[发明专利]一种用于打印球面的3D打印装置及打印方法

说明书

本发明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。本发明还设计一种打印方法。本发明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。

技术领域

本发明属于3D打印建造技术领域，具体涉及一种用于打印球面的3D打印装置及打印方法。

背景技术

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。

发明内容

为了实现无模板的情况下打印球面，本发明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。

本发明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；