在线文库
全部分类
  • 实用文档 >
    实用文档
    总结/汇报 工作计划 实施方案 讲话/发言 心得体会 民主生活会专栏 往来文书 党团工作 合同/协议 求职/职场 表格模板 PPT模板区 主题教育专栏
  • 项目前期 >
    项目前期
    环境影响评价报告 可行性研究报告 项目建议书 项目申请报告/资金 项目计划书/策划书 项目选址/土地利用 社会稳定风险评估报 节能评估/清洁生产 矿山地质环境保护/ 安全评价报告/安全 初步设计 水土保持方案 水资源论证报告 矿产勘查/储量核实/ 地质灾害危险性评估 防洪/防震/防雷评价 职业病危害评价及防 招标/投标/评标文件 项目前期工作/项目
  • 工程管理 >
    工程管理
    设计方案 施工组织设计 施工方案 工程监理/造价 施工工艺 技术交底 验收规范/验收标准 环境保护验收报告 验收报告/验收表单 施工/监理合同 工程管理/工程表格
  • 时代专栏 >
    时代专栏
    调研报告/行业分析 发展规划/规划设计 脱贫攻坚战专栏 乡村振兴战略专栏 污染防治攻坚战专栏 扫黑除恶专项斗争专 ppp项目专栏 一带一路专栏 改革开放40周年专栏
  • 教育考试 >
    教育考试
    幼儿/小学教育 初中教育 高中/职业教育 成人/电大/自考 高等教育/毕业论文 教学研究/教育管理 从业资格考试 IT计算机考试 医药卫生考试 公务员/司法考试 知识竞赛试题
  • 专业资料 >
    专业资料
    人文社会/法律 建筑/建材/土木 环境科学/食品科学 电力/水利 能源/化工 冶金/矿山/地质 道路/交通/物流 机械/仪器/仪表 电子/电路 医药/卫生 纺织/轻工业 IT/计算机/通信 材料科学 航空/兵器/核科学 自然科学 农林牧渔
  • 经管营销 >
    经管营销
    经济/金融/财税 人力资源管理 市场营销 财务管理/分析 生产/经营管理 安全/应急管理 采购/供应链管理 商标/专利/知识产权 企业管理 制度汇编/手册
  • 标准规范 >
    标准规范
    市政/建筑/建材标准 冶金/化工/机械标准 矿山/地质/测绘标准 能源/电力/电气标准 IT/计算机/电信标准 道路/交通/物流标准 医药卫生标准 轻工纺织标准 农林牧渔/水利标准 环境保护/食品标准 安全/气象/防灾标准 管理体系认证标准 政务/商务服务标准 国外/国际标准 标准书籍/手册
  • 生活休闲 >
    生活休闲
    家具家电/家装 饮食 保健养生/体育 婚姻家庭 美容服饰 娱乐时尚 旅游购物 摄影/摄像/绘画 影视/动漫/游戏 幽默滑稽 音乐 文学/小说 随笔/综合
  • 综合区 >
    综合区
  • 换一换
    首页 在线文库 > 资源分类 > PDF文档下载
     

    基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证.pdf

    • 资源ID:40177       资源大小:1.33MB        全文页数:7页
    • 资源格式: PDF        下载权限:游客/注册会员/VIP会员    下载费用:2积分 【人民币0.2元】
    快捷注册下载 游客一键下载
    会员登录下载
    三方登录下载: 微信快捷登录 QQ登录   微博登录  
    下载资源需要2积分 【人民币0.2元】
    邮箱/手机:
    温馨提示:
    支付成功后,系统会自动生成账号(用户名和密码都是您填写的邮箱或者手机号),方便下次登录下载和查询订单;
    支付方式: 支付宝    微信支付   
    验证码:   换一换

    加入VIP
     
    友情提示
    2、PDF文件下载后,可能会被浏览器默认打开,此种情况可以点击浏览器菜单,保存网页到桌面,既可以正常下载了。
    3、本站不支持迅雷下载,请使用电脑自带的IE浏览器,或者360浏览器、谷歌浏览器下载即可。
    4、本站资源下载后的文档和图纸-无水印,预览文档经过压缩,下载后原文更清晰   

