【摘要】：建筑3D打印技術(shù)因具有能耗小、污染排放低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)而備受矚目。目前國(guó)內(nèi)外使用的建筑3D打印機(jī)多是體型龐大的龍門(mén)式結(jié)構(gòu),這種構(gòu)型的打印機(jī)具有運(yùn)動(dòng)不靈活、空間利用率低、占地面積大、造價(jià)成本高等缺點(diǎn)。此外,目前應(yīng)用于打印中小型尺寸建筑材料(如磚、砌塊等)的3D打印機(jī)還很少,而這些建筑材料在建筑過(guò)程中也是必不可少的,如果運(yùn)用大型的機(jī)械結(jié)構(gòu)去打印這些中小型尺寸建筑材料,將會(huì)是一種極大的資源浪費(fèi)。為了解決上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種適用于打印中小型尺寸建筑構(gòu)件的關(guān)節(jié)型3D打印機(jī)。分析了建筑3D打印機(jī)的功能和性能需求,提出了一種關(guān)節(jié)型建筑3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)打印機(jī)的功能和性能需求,確定了打印機(jī)的性能指標(biāo)參數(shù),并確定了打印機(jī)本體的構(gòu)型方案、驅(qū)動(dòng)方案以及傳動(dòng)方案,之后利用三維繪圖軟件對(duì)其本體和打印噴頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。建立了打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并對(duì)其進(jìn)行了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,之后利用Matlab仿真驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的正確性。分析了打印機(jī)的工作空間,得出了桿長(zhǎng)設(shè)計(jì)合理的結(jié)論。對(duì)打印機(jī)進(jìn)行了受力分析,列出了各關(guān)節(jié)約束力及力矩的平衡方程,建立了打印機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。然后利用Matlab編程計(jì)算出各關(guān)節(jié)約束力及力矩的理論值,并利用Adams對(duì)打印機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。將得到的關(guān)節(jié)力、力矩仿真值與理論值對(duì)比,驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)理論分析的正確性。建立了打印機(jī)本體有限元模型,對(duì)其部件進(jìn)行了有限元靜態(tài)特性分析、模態(tài)分析及輕量化設(shè)計(jì)。將關(guān)節(jié)約束力及力矩的理論值作為打印機(jī)本體有限元分析的邊界條件,并利用軟件對(duì)其進(jìn)行了靜態(tài)特性分析、模態(tài)分析,驗(yàn)證了打印機(jī)本體關(guān)鍵部件的剛度和強(qiáng)度均滿足材料要求,且打印機(jī)本體在工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。利用Ansys對(duì)打印機(jī)本體關(guān)鍵部件進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì),提升了打印機(jī)本體的靈活性等。確定了打印機(jī)本體控制系統(tǒng)總體方案,完成了打印機(jī)本體控制系統(tǒng)的搭建,加工并組裝了打印機(jī)本體部分的樣機(jī),打印噴頭未加工出實(shí)物。基于以上工作,對(duì)打印機(jī)本體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明打印機(jī)本體具有良好的負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)能力,滿足功能與性能要求,設(shè)計(jì)合理。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文和砂子的混合體，當(dāng)噴頭噴出的鎂質(zhì)粘合物與砂子混合在一起的時(shí)候就會(huì)形成一種堅(jiān)硬的石質(zhì)固體，建筑 3D 打印機(jī)最終按照計(jì)算機(jī)的程序打印出所需的建筑模型[17]。目前該建筑 3D 打印機(jī)已經(jīng)成功打印出了 1.6 m 高的建筑模型，如圖 1-1 b）所示。

a）D-Shape 打印機(jī)[15]b）D-Shape 打印出的建筑模型[17]圖 1-1 D-Shape 打印機(jī)及其打印的構(gòu)件2012 年，拉夫堡大學(xué)的 T.T.Le 等研究人員[18,19]研發(fā)出了一種新型的混凝土 3D打印技術(shù)，然后他們與英國(guó)著名的建筑設(shè)計(jì)公司 Foster+Partner 合作，又研發(fā)出了一種新型的建筑 3D 打印機(jī)械裝置[20-22]。該建筑 3D 打印機(jī)械裝置是在一個(gè)長(zhǎng)約 6m、寬約 5 m、高約 6 m 的鋼鐵架上工作，屬于大型的龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，如圖 1-2 a）所示。該打印機(jī)通過(guò) X、Y、Z 三個(gè)獨(dú)立軸來(lái)移動(dòng)，精確地控制了打印位置。該建筑3D 打印機(jī)以水泥砂漿作為打印材料，可以完成混凝土面板和墻體孔洞等復(fù)雜的大尺寸建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)制作，具有較高的定位精度，打印出的曲面建筑結(jié)構(gòu)如圖 1-2b）所示。拉夫堡大學(xué)研究人員稱(chēng)，，如果能夠以移動(dòng)式的施工預(yù)制形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，該建筑 3D 打印機(jī)就能將打造復(fù)雜建筑件的時(shí)間從數(shù)周縮短到幾個(gè)小時(shí)[23-25]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP334.8

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 田小永;李滌塵;盧秉恒;;空間3D打印技術(shù)現(xiàn)狀與前景[J];載人航天;2016年04期

2 李忠富;何雨薇;;3D打印技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J];土木工程與管理學(xué)報(bào);2015年02期

3 張大旺;王棟民;;3D打印混凝土材料及混凝土建筑技術(shù)進(jìn)展[J];硅酸鹽通報(bào);2015年06期

4 侯雨雷;王嫦美;胡鑫U

本文編號(hào)：2550749