本發(fā)明涉及一種打印技術(shù)，特別是涉及一種用于具有速凝特性的水泥基、石膏材料等建筑用粉體材料的3D打印機(jī)及其打印方法。

背景技術(shù)：

快速原型技術(shù)是上世紀(jì)80年代后期源于美國的一項新型造型技術(shù)，該技術(shù)通過材料的堆積而將計算機(jī)中的三維實體逐層“打印”出來，因此也常被形象的稱為3D打印技術(shù)。現(xiàn)有的3D打印技術(shù)主要有立體光刻成型(SLA)、疊層實體制造(LOM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成型(FDM)等。

3D打印技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工以及其他領(lǐng)域都有應(yīng)用，該技術(shù)同樣引發(fā)了建筑業(yè)追捧的熱潮。3D打印建筑技術(shù)與傳統(tǒng)建筑相比，其優(yōu)勢在于：速度快，不需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本；不需要數(shù)量龐大的建筑工人，大大提高了生產(chǎn)效率；可以非常容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑；具有低碳、綠色、環(huán)保的特點。3D打印建筑技術(shù)可能改變建筑業(yè)的發(fā)展方向，對環(huán)保、建筑業(yè)、預(yù)拌混凝土行業(yè)帶來的改變是顯而易見。

常規(guī)的建筑用粉體物料，例如水泥基的混凝土，初凝時間較長，不適用于3D打印技術(shù)。研究者通過加入速凝劑等物質(zhì)來降低混凝土的初凝時間，例如申請?zhí)枮?01410554607.4、201610034751.4的兩篇專利提供的速凝技術(shù)，然而，現(xiàn)有的打印機(jī)3D并不適用于上述具有速凝特性的水泥基物料等建筑粉體材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于，提供一種3D打印機(jī)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體物料；所要解決的技術(shù)問題是采用速凝的水泥、石膏等建筑用粉體材料，提供一種3D打印機(jī)及相應(yīng)的打印方法，使速凝水泥、石膏材料成功應(yīng)用于3D打印技術(shù)，為3D打印技術(shù)在建筑、石膏工藝品等行業(yè)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種3D打印機(jī)，所述的打印機(jī)包含有控制系統(tǒng)、物料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、xy軸系統(tǒng)和z軸系統(tǒng)、無線發(fā)射/接收系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)，其中，所述的控制系統(tǒng)用于控制攪拌系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、xy軸系統(tǒng)和z軸系統(tǒng)；所述的物料系統(tǒng)包括物料輸送系統(tǒng)和稱量系統(tǒng)，與攪拌系統(tǒng)連接；所述的攪拌系統(tǒng)用于物料的攪拌，與物料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)連接；所述的擠出系統(tǒng)包括打印噴頭，所述擠出系統(tǒng)用于擠出攪拌均勻的混合物料，將混合物料擠入打印噴頭，所述打印噴頭用于將混合物料擠出；所述的xy軸系統(tǒng)控制所述的打印噴頭在xy軸方向運動；所述的z軸系統(tǒng)包含打印平臺，所述的打印平臺在z軸方向運動；所述的無線發(fā)射/接收系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連，用于遠(yuǎn)程移動終端對3D打印機(jī)進(jìn)行控制和監(jiān)控；所述的輸入輸出系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連，用于現(xiàn)場的打印參數(shù)和數(shù)字模型的輸入與輸出。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印機(jī)，其中所述的物料系統(tǒng)包括液體物料輸送系統(tǒng)、液體物料稱量系統(tǒng)和粉體物料輸送系統(tǒng)、粉體物料稱量系統(tǒng)，所述的粉體物料為建筑材料，或者為建筑材料與固態(tài)速凝劑的混合物，所述的液體物料為水，或者為水與液態(tài)速凝劑的混合物。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印機(jī)，其中所述的建筑材料為水泥基物料或石膏物料。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印機(jī)，其中所述的控制系統(tǒng)控制攪拌系統(tǒng)的攪拌速率和攪拌時間，并控制擠出系統(tǒng)的擠出速率。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印機(jī)，其中所述的擠出系統(tǒng)包括打印噴頭，所述的打印噴頭在xy軸方向運動，所述的打印噴頭運動軌跡由控制系統(tǒng)控制，且所述打印噴頭是可更換的(即可以根據(jù)實際打印的需要，使用不同口徑、不同出口形狀等的打印噴頭)。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印機(jī)，通過手機(jī)APP，利用無線發(fā)射/接收系統(tǒng)對打印機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種3D打印方法，采用前述任一項所述的打印機(jī)，打印方法包括：步驟一，利用輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行打印參數(shù)的設(shè)置或者利用移動終端遠(yuǎn)程進(jìn)行打印參數(shù)的設(shè)置；步驟二，將粉體物料和液體物料分別置于所述的粉體物料輸送系統(tǒng)和液體物料輸送系統(tǒng)中，并通過稱量系統(tǒng)控制粉體物料和液體物料的用量；步驟三，將稱量好的粉體物料和液體物料置于攪拌系統(tǒng)中，攪拌均勻，得到混合物料；步驟四，將所述的混合物料置于擠出系統(tǒng)中，擠出系統(tǒng)將所述的混合物料擠出到打印噴頭中；步驟五，xy軸系統(tǒng)控制打印噴頭將所述的混合物料打印在打印平臺上，完成一層厚度為m的混合物料的打印，之后打印平臺下降m距離；重復(fù)步驟五，至完成控制系統(tǒng)中設(shè)定的待打印物體的模型，停止打印，所述的粉體物料為建筑材料，或者為建筑材料與固態(tài)速凝劑的混合物，所述的液體物料為水，或者為水與液態(tài)速凝劑的混合物。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印方法，在輸入輸出系統(tǒng)中可觀察打印進(jìn)程或通過無線發(fā)射/接收系統(tǒng)在遠(yuǎn)程終端手機(jī)APP中監(jiān)視打印進(jìn)程。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印方法，其中所述的建筑材料為水泥基物料或石膏物料。

