一種3D打印機及其打印方法與流程

本發明涉及一種打印技術，特別是涉及一種水泥基、石膏材料等建筑用粉體材料的3D打印機及其打印方法。

背景技術：

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

3D打印技術在珠寶、鞋類、工業設計、汽車、航空航天、醫療、軍工以及其他領域都有應用，該技術同樣引發了建筑業追捧的熱潮。3D打印建筑技術與傳統建筑相比，其優勢在于：速度快，不需要使用模板，可以大幅節約成本；不需要數量龐大的建筑工人，大大提高了生產效率；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、環保的特點。3D打印建筑技術可能改變建筑業的發展方向，對環保、建筑業、預拌混凝土行業帶來的改變是顯而易見。

然而，現有的建筑用粉體物料，例如水泥材料，凝結時間長，通常的初凝時間6～10h，終凝時間24h左右，不能滿足3D打印過程中材料在短時間內快速成型的要求；且一般呈流動性，無法滿足3D打印過程中的豎直堆積性能；并且，水泥材料的熔融溫度較高，所以無法作為3D打印材料使用，嚴重阻礙了水泥基材料3D打印的發展。石膏等粉體的建筑材料也面臨著同樣的問題。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于，提供一種3D打印機及其打印方法，尤其適用于水泥基材料、石膏材料等建筑用粉體物料；所要解決的技術問題是采用現有的水泥、石膏等建筑用粉體材料，提供一種3D打印機及相應的打印方法，使水泥、石膏材料成功應用于3D打印技術，為3D打印技術在建筑、石膏工藝品等行業的應用提供技術支持。

本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。

根據本發明提供的一種3D打印機，所述的打印機包含有控制系統、物料系統、攪拌系統、擠出系統、xy軸系統和z軸系統、無線發射/接收系統和輸入輸出系統，其中，所述的控制系統用于控制攪拌系統、擠出系統、xy軸系統和z軸系統；所述的物料系統包括物料輸送系統和稱量系統，與攪拌系統連接；所述的攪拌系統用于物料的攪拌，與物料系統、擠出系統連接；所述的擠出系統用于擠出攪拌均勻的混合物料，將混合物料擠入打印噴頭；所述的xy軸系統控制所述的打印噴頭在xy軸方向運動；所述的z軸系統包含成型粉體貯存缸、成型缸和鋪粉輥，所述的成型粉體貯存缸底部為可移動第一活塞，所述的成型缸底部為可移動第二活塞。

本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。

優選的，根據前述的一種3D打印機，其中所述的物料系統包括液體物料輸送系統、液體物料稱量系統；或者，所述的物料系統包括液體物料輸送系統、液體物料稱量系統和粉體物料輸送系統、粉體物料稱量系統，所述的粉體物料為建筑用粉體材料。

優選的，根據前述的一種3D打印機，其中所述的建筑用粉體材料為水泥基粉體材料或石膏粉體材料。

優選的，根據前述的一種3D打印機，其中所述的z軸系統還包括成型粉體收集缸。

優選的，根據前述的一種3D打印機，其中所述的可移動第一活塞和所述的可移動第二活塞在豎直方向上運動，且所述的可移動第一活塞上升的距離等于所述的可移動第二活塞下降的距離。

優選的，所述的3D打印機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與打印噴頭之間。以速凝水泥基物料為打印材料，應嚴格控制各步驟中物料的流動性，尤其是擠出系統和打印噴頭處物料的流動性。擠出系統處的物料的流動性不可太低，否則會凝固在擠出系統處，導致打印失敗，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，用于實時監測混合物料的流動性。

優選的，根據前述的一種3D打印機，其中所述的無線發射/接收系統與控制系統相連，用于遠程移動終端(例如手機APP)對3D打印機進行控制和監控，所述的監控內容可以是打印進度等。