    基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证.pdf

    第33卷第1期 2016年1月 土木工程与管理学报 Journal of Civil Engineering and Management V01.33 No.1 Jan.2016 基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证 覃亚伟, 骆汉宾, 车海潮, 徐捷 华中科技大学a.湖北省数字建造与安全工程技术研究中心;b.土木工程与力学学院,湖北武汉430074 摘要建筑3D打印技术是一种全新的自动化建造技术,在大尺寸建筑结构的自动建造中应用潜力巨大,而国 内外关于建筑3D打印技术的研究尚处于起步阶段。本文针对建筑3D打印工艺中的挤出固化打印技术,集成 数控技术、机械技术、计算机技术等设计研制了一套建筑3D打印装置,该打印装置由控制系统、XYZ运动系 统、挤出系统、数据处理系统等模块组成,并且给出了各系统模块的具体技术参数。最后通过一个基于挤出固 化的建筑3D打印实验,验证了本文中设计的基于挤出固化建筑3D打印装置的合理性,并对实验装置、实验材 料以及实验验证的全部过程进行了系统分析。实验分析结果表明该建筑3D打印装置具备良好的集成控制功 能,可以完成建筑信息模型的实体化建造。 关键词建筑3D打印;挤出固化;装置设计;实验验证 中图分类号TU741.2 文献标识码A 文章编号2095-0985201601-0054-07 Design and Verification of a Building 3 D Printing Device Based on Extrusion qtN Yawei,LUO Hartbin,CHE Hai-chao,XU Jie a.Hubei Engineering Research Center f0r Digital Construction and Safety b.School of Civil Engineering and Mechanics,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China AbstractBuilding 3 D printing technology is a new automatic construction technology which has great potential applications in the automatic construction of large size structures.The related research at home and abroad is still in its initial stage.Aimming at extrusion curing printing technology in building 3 D printing,this paper developed a extrusion printing device integrated with numerical control technology,mechanical technology and computer technology.This printing device consisted of control systems,XYZ motion system,extrusion system,data processing system,and the specific technical parameters of the system were given.And then,the rationality of this building 3 D printing device was verified through the printing experiments.Finally,the analysis was made among all the process of experimental apparatus,experimental materials and experimental verification.The experimental results show that the building 3 D extrusion printing device has a good integrated control function,which can complete the construction of the building ination mode1. Key wordsbuilding 3D printing;extrusion printing;device design;experimental verification 目前,建筑行业的自动化水平与其他行业相 比尚显落后,随着世界特别是发达国家工程建造 建设概念的转变,实现快速、高效的自动化建造已 成为世界建筑行业的发展趋势。 