優(yōu)選的，根據(jù)前述的一種3D打印方法，其中所述的水泥基物料為包含有通用硅酸鹽水泥、專用水泥、特種水泥、骨水泥、氯氧鎂水泥中的一種或兩種以上的混合物。

借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明一種3D打印機(jī)及其打印方法至少具有下列優(yōu)點：

1、本發(fā)明提供了一種原料為速凝水泥等建筑用粉體材料的3D打印機(jī)。

現(xiàn)有技術(shù)中，通過添加化學(xué)速凝劑等物質(zhì)，極大的降低了水泥基物料的初凝時間，例如，添加聚羧酸系減水劑等物質(zhì)后，水泥基物料的初凝時間可降低至10分鐘左右。

然而，雖然降低了水泥基物料的初凝時間，但現(xiàn)有的3D打印機(jī)并不適用于上述速凝水泥基物料。本發(fā)明提供了一種適用于上述速凝水泥物料的3D打印機(jī)及其相應(yīng)的打印方法，成功打印出了材質(zhì)為水泥基物料等建筑材料的3D模型。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1本發(fā)明實施例1水泥基材料的3D打印機(jī)。

1打印噴頭，2樣品，3打印平臺。

具體實施方式

為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的一種3D打印機(jī)及其打印方法，其具體實施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。在下述說明中，不同的“一實施例”或“實施例”指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特點可由任何合適形式組合。

以水泥基材料為例。

本發(fā)明提供一種水泥基材料的3D打印機(jī)。

本發(fā)明提供的水泥基材料的3D打印機(jī)包含有，控制系統(tǒng)、物料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、xy軸系統(tǒng)和z軸系統(tǒng)，無線發(fā)射/接收系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)。

所述的控制系統(tǒng)為計算機(jī)控制系統(tǒng)，在計算機(jī)的界面上輸入相應(yīng)的參數(shù)，控制攪拌系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、xy軸系統(tǒng)和z軸系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的操作。

所述的物料系統(tǒng)用于物料的貯存和定量輸送，包括輸送系統(tǒng)和稱量系統(tǒng)，并與攪拌系統(tǒng)連接。

所述的攪拌系統(tǒng)與物料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)連接，用于物料的攪拌，即將物料系統(tǒng)傳輸過來的物料攪拌均勻，并將攪拌均勻的混合物料傳送至擠出系統(tǒng)。

所述的擠出系統(tǒng)可用于攪拌均勻的混合物料的暫時貯存，所述的擠出系統(tǒng)還包含打印噴頭，暫時貯存的混合物料擠入打印噴頭中，所述的打印噴頭在xy軸系統(tǒng)的控制下，在xy軸方向上運動。

