，打印完全部截面体后，将全部截面体拼装在一起。

需要说明的是，这里描述的球体可以是实心球体，也可以是空心的球壳；这里描述的截面体可以球体的一个完整截面体，也可以是球体的一个不完整截面体(比如半个截面体)。

本发明通过控制打印头刮板的形状以及打印路线来打印得到目标结构，节省了预制模板的费用，加快了建造速度，同时全程高精度化、数字化，误差可控且较小，与现浇的方法相比更简单高效，还可节省人力、物力。

本发明仅需一个打印头就可以完成具有相同球面半径不同截面体半径的穹顶结构的分块打印，无需使用模板，拓展了3d打印在球面结构的应用。打印不同球面半径的穹顶结构仅需要更换刮板的尺寸即可完成，高效简单。

附图说明

图1是本发明的3d打印装置的示意图；

图2是打印头的示意图；

图3是穹顶结构截面体划分示意图；

图4是穹顶结构外表面成型示意图；

图5是单个截面体的成型示意图；

图6是刮板运动轨迹示意图；

图7是打印第一层双曲率部分的示意图；

图8是图7是放大示意图；

图9是打印第一层单曲率部分的示意图；

图10是截面体第一层的示意图；

图11是打印第二层双曲率部分的示意图；

图12是逐层打印的示意图；

图13是单个截面图成型后的示意图；

图14是打印相邻的截面体刮板调整示意图；

图15是穹顶结构各个截面体的分解示意图；

图16是穹顶结构组装后的示意图。

图中：打印头1、机械臂2、旋转底座3、刮板4、最低点4.1、出料口5、刮板机械臂6、母线a。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1-2，用于打印球面的3d打印装置，包括打印头1、机械臂2和旋转底座3，机械臂2设置在旋转底座3上，打印头1设置在机械臂2的端部，打印头1能够绕旋转底座3旋转；3d打印装置还包括有设置于打印头1的刮板4，刮板4位于打印头1移动方向(旋转方向或者叫打印方向)的下游侧，且刮板4的至少一部分低于打印头1的位置，刮板4的下边缘绕旋转底座3旋转时形成球面状，刮板4的最低点4.1绕旋转底座3的旋转半径等于打印头1的出料口5的最大旋转半径，刮板4的移动路径与出料口5的打印路径至少部分的重叠(刮板4的移动路径的竖直投影面积小于或等于出料口5的打印路径的竖直投影)。

图1-2中示意的机械臂2为现有最常见的机械臂，其可以实现打印头的多自由度运动，但需要说明的是：机械臂只要能够实现打印头1旋转半径变化和高度变化即可，比如采用x轴运动机构(改变旋转半径)和z轴运动机构(改变打印头高度)的机械臂。

参见图2，为了能够实现刮板4位置和方位的调节，优选一种实施方式为：刮板4通过刮板机械臂6设置于打印头1。刮板机械臂6采用现有已知的机械臂形式，能够实现刮板相对于所述打印头进行转动和/或平移运动，调整后的刮板4最低点4.1绕旋转底座3的旋转半径仍然等于打印头1的出料口5的最大旋转半径，以此实现球面的分段打印(后面将详细介绍)。

优选地另一种种实施方式(未图示)为：刮板4与打印头1铰接连接，打印头1还设置有用于驱动刮板4相对于打印头1转动的驱动机构(未图示)，刮板4与打印头1的铰接点位于刮板4的最低点4.1。这样，在刮板4的调整过程中，刮板4最低点4.1绕旋转底座3的旋转半径始终等于打印头1的出料口5的最大旋转半径。需要说明的是：刮板4与打印头1的铰接点位于刮板4的最低点4.1，并不是意味着物理(实际)铰接点位于刮板4的最低点4.1，而是刮板4的最低点4.1在刮板4转动(摆动)的转轴轴线(或延长线)上。

可选地，刮板4与竖直方向具有一定的夹角。该夹角比如是2-10°，刮板4可以是向打印头移动方向的上游侧或下游侧倾斜该角度，这有利于刮除多余的打印材料，使得打印出球面更加光滑。刮板4可以采用钢制材料。

采用上述的打印装置可以在不使用模板的情况下打印混凝土穹顶结构(球体的一部分)，打印穹顶结构前，需要将所需打印的穹顶结构的模型按照几何方法划分为数块，具体如下：

穹顶结构模型的侧视图(剖面图)如图3所示，首先通过数学方法确定侧视图中的穹顶结构模型轮廓线的圆心，再按照等圆心角将轮廓线划分成数段弧线，这里假设按照圆心角m将轮廓线划分成n段弧线，则每一段弧线的长度都相等，每段弧线通过旋转角度m后即与相邻的下一段弧线重合，打印头1的刮板4的下边缘4.1绕旋转底座3旋转时形成的球面半径等于所述球体的半径(即下边缘4.1旋转时与一段弧线可以完全重合)。在将轮廓线划分成n段后，在每个划分节点处做垂直于水平面的直线，再沿着平行于各个直线同时垂直水平面的方向将穹顶结构划分成数块双曲率的截面体，通过数学方法确定各个截面体的几何尺寸。实际上，是将穹顶结构划分为垂直于球体半径的连续的若干个截面体(穹顶结构大致为半个球体，所以这里的截面体大致呈拱结构)，每一个截面体对对应的(球体)圆心角m相同，每一个截面体表面的球面半径相同，每一个截面体的截面体半径(大致为打印头的旋转圆半径)不同。