上世纪末以来,美国和日本在不同程度上将 自动化技术应用于建筑领域以解决诸如生产效 率,质量,安全,成本和熟练劳动力短缺等问 题 。然而,由于机器人系统不能实时检测和运 行,独立解决问题,导致单任务的机器人被限制到 一个很小的建筑面积。此外,大多数的自动化系 收稿日期20159-17修回日期2015-10-27 作者简介覃亚伟1974-,男,湖北宜昌人,讲师,博士,研究方向为土木工程施工与数字建造Emailqinyaweihust.edu.cn 基金项目“十二五”国家科技支撑计划2012BAK24B00;中央高校基本科研业务费2015TSI19 第l期 覃亚伟等基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证 。55 统需要许多的预制件,这意味着额外的库存成本, 运输工具和机械设备。因此,使用传统的自动化 技术建立一个完全成熟的、可以解决建筑业的问 题的自动化系统将是相当昂贵的 ’ 。 现在,有一种分层制造技术3D打印技术, 在大尺寸建筑结构的自动建造中具有广阔的应用 前景。该方法采用了整体建筑共同成型方式,改 变了传统的梁板柱的建筑形式。在国外,美国、英 国等发达国家从建造工艺、3D打印数据处理、建 筑材料等方面对3D打印在建筑建造中的应用进 行了深入、系统的研究与探索,比较有代表性的有 美国南加州大学、英国拉夫堡大学以及英国Mon lite公司等。而国内关于建筑3D打印的研究还 集中于少数学者对国外已有成果的综述上,因此 本文对建筑3D打印技术进行深入研究,设计了 一套基于挤出固化的建筑3D打印装置,并进行 了打印输出实验。 1 建筑3D打印基本原理及工艺类型 1.1基本原理 3D打印技术,又叫增材制造,美国的3D打 印技术委员会对3D打印的定义如下3D打印是 一种与传统的材料加工方法截然相反,基于三维 CAD模型数据,通过增加材料逐层制造的方式, 直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实 体模型的制造方法 j。其打印原理如图1所示。 层片加工与叠加 层片始径规划 图1 3D打印技术基本原理 建筑3D打印就是利用3D打印层层堆积的 基本原理,采用工业机器人逐层重复铺设材料层 构建自由形式的建筑结构的新兴技术。建筑3D 打印机的构成和传统打印机基本一样,一般都包 括控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等。 建筑3D打印机根据电脑上设计的完整的三维模 型数据,通过一个运行程序将材料分层打印输出 并逐层叠加,最终将三维数字模型变为建筑实物。 1.2工艺类型 根据以上基本原理,国内外学者对3D打印 技术在建筑建造中的应用进行了广泛的探索和研 究,由此衍生出了多种具体的建筑3D打印技术。 笔者根据成型方式将目前已有的建筑3D打印技 术划分为挤出固化打印Extrusion Printing和选 择性粘结打印Selective Solidification Printing两 种工艺类型。 挤出固化打印是指用喷嘴挤出胶状材料,然 后层层堆积至所需高度的一种打印工艺。其工艺 流程如图2所示。 图2挤出固化打印工艺流程 选择性粘结打印是指用粘接剂逐层选择性 粘结固化粉末状材料,以打印建筑实体的过程。 其工艺流程如图3所示。 图3选择性粘结打印工艺流程 挤出固化打印和选择性粘结打印的典型代表 分别为轮廓工艺Contour Crafting ,61、混凝土打 印Concrete Printing 和D.shape打印 。各 种技术的特点及使用对象见表1。 两种工艺相比,各有优缺点,选择性粘结打印 是真正意义上的3D打印,适合打印异形建筑,但 需要较多的材料作为辅助;而挤出固化打印比较 符合现有的建筑模式,类似于传统的现浇混凝土 结构施工。因此,本文将在下一节针对挤出固化 打印技术,设计一套基于挤出固化的建筑3D打 印装置。 