所述的xy軸系統(tǒng)控制打印噴頭在xy軸方向(即水平方向)運動，將混合物料噴涂在設(shè)定的路線上，完成在xy軸方向的打印。

所述的z軸系統(tǒng)包含打印平臺，所述的打印平臺在z軸方向運動。

進(jìn)一步的，所述的3D打印機(jī)還包括流動性檢測裝置，所述的流動性檢測裝置位于所述的擠出系統(tǒng)與打印噴頭之間。以速凝水泥基物料為打印材料，應(yīng)嚴(yán)格控制各步驟中物料的流動性，尤其是擠出系統(tǒng)和打印噴頭處物料的流動性。擠出系統(tǒng)處的物料的流動性不可太低，否則會凝固在擠出系統(tǒng)處，導(dǎo)致打印失敗，并破壞打印裝置；打印噴頭處物料的流動性不宜大，否則，打印出來的物料不易定型。

所述的流動性檢測裝置可以是流速測量傳感器等，用于實時監(jiān)測混合物料的流動性。

進(jìn)一步的，所述的打印平臺為可上下移動的平臺，且上表面為不沾涂層。

進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的水泥基材料的3D打印機(jī)中，所述的物料系統(tǒng)包括液體物料輸送系統(tǒng)、液體物料稱量系統(tǒng)和水泥基物料輸送系統(tǒng)、水泥基物料稱量系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的一種3D打印機(jī)，所述的控制系統(tǒng)控制攪拌系統(tǒng)的攪拌速率和攪拌時間，且控制擠出速率。

以速凝水泥等建筑材料為打印材料時，應(yīng)檢測物料在各步驟中的停留時間，否則，水泥基物料在打印前凝固，會導(dǎo)致打印失敗，并破壞打印裝置。

進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的一種3D打印機(jī)，將所述的混合物料置于擠出系統(tǒng)中，并將暫時貯存的混合物料擠出到打印噴頭中。

所述的打印噴頭將混合物料打印在打印平臺上，所述的打印噴頭的運動軌跡由控制系統(tǒng)控制。

同樣，以水泥基材料為例，本發(fā)明提供一種水泥基材料的3D打印方法。

采用上述的3D打印機(jī)，其打印方法包括以下步驟。

步驟一，利用輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行打印參數(shù)的設(shè)置或者利用移動終端(手機(jī)APP)遠(yuǎn)程進(jìn)行打印參數(shù)的設(shè)置。

利用計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，例如，攪拌系統(tǒng)的攪拌時間、攪拌速率，擠出系統(tǒng)的擠出時間、擠出量、運動軌跡，xy軸系統(tǒng)的運動軌跡、運動速率、打印噴頭的噴出量，z軸系統(tǒng)的運動軌跡、運動速率等。并通過網(wǎng)絡(luò)將相應(yīng)的參數(shù)命令傳輸至相應(yīng)的系統(tǒng)，進(jìn)而控制打印機(jī)的運行。

步驟二，將水泥基粉體和液體分別置于所述的水泥基粉體物料輸送系統(tǒng)和液體物料輸送系統(tǒng)中，并通過稱量系統(tǒng)控制水泥基粉體和液體的用量。

步驟三，將稱量好的水泥基粉體和液體置于攪拌系統(tǒng)中，攪拌均勻，得到混合物料。

步驟四，將所述的混合物料置于擠出系統(tǒng)中，擠出系統(tǒng)將所述的混合物料置于打印噴頭中。

步驟五，xy軸系統(tǒng)控制打印噴頭將所述的混合物料打印在打印平臺上，完成一層厚度為m的混合物料的打印，之后打印平臺下降m距離。

重復(fù)步驟五，至完成控制系統(tǒng)中設(shè)定的待打印物體的參數(shù)，停止打印。

所述的粉體物料為建筑材料，或者為建筑材料與固態(tài)速凝劑的混合物，所述的液體物料為水，或者為水與液態(tài)速凝劑的混合物。

進(jìn)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、專用水泥、特種水泥、骨水泥、氯氧鎂水泥中的一種或兩種以上的混合物。

即本發(fā)明的水泥為現(xiàn)有水泥，優(yōu)選的，水泥基物料還可以包含有石膏、砂、石，以及煤渣、礦渣等固體廢棄物，有利于促進(jìn)水泥基物料的凝固。優(yōu)選的，本發(fā)明水泥基物料的粒徑小于0.5mm。一方面，提高了水泥基物料的總的表面積，進(jìn)而增大了水泥基物料與速凝劑的反應(yīng)面積，使反應(yīng)速率加快，提高速凝效果；另一方面，使制得的物體的表面更加光滑、細(xì)膩、美觀，使后續(xù)的打磨程序更加簡單。

