CN105401724A - 实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多种打印材料和多个打印头制作含有悬挑部位的建筑物的成型方法,其步骤是:根据预打印的建筑物建立其三维CAD实体模型，针对其悬挑部分，生成相应的支撑结构；对包括支撑结构的三维CAD实体模型进行切片分层，获取每层的实体部分和支撑部分的结构信息和加工信息；实体部分的结构采用建筑材料成型,支撑部分的结构采用其它类材料成型；建筑物的打印过程与三维打印中的熔丝沉积制造工艺类似，均采取喷头挤出成型材料、逐层堆积而打印成型；打印完成后再去除支撑材料，从而得到具有悬挑结构的建筑物。本发明方法采用多种材料、多个喷头结合3D打印工艺，实现建筑物的悬挑部位的打印成型，工序简单、制造成本低、支撑材料可重复利用。

Description

实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法

技术领域

本发明涉及一种建筑打印中的悬挑成型方法，具体涉及具有悬挑结构的建筑物的3D打印成型领域.

背景技术

建筑打印(也称建筑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3D打印的目标与功能在于：建筑师能够借助3D设计软件系统快速设计出数字化建筑结构，通过大型建筑打印装备，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。

建筑3D打印技术与传统建筑技术相比，具有低碳、绿色、环保的特点，具体体现在：1)强度高——由于是一体成型，抗冲击强度远高于传统建筑；2)速度快——可比传统建筑技术快10倍以上；3)成本低——利用3D打印的自由成型特点，可以大幅度节省材料，利用废煤渣、废钢渣打印的城市雕塑或主题艺术品具有废物利用、成本低廉的优势；4)质量高——打印过程几乎完全自动化，不需要数量庞大的建筑工人，大大提高了生产效率，提高了建筑质量；5)环保、艺术与功能一体化——与其他各类3D打印技术、机器人技术以及先进成型技术结合，可以打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑，尤其是艺术与环保融为一体的生态建筑。

建筑3D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的。在全世界环境污染日益严峻的情况下，发展环保型产业是各国可持续发展的必然要求，建筑3D打印技术与产业所带来的不仅是一场技术革命，更是一场环保革命。我国“九五”计划在将建筑业和建材行业列为支柱产业的同时指出，“建材工业应以调整结构、节能、节地、节水、减少污染为重点，大力增加优质产品，发展商品混凝土，积极利用工业废渣，走可持续发展的道路”。建筑3D打印不仅可以更有效地利用混凝土材料，大大减少水泥需求量，更能够大幅度提高建筑物服役寿命，此举无疑又大大减少了建筑垃圾的产生，减少了重复建设。商品混凝土行业也一定会从一个低技术门槛的行业发展成为一个高技术含量、高附加值的黄金产业。

3D建筑打印可以取代传统的建造模式，成为未来建筑行业的主要形式。其对于目前的建筑行业而言，将是具有革命性、颠覆性的意义。目前已引起国内外多个国家，尤其是欧美和国内的高度重视。

但当前的建筑打印，由于采用的普遍为混凝土或石膏等材料，其成型速度慢、成型初期强度弱的弱点比较明显，因此如果采用单一打印材料和单个打印头，将只能打印形状简单的物体，而对于含有悬挑(或称悬臂、悬梁等)的建筑结构却无能为力。

发明内容

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悬挑部位的建筑物的成型方法。

本发明是运用如下技术方案来实现发明目的的：

1)根据预打印的建筑物建立其三维CAD实体模型，针对其悬挑部分，生成相应的支撑结构；

2)对包括支撑结构的三维CAD实体模型进行切片分层，获取每层的实体部分和支撑部分的结构信息和加工信息；

3)实体部分的结构采用建筑材料成型；

4)支撑部分的结构采用其它类材料成型；

5)建筑物的打印过程与三维打印中的熔丝沉积制造工艺类似，均采取喷头挤出成型材料、逐层堆积而打印成型；

6)打印完成后再去除支撑材料，从而得到具有悬挑结构的建筑物。

对于所述的实体结构的成型方法，其方法是：计算机控制打印喷头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料；在喷头挤出的过程中，通过喷洒速凝剂或反应溶剂或光固化剂进行快速固化或粘结反应，形成具有一定强度和厚度的实体层片。

对于所述的支撑结构的成型方法，其方法是：计算机控制打印喷头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出塑料或其它容易去除的成型材料；在喷头挤出的过程中，通过对粉体塑料或块状塑料加热致其融化，利用螺杆或其他挤出机构使其挤出形成具有一定强度和厚度的支撑层片；所选的支撑材料与实体材料应容易剥离，且易回收，优选塑料类粉末材料作为支撑材；可以根据建筑物悬挑部位的结构设计多种形式的支撑结构，一般为斜梁式或垂直式或包裹式；为加快支撑部位的打印速度，也可采用多个打印头喷射支撑材料。