表1建筑3D打印技术工艺类型 工艺类型 典型代表 技术特点 适用对象 轮廓工艺 多喷嘴挤出混凝土,打印速度快;喷嘴外侧有抹刀,实现光滑表面 大型建筑、整体房屋 混凝土打印 单喷嘴打印,精度高,自由度高 小型、异型建筑构件 选择性粘结 。一sh印e 望等器篇 耋籍 姿 襄 {;; 霪 结,不堵塞喷嘴及管 任意形状构筑物 56 土木工程与管理学报 2016年 2基于挤出固化的3D打印装置设计 2.1总体设计 基于挤出固化3D打印基本原理,将自动化 数控机床与建筑机械结合,本文提出了基于挤出 固化的建筑3D打印装置由四个部分组成控制 系统、XYZ运动系统、挤出系统和数据处理系统。 控制系统用于实现各装置的自动控制和顺序运 动,提高加工效率。XYZ运动系统用于接收控制 系统的指令,做出各种直线、曲线等复杂的运动。 挤出系统包括螺杆泵、电动喷嘴以及将喷嘴和螺 杆泵连接起来的导管,用于挤出砂浆拌合物。数 据处理系统用于将STL文件3D打印快速成型 中常用的一种文件格式进行切片分层处理、路 径规划,然后转化为控制系统识别的代码。基于 挤出固化的建筑3D打印装置构成如图4所示。 图4建筑3D打印装置组成模块 2.2控制系统 控制系统是本装置的核心,采用可集成控制 一台或多台机械装置的数控系统,基于挤出固化 的建筑3D打印装置的数控系统应具备以下基本 功能 1微处理器微处理器是数控系统的大脑, 其性能将对数控系统的性能产生直接影响,因此, 数控系统应具备性能强大的微处理器。同时,微 处理器还应具备管理人机交互界面的功能。 2外部输入功能数控系统应具备接收外 部数据的功能,具备相应的数据接口,如串口通 信、USB通信等。 3G代码解释功能数控系统应能够识别G 代码数控领域常用的一种数控代码,并能够直 接将G代码解释为运动控制识别的控制流。 4轴联动功能数控系统应能够控制机床 实现XYZ三轴匀速运动、位置运动以及回零运 动,并能够控制机床实现XYZ三轴直线插补及任 意两轴的圆弧插补运动。 5机械信号的处理数控系统应能对停止 信号、限位信号、原点信号等机械信号进行有效处 理,还应该对一些异常信号如报警信号、急停信号 等进行有效处理。 6人机交互界面数控系统应具备良好的 人机交互界面,以便于用户通过人机交互界面对 数控系统各个功能模块进行操作。 按照以上功能需求,本文选择了广州数控 GSK980MDc钻铣床CNC作为本装置的数控系 统,该数控系统采用了32位高性能CPU和超大 规模可编程器件FPGA,运用实时多任务控制技 术和硬件插补技术,可实现um级精度控制和 PLC逻辑控制。 2.3 XYZ运动系统 XYZ运动是建筑3D打印装置进行三维建筑 打印的基本条件。用于基于挤出固化的建筑3D 打印XYZ运动系统应该满足以下基本功能 1X、Y轴组成平面扫描运动,z轴机械臂 由伺服驱动电机驱动做垂直于XY平面的运动。 2XYZ运动系统的结构部件应该简单轻 便、易于安拆,具备良好的工地适应性。 3XYZ运动系统的结构部件应具备较高的 强度、刚度,以满足结构自身的负载及其他工作需 要,同时应该具备较高的精度以满足精准建造的 要求。 基于以上功能需求,本文设计了图5所示的 XYZ运行系统,包括设备结构件、运动轨道、运动 滑块、传动元件、驱动电机等。其具体的工作方法 是z轴安装3D打印喷头,采用垂直向下的工作 方式,喷头在水平移动时始终保持垂直于被打印 建筑。 1设备结构件设备结构件由优质钢板和型 材通过焊接或螺栓连接而成,包括四根立柱、一个 横梁、一个z轴机械臂、侧边斜撑以及由四根方 形钢管焊接而成的方形框架组成。在便于安装和 拆卸的同时,最大限度地保证了设备的稳定性。 2运动轨道三轴共六条1.2米长高精度直 线滚动导轨;1.2米长用于驱动z轴的精密齿条。 3运动滑块线性轴装有润滑系统,能持续 提供自润滑和除尘刮屑系统。 4传动元件x、Y轴采用高精度高强度同步 齿形带驱动,同步齿形带具有定位精度高、磨损小 等优点,并且可以适用于高速运动,组装容易并具 互换性。 5驱动元件三轴都采用型号为80SJT的广 第1期 覃亚伟等基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证 。59 。 系 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图l2建筑3D打印装置运行流程 3.2实验材料 1原材料 本实验拟采用建筑工程施工中常用的水泥砂 浆作为建筑3D打印材料,原材料有水泥、砂、减 水剂、早强剂、缓凝剂等。 