優選的，根據前述的一種3D打印機，其中所述的輸入輸出系統與控制系統相連，用于現場的打印參數和數字模型的輸入與輸出，所述的輸出可以是打印進程數據的輸出。

本發明的目的及解決其技術問題還采用以下的技術方案來實現。

根據本發明提供的一種3D打印方法，采用前述任一項所述的打印機，打印方法包括：步驟一，利用輸入輸出系統進行打印參數的設置或者利用移動終端(例如手機APP)遠程進行打印參數的設置；步驟二，將粉體物料和第一液體物料分別置于所述的粉體物料輸送系統和液體物料輸送系統中，并通過稱量系統控制粉體物料和第一液體物料的用量；步驟三，將稱量好的粉體物料和第一液體物料置于攪拌系統中，攪拌均勻，得到第一混合物料；步驟四，將所述的第一混合物料置于擠出系統中，擠出系統將所述的第一混合物料置于xy軸系統中；步驟五，z軸系統中的成型粉體貯存缸中有第一成型粉體，可移動第一活塞上升a距離，采用鋪粉輥將第一成型粉體均勻鋪在可移動第二活塞上，xy軸系統上的打印噴頭將所述的第一混合物料打印在鋪有第一成型粉體的可移動第二活塞上，第一混合物料與第一成型粉體發生化學反應，凝固定型，第二活塞下降a距離；重復步驟五，至完成控制系統中設定的待打印物體的參數，停止打印，去除多余粉體，表面打磨，即得到待打印物體，所述的粉體物料為水泥基物料或石膏物料，所述的第一液體為水，所述的第一成型粉體包含有固態速凝劑、第二系列水泥、第三系列水泥、骨水泥和氯氧鎂水泥中的一種或幾種；或者，所述的第一成型粉體包含有固態速凝劑，和，第二系列水泥、第三系列水泥、骨水泥和氯氧鎂水泥中的一種或幾種。

本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。

優選的，根據前述的一種3D打印方法，其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。

優選的，根據前述的一種3D打印方法，其中所述的攪拌時間為2-4min。

本發明的目的及解決其技術問題還采用以下的技術方案來實現。

根據本發明提供的一種3D打印方法，采用前述中任一項所述的打印機，打印方法包括，步驟一，利用輸入輸出系統進行打印參數的設置或者利用移動終端遠程進行打印參數的設置；步驟二，將第二液體物料置于所述的液體物料輸送系統中，并通過稱量系統控制第二液體物料的用量；步驟三，將稱量好的第二液體物料置于攪拌系統中，攪拌均勻，得到第二混合物料；步驟四，將所述的第二混合物料置于擠出系統中，擠出系統將所述的第二混合物料置于xy軸系統中；步驟五，z軸系統中的成型粉體貯存缸中有第二成型粉體，z軸系統中的可移動第一活塞上升b距離，采用鋪粉輥將第二成型粉體均勻鋪在可移動第二活塞上，xy軸系統上的打印噴頭將所述的第二混合物料打印在鋪有第二成型粉體的可移動第二活塞上，第二混合物料與第二成型粉體發生化學反應，凝固定型，可移動第二活塞下降b距離；重復步驟五，至完成控制系統中設定的待打印物體的參數，停止打印，去除多余粉體，表面打磨，即得到待打印物體，所述的第二液體為水和液態速凝劑；所述的第二成型粉體為水泥基粉體或石膏粉體。

本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。

優選的，根據前述的一種3D打印方法，其中所述的水泥基粉體包含有通用水泥、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。

優選的，根據前述的一種3D打印方法，其中所述的攪拌時間為10-120s。

借由上述技術方案，本發明一種3D打印機及其打印方法至少具有下列優點：

1、本發明提供了一種原料為水泥等建筑用粉體材料的3D打印機。

本發明提供的3D打印機的原料為現有的水泥基等的建筑材料，成功將水泥基材料運用到3D打印技術，為3D打印技術在建筑行業的應用提供技術支持。

水泥基材料在3D打印領域的發展遇到諸多困難，例如，1、水泥材凝結時間較長，且具有流動性，在沒有模具的情況下，很難在短時間內定型；2、基于選擇性激光燒結(SLS)原理的3D打印技術，需要將待打印的材質燒結至接近熔融狀態，然而，與現有的打印材質相比，將水泥燒結至熔融狀態所需能量較大。

本發明利用現有的水泥基材料與速凝劑之間的化學反應，極大的減少了水泥的初凝時間，同時利用粉體材料的截流作用，抑制了水泥初凝前的流動性，使水泥基材料成功應用與3D打印技術，為3D打印技術在建筑行業的應用提供技術支持。