该方法所述的实体材料的打印喷头采用泵送和螺杆复合挤出方式，支撑材料的打印喷头采用电加热和螺杆复合挤出方式；实体材料和支撑材料的打印喷头的喷嘴孔径一般为1～500mm，典型的喷孔直径为5～100mm；在打印每一层的过程中，如需要同时打印支撑材料和实体材料，一般要先打印支撑材料，后打印实体材料。

在打印一些造型较为复杂的建筑物时，由于采用的混凝土或石膏等成型材料的固化或凝固时间较长，初期强度较弱，在悬挑部位的曲率变化比较大时，很容易出现垮塌，这时就需要采用较小的层厚，即打印层厚减小；而对于打印垂直墙面时，为减小打印时间，这时就需要采用较大的层厚，即打印层厚增加。该方法称为变层厚切片方法。在实施过程中，可以根据悬挑部位的曲率变化，采用变层厚切片方法，即曲率变化越大，其切片厚度约薄；在成型过程中，曲率变化越大的部位，实体材料和支撑材料所对应的打印喷头的材料输出量约小，其成型的厚度与计算机生成的切片厚度数值一致。该变层厚切片方法可根据建筑物的实际需求灵活采用。一般情况下，建议在建筑物打印部位的曲率变化不大时，采用等层厚切片方法；变化较大时，采用变层厚切片方法。两种方法柔性运用。

有益效果：①在建筑CAD模型设计阶段，就针对悬挑部位的打印设计其适当的支撑结构；在打印过程中，采用多个打印头和多种成型材料，以保证悬挑部位的顺利成型。②支撑材料采用塑料类粉末材料，易去除，易回收，在打印完成后，待实体建筑材料达到其足够的强度时便可以拆除，后处理过程较为简单，制造成本低。

本发明方法采用多种材料、多个喷头结合3D打印工艺，实现建筑物的悬挑部位的打印成型，工序简单、制造成本低、支撑材料可重复利用。本发明方法尤其适用于复杂结构的建筑物的打印成型，在景观雕塑、小型建筑、假山等此类的建筑物成型领域有着广泛的应用前景。

附图说明:麻烦老师把图全部改成黑白色的.

图1所示的是具有悬挑部位的建筑物3D打印成型方法示意图；

图2所示的是具有悬挑部位的建筑物3D打印成型过程中的垂直支撑添加方法示意图；

图3所示的是具有悬挑部位的建筑物3D打印成型过程中的网格支撑添加方法示意图；

图4所示的是具有悬挑部位的建筑物3D打印成型过程中的优化支撑添加方法示意图；

图5所示的是具有悬挑部位的建筑物3D打印成型过程中的包裹支撑添加方法示意图。

以上的图中包括3D打印的建筑物1，变层厚切片中的厚切片2，变层厚切片中的薄切片3，喷头安装架4，实体材料喷头5，实体材料6，支撑材料喷头7，支撑材料8，打印的支撑9，支撑的基底10，打印的垂直型支撑91，打印的网格型支撑92，打印的优化型支撑93,打印的包裹型支撑94。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1：以打印图示中的1为例，采用两种打印喷头：分别为实体材料喷头5和支撑材料喷头7，实体材料喷头5内含有的实体材料6为混凝土，支撑材料喷头7内含有的支撑材料8为ABS塑料颗粒。实体材料喷头5和支撑材料喷头7分别安装在喷头安装架4上。喷头安装架4作为成型设备的运动部件之一则在计算机的控制下，根据计算机设定的成型信息逐层完成3D打印的运动。

采用3D打印制作含有悬挑部位的建筑物的具体过程如下：

根据预打印的建筑物1建立其三维CAD实体模型，针对其悬挑部分，生成相应的支撑结构；对包括支撑结构的三维CAD实体模型进行变层厚切片，得到可能存在厚度不等的切片分层，获取每层的实体部分和支撑部分的结构信息和加工信息；在打印曲率变化不大的部位时，喷头5喷射的混凝土材料6在计算机的控制下会加大输出量，从而制作出变层厚切片中的厚切片2，此时支撑材料喷头7不工作；在打印曲率变化较大的部位时，喷头5喷射的混凝土材料6在计算机的控制下会减小输出量，从而制作出变层厚切片中的薄切片3，此时支撑材料喷头7开始工作；在每层需要打印支撑9时，支撑材料喷头7先工作，实体材料喷头5后工作；为确保打印的支撑9对悬挑部位有足够的强度支撑，根据实际情况，可采用在建筑物底部用支撑材料打印出较厚的支撑的基底10。

在打印成型过程中，打印的支撑9的结构可根据具体情况进行灵活选择，以下4个实施例展示了几种不同支撑添加方式。

实施例1：

图2所示的支撑添加方式为最为简单的一种，打印出的垂直型支撑91结构简单，适用于造型简单的建筑物，此类支撑易于去除。但此类支撑强度较弱，不适于较重的悬挑部位的支撑，且在支撑与建筑物悬挑底部的接触面部位，较为粗糙，需要做打磨等适当的后处理。