打印各个截面体的原理如下：穹顶结构外表面是一种球面，在几何学中，球面图形可看成动线运动时的轨迹，形成球面的动线称为母线，该球面几何特点如图4所示，母线a绕着z轴旋转360°就得到了穹顶结构的外表面。上述截面体是通过划分穹顶结构得到的，其外表面的几何特点与穹顶结构类似，如图5所示，母线a旋转即可得到其中一个截面体的外表面。

刮板4的下边缘的几何尺寸按截面体的母线a取值，如图6所示，刮板4沿着打印路径运动后形成的空间，出料口挤出的混凝土若出现在该空间内，刮板的运动将会使得出现在该空间内的混凝土被刮走，所以出料口挤出的混凝土将被限制在该空间与地面之间，同时打印头接触混凝土的部分的运动轨迹即为截面体的外表面轮廓形状，即如图5所示的形状。

如图7-11所示，打印其中任意一个截面体的步骤如下：首先将截面体按一定层高划分成数若干层，一层层打印，将每一层的截面体分成两部分，一部分为双曲率部分，一部分为单曲率部分，假设双曲率部分目标宽度为a，单曲率部分目标宽度为b。

具体打印过程如下：首先是打印双曲率部分(目标宽度为a)，刮板4的最低点4.1与第一层处于同一高度，通过事先建立好的软件模型利用数学方法计算出该部分体积为v1，打印头从起始点运动到终点以及混凝土在输料管内所需要的时间总和为t，那么该部分出料速度大致为由于存在误差，为防止结构打印时存在缺陷，出料速度应略微大于s1。打印过程如图7-8所示。

打印完第一层的双曲率部分，调整打印头的位置，抬高打印头高度到使得刮板4无法接触到出料口挤出的混凝土(打印材料的示例)的高度，同时沿着半径方向向圆心移动距离a，如图9所示，此部分目标宽度为b，首先通过数学方法计算出该部分体积为v2，打印头从起始点旋转到终点以及混凝土在输料管内所需要的时间和为t，那么该部分的出料速度大致为同时为了使该部分混凝土与前一部分更好地粘合，出料速度也应该略微大于s2。完成两部分打印后，得到的结构如图10所示第一层结构。

打印完第一层后，开始第二层打印。将打印头位置先沿着半径向远离圆心的方向移动距离a，再降低打印头高度，重新回到初始位置，即刮板4的最低点4.1与第一层处于同一高度。然后重复前一步打印步骤，打印路径与上一层相同，先打印第二层的双曲率部分，如图11所示，再打印单曲率部分，从而得到第二层，以此类推，层层堆积直至得到一个完整的截面体，如图12-13所示。

可选的，打印相邻两层时，可以先打印第n层的双曲率部分，在打印第n层的单曲率部分，然后再打印第n+1层的单曲率部分，接着打印第n+1层及n+2层的双曲率部分。采用这种方式，可以减小打印头(刮板)的高度调节次数，提高打印效率。

通过以上步骤得到了一个截面体，接下来打印与其相邻的一个截面体，由图3可知，每段分割后的弧线绕着圆心旋转角度m即可与相邻一段弧线重合，而由图5可知，每段弧线就是相应的截面体的母线，打印截面体时，刮板接触混凝土的部分与相应截面体的母线相重合，而每一个截面体的母线通过绕着如图3中所示的圆心旋转角度m，即可与相邻截面体的母线重合，那么通过旋转刮板角度m同时调整位置，即可得到打印不同的截面体的刮板位置。旋转过程如图14所示，打印第n个截面体后刮板4旋转后即可打印第n+1个截面体，那么再重复上述打印截面体的步骤即可得到第n+1个截面体，以此类推，一个打印头就能完成连续的多个截面体的打印。当所需打印的混凝土穹顶结构尺寸较大时，可以通过增加划分截面体的数量的方法来解决打印头尺寸不够的情况。划分数量越多，每一块的尺寸越小,那么所需要的刮板尺寸就越小。

若干个截面体如图15所示，组装后形成的混凝土穹顶结构如图16所示。这里示意的截面体是球体截面体的一半，当然本领域技术人员可以理解的是，也可以打印完整的截面体，这样组装后就可以形成完整的球体结构。若干个截面体的组装可以采用现有已知的方法，比如钻孔(预留孔洞也可以)后设置预应力筋，以此将全部的截面体组装在一起。

需要说明的是，本发明的打印装置及打印方法尤其适用于混凝土穹顶结构的打印，当然也可以用于其他材料的3d打印。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。