本發明提供的3D打印機同樣適用于石膏材料。

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

附圖說明

圖1實施例1水泥基材料的3D打印機。

圖2本發明水泥基材料的3D打印機的z軸系統的主視圖。

圖3本發明水泥基材料的3D打印機的z軸系統的俯視圖。

其中，1鋪粉輥，2粉體貯存缸中的粉體，3a可移動第一活塞，3b可移動第二活塞，4粉體貯存缸，5打印噴頭，6成型缸，7粉體收集缸，8樣品。

具體實施方式

為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的一種3D打印機及其打印方法，其具體實施方式、結構、特征及其功效，詳細說明如后。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、結構或特點可由任何合適形式組合。

以水泥基材料為例。

本發明提供一種水泥基材料的3D打印機。

本發明提供的水泥基材料的3D打印機包含有，控制系統、物料系統、攪拌系統、擠出系統、xy軸系統和z軸系統、無線發射/接收系統和輸入輸出系統。

所述的控制系統為計算機控制系統，在計算機的界面上輸入相應的參數，控制攪拌系統、擠出系統、xy軸系統和z軸系統，進行相應的操作。

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

所述的攪拌系統與物料系統、擠出系統連接，用于物料的攪拌，即將物料系統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。

所述的擠出系統用于攪拌均勻的混合物料的暫時貯存，并定時定量的，將混合物料擠入打印噴頭。

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

所述的z軸系統包含成型粉體貯存缸、成型缸和鋪粉輥，所述的成型粉體貯存缸底部為可移動第一活塞，所述的成型缸底部為可移動第二活塞。成型粉體貯存缸中的粉體，一方面，與打印噴頭中的噴出的混合物料發生反應，使水泥基材料快速凝結成型。例如，成型粉體的主要成分為鋁酸鈉、碳酸鈉時，在堿性溶液中迅速與水泥中的石膏反應，形成硫酸鈉，使石膏喪失其原有的緩凝作用，從而導致鋁酸鈣礦物迅速水化，并在溶液中析出其水化產物晶體，從而使水泥基材料迅速凝結；另一方面，成型粉體有截流作用，雖然本發明極大降低了水泥基材料的初凝時間，初凝時間僅需幾分鐘，但這幾分鐘時間內的水泥仍具有流動性，沒有參與反應的成型粉體發揮截流作用，抑制了水泥的流動性，進一步促進了水泥基材料的定型。

進一步的，本發明提供的水泥基材料的3D打印機中的物料系統包括液體物料輸送系統、液體物料稱量系統；或者，所述的物料系統包括液體物料輸送系統、液體物料稱量系統和水泥基物料輸送系統、水泥基物料稱量系統。

即，本發明水泥基材料的3D打印機的物料系統可以僅輸送液體物料，也可以同時輸送液體物料和水泥基物料。

進一步的，本發明提供的水泥基材料的3D打印機的z軸系統還包括成型粉體收集缸。

此處的成型粉體收集缸可以將沒有參與反應的成型粉體進行收集，并將收集后的成型粉體進行再次應用，避免了材料的浪費。

進一步的，本發明提供的水泥基材料的3D打印機的可移動第一活塞和所述的可移動第二活塞在豎直方向上運動，且所述的可移動第一活塞上升的距離等于所述的可移動第二活塞下降的距離。

此處，通過可移動第一活塞的向上運動一定的距離，并采用鋪粉輥，將成型粉體物料定量的輸送至可移動第二活塞，與打印噴頭噴出的物料發生反應，凝固定型，然后，可移動第二活塞向下運動相同的距離，為后續的成型粉體提供空間，進而完成連續不斷的定型。

同樣，以水泥基材料為例，本發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，其打印方法包括以下步驟。

步驟一，利用輸入輸出系統進行打印參數的設置或者利用移動終端遠程進行打印參數的設置。

利用輸入系統進行相關參數的設置，并通過控制系統控制，例如，攪拌系統的攪拌時間、攪拌速率，擠出系統的擠出時間、擠出量，xy軸系統的運動軌跡、運動速率、打印噴頭的噴出量，z軸系統的運動軌跡、運動速率等，進而控制打印機的運行。