水泥采用华新牌42.5R硅酸盐水泥,密度 3.1 g/cm ,化学成分见表4,主要技术指标见表 5。砂的主要性能指标见表6。 减水剂采用苏州市兴邦化学建材有限公司生 产的磺化三聚氰胺树脂高效减水剂。 早强剂采用无水硫酸钠试剂。缓凝剂采用葡 萄糖酸钠试剂。 表4水泥化学成分 % 化学成分SiO2 A12o3 Fe2O3 CaO SO3 NazO MgO LOI 所占比例22.4 5.85 2.81 60.2 2.47 0.15 1.63 2.42 表5水泥主要技术指标 抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 凝钴/m时间in /% 27 28 d 1 d 3 d 28 d初凝终凝 8.3 16.2 32.4 47.4 159 214 砂的主要性能指标 2材料配比 基于挤出固化的建筑3D打印材料在进行材 料配比时,需要尽可能地考虑以下性能指标 ’ 1可挤出性。可挤出性是指新拌制的胶状 物通过料斗和泵送系统可以顺畅、连续地到达喷 嘴并由喷嘴匀速挤出的能力。 2可建造性。建筑3D打印中所用的建筑材 料的可建造性是指材料可形成自支持,并能支撑 打印材料的性能。 3可用性。可用性是指最终硬化的材料的 力学性能,其抗拉强度和抗压强度与挤出物中空 气含量及打印路径有关。 4和易性。和易性是指新拌胶状物易于各 工序施工操作搅拌、挤出等并能获得质量均 匀、成型密实的性能,其含义包含流动性、粘聚性 及保水性。也称胶状物的工作性。 为了使水泥砂浆尽可能满足以上性能指标, 本文采用了课题组李璇 在其硕士毕业论文 3D打印混凝土配合比设计及其基本性能研究 中研究的关于建筑3D打印水泥砂浆的最佳配合 比,即水灰比0.32、灰砂比11、减水剂掺量 0.5%、早强剂掺量1%和缓凝剂掺量0.3%。 3.3实验验证 为验证本文设计的正确性,本文采用以上实 验装置及实验材料进行了建筑3D打印输出实验 三维空心圆柱体3D打印实验。 首先,用AUTOCAD软件建立图13中所示的 三维空心圆柱体,圆柱体外径为300 mm,内径为 160 mm,高为24 mm。建立好模型之后,将模型 输出为STL文件,再将STL文件导人数据处理系 统中,在系统界面中设置相关参数,如表7所示。 从而输出数控程序到建筑3D打印装置的数控系 统中,同时将拌制好的水泥砂浆加人螺杆泵的料 斗中。最后,数控系统执行数控程序,进行空心圆 柱体的打印输出。 表7圆环实验工艺参数 工艺参数 参数值 分层厚度/mm 分层方向 偏置间距/mm 偏置次数/次 填充间距/mm 扫描速度/mm/min 螺杆泵电机转速/转/min 8 Z轴 7 5 0 3400 43 表7中的偏置间距是指轮廓偏置扫描时多变 形轮廓线向图形内部偏置的问距,一般为喷嘴挤 出材料宽度的一半。填充间距是指平行于x轴、 Y轴扫描时,扫描线的间距。扫描速度是指机械 臂运行速度,可以在数控系统中进行设置。扫描 速度和泵送速度两组数据是结合填充间距、分层 高度经过多次试验确定的。 实验输出结果如图13所示,整个实验过程较 流畅,水平及竖向尺寸精度控制较好,各系统模块 运行良好。实验证明,集成了数控系统、XYZ运 动系统、螺杆泵、电动喷嘴的建筑3D打印输出装 置具备良好的集成控制功能,是可以完成建筑打 印输出实验的。因此,本文基于挤出固化的建筑 3D打印装置的设计是正确、可行的,可以完成复

    注意事项

    本文(基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证.pdf)为本站会员(暮雨亦成詩)主动上传,在线文库仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知在线文库(发送邮件至zaixianwenku@163.com或直接QQ联系客服),我们立即给予删除!

    温馨提示:如果因为网速或其他原因下载失败请重新下载,重复下载不扣分。




    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 帮助中心 - 广告服务 - 诚邀英才 - 联系我们

    文库交流QQ群:630737895 在线文库交流群      联系客服QQ:1726005040  联系客服QQ:1518322126

         联系邮箱:zaixianwenku#163.com (请把#改为@)

     在线文库网版权所有   青公网安备:63010402000280号   青ICP备13000082号-5

    展开