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3D打印技术在建筑行业的应用与研究

2015/8/28        作者:李冉  齐向东      
关键字:3D打印  PLC  伺服技术  
本文针对目前国际上比较流行的快速原型制造原理,提出了将先进的3D打印技术应用到建筑行业的想法。对3D打印机的控制系统进行设计,采用成熟的PLC和伺服技术作为控制系统的核心部件,对各部件进行了选型分析。

    3D打印带来了许多行业的革命性改变,在以往高精度部件的生产中,其精度的保证很大程度依赖于生产工艺能够实现,以及生产设备是否先进。现在,3D打印机将颠覆这一观点,使企业不再依赖生产设备的精度,不再考虑生产工艺是否能够实现,任何精度的零件、形状都可以通过3D打印机来实现。

1. 3D打印技术的原理

    3D打印技术是将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体,依据山CAD、PRO/E等软件构造的产品三维模型对其进行分层切片,得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓,激光束选择性地喷射,固化一层层液态树脂(或金属粉末)或喷射源选择性地喷涂一层层的粘结剂或热熔材料等,形成各面,逐步叠加成三维实体,它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合。

2. 利用3D打印技术打印建筑用墙体

2.1墙体3D模型的设计

    墙体的3D模型可以采用任何一种3D设计软件。利用3D设计软件设计墙体的三维模型,然后再将模型进行“切片”输出。三维设计软件和打印软件之间的通用语言是STL格式文件。目前常用的3D打印软件是ReplicatorG,它可以读取X、Y、Z轴的位置信息,通过控制硬件协同_作完成打印任务。

2.2打印机控制系统的设计

    3D打印机主要有X/Y/Z三个方向轴,每一轴上安装有伺服电动机,打印喷头上也安装有喷墨电机,每个方向需安装接近开关,防止方向轴电机故障时,发生越界,起到保护作用。打印机喷头和每个方向的伺服电机需安装温控装置,防止电机过热发生故障。

    本文选用的核心控制器为三菱公司的Q系列PLC,伺服电机为三菱公司的M系列。通过计算机建模软件将实体进行三维建模后,并进行切片处理,经过处理计算得山每个方向轴的位置信息,三菱PLC通过定位算法对每个方向的伺服电机进行定位指令的输山,同时喷头电机持续喷墨,这样,一层层的累计,就能够打印山我们设计山的形状。X、Y轴的精度设置为为0.1mm,Z轴精度为0.01mm,这也是比较常见的规格。

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图1 控制系统结构图

    如图1所示,该系统主要有电源模块、控制模块、驱动模块和执行模块组成。控制模块里包含定位模块,定位模块通过PLC将位置信息发送给伺服驱动器,伺服驱动器接收到驱动器指令,执行动作,3个方向的伺服电机相互配合,协调工作,完成打印任务。PLC选用三菱的O系列,伺服驱动器选择三菱的HK-KP053。

    在此控制系统中,上位机采用触摸屏技术。不仅可以实时监测各轴电机的运行状态,还可以对参数进行修改。包括主界面、操作界面、监控界面和手动界面。可以实现手动和自动操作的随意切换,另外对打印实体的形状也可以随意设定,只需要设置相关参数即可。

3. 总结

    针对高精度部件的生产很大程度依赖于生产工艺是否能够实现,及生产设备是否先进,本文提出将3D打印技术应用到建筑行业,将实体进行三维建模后,通过3个伺服电机相互配合,可以打印出任何精度的零件、形状。

责任编辑:邓李君
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