关节型建筑3D打印机结构设计与样机运动测试研究

发布时间：2019-10-17 20:20

【摘要】：建筑3D打印技术因具有能耗小、污染排放低、生产效率高等优势而备受瞩目。目前国内外使用的建筑3D打印机多是体型庞大的龙门式结构,这种构型的打印机具有运动不灵活、空间利用率低、占地面积大、造价成本高等缺点。此外,目前应用于打印中小型尺寸建筑材料(如砖、砌块等)的3D打印机还很少,而这些建筑材料在建筑过程中也是必不可少的,如果运用大型的机械结构去打印这些中小型尺寸建筑材料,将会是一种极大的资源浪费。为了解决上述问题,本文设计了一种适用于打印中小型尺寸建筑构件的关节型3D打印机。分析了建筑3D打印机的功能和性能需求,提出了一种关节型建筑3D打印机的设计方案。根据打印机的功能和性能需求,确定了打印机的性能指标参数,并确定了打印机本体的构型方案、驱动方案以及传动方案,之后利用三维绘图软件对其本体和打印喷头进行了结构设计。建立了打印机的运动学模型,并对其进行了正逆运动学分析,之后利用Matlab仿真验证了运动学分析的正确性。分析了打印机的工作空间,得出了杆长设计合理的结论。对打印机进行了受力分析,列出了各关节约束力及力矩的平衡方程,建立了打印机的动力学模型。然后利用Matlab编程计算出各关节约束力及力矩的理论值,并利用Adams对打印机进行了动力学仿真。将得到的关节力、力矩仿真值与理论值对比,验证了动力学理论分析的正确性。建立了打印机本体有限元模型,对其部件进行了有限元静态特性分析、模态分析及轻量化设计。将关节约束力及力矩的理论值作为打印机本体有限元分析的边界条件,并利用软件对其进行了静态特性分析、模态分析,验证了打印机本体关键部件的刚度和强度均满足材料要求,且打印机本体在工作过程中不会产生共振现象。利用Ansys对打印机本体关键部件进行了轻量化设计,提升了打印机本体的灵活性等。确定了打印机本体控制系统总体方案,完成了打印机本体控制系统的搭建,加工并组装了打印机本体部分的样机,打印喷头未加工出实物。基于以上工作,对打印机本体进行实验,实验结果表明打印机本体具有良好的负载能力和运动能力,满足功能与性能要求,设计合理。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和砂子的混合体，当喷头喷出的镁质粘合物与砂子混合在一起的时候就会形成一种坚硬的石质固体，建筑 3D 打印机最终按照计算机的程序打印出所需的建筑模型[17]。目前该建筑 3D 打印机已经成功打印出了 1.6 m 高的建筑模型，如图 1-1 b）所示。

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a）D-Shape 打印机[15]b）D-Shape 打印出的建筑模型[17]图 1-1 D-Shape 打印机及其打印的构件2012 年，拉夫堡大学的 T.T.Le 等研究人员[18,19]研发出了一种新型的混凝土 3D打印技术，然后他们与英国著名的建筑设计公司 Foster+Partner 合作，又研发出了一种新型的建筑 3D 打印机械装置[20-22]。该建筑 3D 打印机械装置是在一个长约 6m、宽约 5 m、高约 6 m 的钢铁架上工作，属于大型的龙门式结构，如图 1-2 a）所示。该打印机通过 X、Y、Z 三个独立轴来移动，精确地控制了打印位置。该建筑3D 打印机以水泥砂浆作为打印材料，可以完成混凝土面板和墙体孔洞等复杂的大尺寸建筑构件的设计制作，具有较高的定位精度，打印出的曲面建筑结构如图 1-2b）所示。拉夫堡大学研究人员称，，如果能够以移动式的施工预制形式来实现，该建筑 3D 打印机就能将打造复杂建筑件的时间从数周缩短到几个小时[23-25]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP334.8

【参考文献】