步驟二，將水泥基粉體和第一液體分別置于所述的水泥基粉體物料輸送系統和液體物料輸送系統中，并通過稱量系統控制水泥基粉體和液體的用量。

此時的物料系統可以進行水泥基粉體物料和液體物料的輸送，且兩種物料分別輸送，并通過各自的稱量系統對兩種物料分別進行稱量，控制兩種物料的用量和比值。

步驟三，將稱量好的水泥基粉體和第一液體置于攪拌系統中，攪拌均勻，得到第一混合物料。

此時，將一定量的水泥基粉體和液體進行物理攪拌，混合均勻。此時的液體盡量不要與水泥基粉體發生速凝反應，否則影響凝固后的水泥將嚴重影響后續的操作，并有可能對打印機系統造成破壞。

步驟四，將所述的第一混合物料置于擠出系統中，擠出系統將所述的第一混合物料置于打印噴頭中。

步驟五，z軸系統中的成型粉體貯存缸中有第一成型粉體，可移動第一活塞上升a距離，采用鋪粉輥將第一成型粉體均勻鋪在可移動第二活塞上，xy軸系統上的打印噴頭將所述的第一混合物料打印在鋪有第一成型粉體的可移動第二活塞上，第一混合物料與第一成型粉體發生化學反應，凝固定型，可移動第二活塞下降a距離；重復步驟五，至完成控制系統中設定的待打印物體的參數，停止打印，去除多余粉體，表面打磨，即得到待打印物體。

進一步的，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。

即本發明的水泥為現有水泥，優選的，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，有利于促進水泥基物料的凝固。優選的，本發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，進而增大了水泥基物料與速凝劑的反應面積，使反應速率加快，提高速凝效果；另一方面，使制得的物體的表面更加光滑、細膩、美觀，使后續的打磨程序更加簡單。

所述的第一液體為水。正如前述，此時的第一液體盡量不要與水泥基物料發生速凝反應。

所述的第一成型粉體包含有固態速凝劑。

此時的固態速凝劑，一方面與第一混合物料發生化學反應，凝固定型；另一方面，起到截流的作用。

此時的固態速凝劑為，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)、有機酸(檸檬酸、草酸)、聚丙烯酰胺、羧酸等的無機有機復合型速凝劑等。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。

進一步的，所述的攪拌時間為2-4min。此時的攪拌是將水泥基物料與液體進行攪拌。

本發明提供了另一種水泥基材料的3D打印方法。

步驟一，利用輸入輸出系統進行打印參數的設置或者利用移動終端遠程進行打印參數的設置，并通過控制系統控制；步驟二，將第二液體置于所述的液體物料輸送系統中，并通過稱量系統控制第二液體的用量。

此時，物料輸送系統僅貯存、輸送一定量的液體物料。

步驟三，將稱量好的第二液體置于攪拌系統中，攪拌均勻，得到第二混合物料；步驟四，將所述的第二混合物料置于擠出系統中，擠出系統將所述的第二混合物料置于打印噴頭中；步驟五，z軸系統中的成型粉體貯存缸中有第二成型粉體，z軸系統中的可移動第一活塞上升b距離，采用鋪粉輥將第二成型粉體均勻鋪在可移動第二活塞上，xy軸系統上的打印噴頭將所述的第二混合物料打印在鋪有第二成型粉體的可移動第二活塞上，第二混合物料與第二成型粉體發生化學反應，凝固定型，可移動第二活塞下降b距離；重復步驟五，至完成控制系統中設定的待打印物體的參數，停止打印，去除多余粉體，表面打磨，即得到待打印物體。

進一步的，所述的第二液體為水和液態速凝劑。

此時的液態速凝劑為，1、中國建筑材料科學研究總院研制的無堿無氯液態速凝劑，主要成分有硫酸鋁、無機酸、多元醇、有機胺和配位劑；2、中鐵隧道集團有限公司研制的無堿液態速凝劑，主要成分有硫酸鋁、氫氧化鋁、氫氟酸、水玻璃、穩定劑等。

所述的第二成型粉體包含有通用水泥、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。

進一步的，所述的攪拌時間為10-120s。此時的攪拌是將水與液態速凝劑進行攪拌。

實施例1

本實施例提供一種水泥基材料的3D打印機及其打印方法。本實施例提供的3D打印機如圖1所示，本實施例水泥基材料的3D打印機的z軸系統的主視圖如圖2所示，本實施例水泥基材料的3D打印機的z軸系統的俯視圖如圖3所示。