固態(tài)速凝劑可以為，1、以堿金屬的鋁酸鹽、碳酸鹽等為主要成分的速凝劑；2、以硫鋁酸鈣、鋁酸鈉、鋁酸鈣和硫酸鋁等為主要成分的無堿、低堿速凝劑；3、加入一定量的醇胺(一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、鏈烷醇胺)、多元醇(乙二醇、丙三醇)、有機(jī)酸(檸檬酸、草酸)、聚丙烯酰胺、羧酸等的無機(jī)有機(jī)復(fù)合型速凝劑等。上述速凝劑可極大的減小水泥基材料的初凝時間，使得水泥基材料的初凝時間為幾分鐘，甚至小于1分鐘。

液態(tài)速凝劑可以為，1、中國建筑材料科學(xué)研究總院研制的無堿無氯液態(tài)速凝劑，主要成分有硫酸鋁、無機(jī)酸、多元醇、有機(jī)胺和配位劑；2、中鐵隧道集團(tuán)有限公司研制的無堿液態(tài)速凝劑，主要成分有硫酸鋁、氫氧化鋁、氫氟酸、水玻璃、穩(wěn)定劑等。

實施例1

本實施例提供一種水泥基材料的3D打印機(jī)，如圖1所示。

本實施例提供的水泥基材料的3D打印機(jī)的打印方法如下。

本實施例中的粉體物料為硅酸鹽水泥和硫酸鹽水泥的混合物，兩者的質(zhì)量之比為1∶3，液體物料為水和聚羧酸減水劑的混合物，兩者的質(zhì)量之比為50∶1。粉體物料與液體物料的質(zhì)量之比為2∶1。其中，粉體物料的最大粒徑不超過0.5mm。經(jīng)檢測，粉體物料與液體物料混合后的混合物料的初凝時間為30min。

步驟一，進(jìn)行控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。

攪拌系統(tǒng)的攪拌時間為1min、攪拌速率為90轉(zhuǎn)/min，擠出系統(tǒng)的擠出速率為3mm/s，設(shè)置打印層厚為1mm，填充模式為網(wǎng)格填充，填充密度為30％，打印速度為70mm/s，空走速度100mm/s。并通過網(wǎng)絡(luò)將相應(yīng)的參數(shù)命令傳輸至相應(yīng)的系統(tǒng)，進(jìn)而控制打印機(jī)的運行。

步驟二，將粉體物料和液體物料分別置于所述的粉體物料輸送系統(tǒng)和液體物料輸送系統(tǒng)中，并通過稱量系統(tǒng)控制粉體物料和液體物料的用量。每次稱量10kg粉體物料，5kg液體物料。

步驟三，將稱量好的粉體物料和液體物料置于攪拌系統(tǒng)中，攪拌均勻，得到混合物料。攪拌時間為3min。

步驟四，將所述的混合物料置于擠出系統(tǒng)中，擠出系統(tǒng)將所述的混合物料置于打印噴頭1中?；旌衔锪显跀D出系統(tǒng)中停留的時間為60s。

步驟五，xy軸系統(tǒng)中的打印噴頭1將所述的混合物料打印在打印平臺3上，打印出的混合物料厚度為1mm，之后，打印平臺3下降1mm距離。

重復(fù)步驟五，至完成控制系統(tǒng)中設(shè)定的待打印物體的參數(shù)，完成樣品2的打印。

本發(fā)明同樣適用于申請?zhí)枮?01410554607.4、201610034751.4中指出的速凝水泥基物料。

本發(fā)明中所述的數(shù)值范圍包括此范圍內(nèi)所有的數(shù)值，并且包括此范圍內(nèi)任意兩個數(shù)值組成的范圍值。例如，“攪拌時間為10-300s”，此數(shù)值范圍包括10-300之間所有的數(shù)值，并且包括此范圍內(nèi)任意兩個數(shù)值(例如：20、50)組成的范圍值(20-50)；本發(fā)明所有實施例中出現(xiàn)的同一指標(biāo)的不同數(shù)值，可以任意組合，組成范圍值。

本發(fā)明權(quán)利要求和/或說明書中的技術(shù)特征可以進(jìn)行組合，其組合方式不限于權(quán)利要求中通過引用關(guān)系得到的組合。通過權(quán)利要求和/或說明書中的技術(shù)特征進(jìn)行組合得到的技術(shù)方案，也是本發(fā)明的保護(hù)范圍。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。