实施例2：

图3所示的支撑添加方式为网格型支撑92的结构形式和添加方法，此类支撑强度较好，但支撑打印时间较长，浪费支撑材料现象比较严重，支撑与建筑物悬挑底部的接触面部位也较粗糙。

实施3：

图4所示的支撑添加方式为优化型支撑93的结构形式和添加方法，此类支撑的添加方法是根据建筑物和悬挑部位的结构，以及实体材料和支撑材料的力学性能和物理性能等因素，进行综合分析与优化后生成的。该方法以使用最少支撑材料产生足够的支撑强度为依据而进行设计的。该方法具有支撑材料使用量最少、支撑拆除容易、支撑打印时间较短的优势，但在支撑与建筑物悬挑底部的接触面部位仍较粗糙。

实施4：

图5所示的支撑添加方式为包裹型支撑94的结构形式和添加方法，此类支撑的添加与上述3种实施方法可混合使用，即实施例1和4、实施例2和4、实施例3和4可分别同时使用。该种包裹型支撑的添加是根据悬挑部位的曲线打印出与其一致的包裹层，就像是该悬挑部位的部分壳体(一般只需要打印出能够支撑该悬挑部位的部分壳体即可，非完整型)。该种方法具有实施例3的优势，同时又确保了支撑与建筑物悬挑底部的接触面部位的光滑，且容易剥离。

以上仅是根据实体材料为混凝土材料和支撑材料为ABS颗粒为例，阐述该发明的实施过程。如果采用两种以上的实体材料以及两种以上的支撑材料，或者采用两个以上的实体材料喷头和两个以上的支撑材料喷头制作具有悬挑部位的建筑物时，实施过程与上述实施方法类似，可做适当变更。

Claims (8)

1.一种实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法，其步骤如下：

1)根据预打印的建筑物建立其三维CAD实体模型，针对其悬挑部分，生成相应的支撑结构；

2)对包括支撑结构的三维CAD实体模型进行切片分层，获取每层的实体部分和支撑部分的结构信息和加工信息；

3)实体部分的结构成型是采用建筑材料成型；

4)支撑部分的结构成型是采用其它类材料成型；

5)建筑物的打印过程与三维打印中的熔丝沉积制造工艺类似，均采取喷头挤出成型材料、逐层堆积而打印成型；

6)打印完成后再去除支撑材料，从而得到具有悬挑结构的建筑物。

2.根据权利要求1所述的实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法，其特征在于：实体结构的成型过程如下：计算机控制打印喷头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出混凝土或石膏或其它建筑成型材料；在喷头挤出的过程中，通过喷洒速凝剂或反应溶剂或光固化剂进行快速固化或粘结反应，形成具有一定强度和厚度的实体层片。

3.根据权利要求1所述的实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法，其特征在于：支撑结构的成型过程如下：计算机控制打印喷头按照每一层的结构信息做设定的打印运动，并按照加工信息有选择性地挤出塑料或其它容易去除的成型材料；在喷头挤出的过程中，通过对粉体塑料或块状塑料加热致其融化，利用螺杆或其他挤出机构使其挤出形成具有一定强度和厚度的支撑层片；所选的支撑材料与实体材料应容易剥离，且易回收，优选塑料类粉末材料作为支撑材料。

4.根据权利要求1、2、3任一项所述的实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法，其特征在于：

1)实体材料的打印喷头采用泵送和螺杆复合挤出方式，支撑材料的打印喷头采用电加热和螺杆复合挤出方式；

2)实体材料和支撑材料的打印喷头的喷嘴孔径一般为1～500mm，典型的喷孔直径为5～100mm；

3)在打印每一层的过程中，如需要同时打印支撑材料和实体材料，一般要先打印支撑材料，后打印实体材料。

5.根据权利要求1、2、3任一项所述的实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法，其特征在于：

1)建筑物悬挑部位的结构设计为多种形式的支撑结构；

2)喷头为多个。

6.根据权利要求1、2、3任一项所述的实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法，其特征在于：悬挑部位的打印，根据其曲率变化，采用变层厚切片打印方法，即曲率变化越大，其切片厚度约薄；在成型过程中，曲率变化越大的部位，实体材料和支撑材料所对应的打印喷头的材料输出量约小，其成型的厚度与计算机生成的切片厚度数值一致。

7.根据权利要求5所述的实现建筑打印的悬挑部分的打印成型方法，其特征在于：支撑结构为垂直型支撑或网格型支撑或优化型支撑或包裹型支撑。

8.权利要求1至7任一项权利要求中的打印喷头，其特征在于，喷头为两种，分别为实体材料喷头和支撑材料喷头，实体材料喷头内含有的实体材料为混凝土，支撑材料喷头内含有的支撑材料为ABS塑料颗粒。实体材料喷头和支撑材料喷头7分别安装在喷头安装架上。喷头安装架作为成型设备的运动部件之一则在计算机的控制下，根据计算机设定的成型信息逐层完成3D打印的运动。