步驟一，利用輸入輸出系統進行打印參數的設置或者利用移動終端遠程進行打印參數的設置，并通過控制系統控制。

攪拌系統的攪拌時間為1min、攪拌速率為90轉/min，擠出系統的擠出速率為3mm/s，設置打印層厚為1mm，填充模式為網格填充，填充密度為30％，打印速度為70mm/s，空走速度100mm/s。并通過網絡將相應的參數命令傳輸至相應的系統，進而控制打印機的運行。

步驟二，鋪粉輥1將粉體貯存缸4中的成型粉體2均勻的攤鋪在成型缸6中的成型缸的可移動第二活塞3b上，多余的成型粉體落入粉體收集缸7中，且可重復利用。打印噴頭5將混合均勻的水泥基材料浸漬在成型粉體中，成型粉體與水泥基材料發生反應，快速凝固并形成強度。粉體貯存缸的可移動第一活塞3a上升距離1mm，成型缸的可移動第二活塞3b同步下降距離1mm，然后鋪粉輥1再次將成型粉體均勻的攤鋪在已經打印一層的樣品8上，打印噴頭5將混合均勻的水泥基材料再次浸漬在成型粉體中，如此往復打印出完整的樣品8。

步驟三：用空氣壓縮機吹掃打印樣品表面的多余成型粉體，視模型精度進行適當的表面處理，得到打印模型，完成打印。

本實施例中的物料系統包括液體物料輸送系統、液體物料稱量系統和水泥基物料輸送系統、水泥基物料稱量系統。其中，液體物料系統輸送的為水，稱量量為20kg；固體物料系統輸送的為氯氧鎂水泥、磨細礦渣粉、植物纖維的均勻混合料，最大粒徑不超過0.5mm，，稱量量為120kg。

本實施例中的成型粉體為ISO標準砂和粉煤灰顆粒。

實施例2

本實施例提供一種水泥基材料的3D打印機的打印方法。

步驟一，利用輸入輸出系統進行打印參數的設置或者利用移動終端遠程進行打印參數的設置，并通過控制系統控制。

攪拌系統的攪拌時間為2min、攪拌速率為50轉/min，擠出系統的擠出速率為2mm/s，設置打印層厚為2mm，填充模式為直線填充，填充密度為20％，打印速度為50mm/s，空走速度80mm/s。通過網絡將相應的參數命令傳輸至相應的系統，進而控制打印機的運行。

步驟二，鋪粉輥1將粉體貯存缸4中的成型粉體2均勻的攤鋪在成型缸6中的成型缸的可移動第二活塞3b上，多余的成型粉體落入粉體收集缸7中，且可重復利用。打印噴頭5將混合均勻的液體材料浸漬在成型粉體中，成型粉體與液體物料發生反應，快速凝固并形成強度。粉體貯存缸的可移動第一活塞3a上升2mm，成型缸的可移動第二活塞3b同步下降2mm，然后鋪粉輥1再次將成型粉體均勻的攤鋪在已經打印一層的樣品8上，打印噴頭5將混合均勻的液體再次浸漬在成型粉體中，如此往復打印出完整的樣品8。

步驟三：用空氣壓縮機吹掃打印樣品表面的多余成型粉體，視模型精度進行適當的表面處理，得到打印模型，完成相變儲能材料的打印。

本實施例中的物料系統包括液體物料輸送系統和液體物料稱量系統。其中，液體物料水和液態速凝劑，水的稱量量為50kg，液態速凝劑為中國建筑材料科學研究總院研制的無堿無氯液體速凝劑，稱量量為13kg。

本實施例中的成型粉體為普通硅酸鹽水泥、石蠟和聚乙烯顆粒的混合物，粒徑不超過2cm。

本發明中所述的數值范圍包括此范圍內所有的數值，并且包括此范圍內任意兩個數值組成的范圍值。例如，“攪拌時間為10-120s”，此數值范圍包括10-120之間所有的數值，并且包括此范圍內任意兩個數值(例如：20、50)組成的范圍值(20-50)；本發明所有實施例中出現的同一指標的不同數值，可以任意組合，組成范圍值。

本發明權利要求和/或說明書中的技術特征可以進行組合，其組合方式不限于權利要求中通過引用關系得到的組合。通過權利要求和/或說明書中的技術特征進行組合得到的技術方案，也是本發明的保護范圍。

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