一种用于打印球面的3D打印装置及打印方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了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，机械臂设置在旋转底座上，打印头设置在机械臂的端部，打印头能够绕旋转底座旋转；3D打印装置还包括有设置于打印头的刮板，刮板位于打印头移动方向的下游侧，且刮板的至少一部分低于打印头的位置，刮板的下边缘绕旋转底座旋转时形成球面状，刮板的最低点绕旋转底座的旋转半径等于打印头的出料口的最大旋转半径，刮板的移动路径与出料口的打印路径至少部分的重叠。本发明专利技术还设计一种打印方法。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于打印球面的3D打印装置及打印方法
本专利技术属于3D打印建造
，具体涉及一种用于打印球面的3D打印装置及打印方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了实现无模板的情况下打印球面，本专利技术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。本专利技术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。基于同一专利技术构思，本专利技术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)。本专利技术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。本专利技术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是本专利技术的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专利技术作进一步详细描述。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于打印球面的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。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于打印球面的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。


2.根据权利要求1所述的一种用于打印球面的3D打印装置，其特征在于，所述刮板通过刮板机械臂设置于所述打印头。


3.根据权利要求1所述的一种用于打印球面的3D打印装置，其特征在于，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。


4.根据权利要求1所述的一种用于打印球面的3D打印装置，其特征在于，所述刮板与竖直方向具有一定的夹角。


5.一种采用如权利要求1-4任意一项所述的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...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋友宝，沈瞳，邓云峰，刘亚兰，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43