阅读说明：本技术 一种基于机械臂的单次多材料3d打印机构 (Single multi-material 3D printing mechanism based on mechanical arm ) 是由 骆汉宾 张佳乐 龚翔宇 尹紫微 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于3D打印领域,并具体公开了一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构,其包括数据处理系统、控制系统、动力系统、机械臂和挤出系统,其中：所述数据处理系统用于根据材料特性预设打印路径；所述控制系统用于通过所述动力系统和机械臂控制所述挤出系统按预设打印路径进行打印；所述挤出系统包括多喷嘴组件,该多喷嘴组件安装在所述机械臂末端,其包括多个相互独立的单喷嘴单元,每个所述单喷嘴单元均包括相互连接的打印喷嘴和储料斗,所述打印喷嘴的直径各不相同。本发明将建模软件与机械臂相结合,同时对多喷嘴组件进行设计,实现以单次固定移动速度为基础对异直径的多喷嘴挤出速率进行调整,同时提高了打印精度和打印速度。(The invention belongs to the field of 3D printing, and particularly discloses a single-time multi-material 3D printing mechanism based on a mechanical arm, which comprises a data processing system, a control system, a power system, the mechanical arm and an extrusion system, wherein: the data processing system is used for presetting a printing path according to material characteristics; the control system is used for controlling the extrusion system to print according to a preset printing path through the power system and the mechanical arm; the extrusion system comprises a multi-nozzle assembly, the multi-nozzle assembly is arranged at the tail end of the mechanical arm and comprises a plurality of independent single-nozzle units, each single-nozzle unit comprises a printing nozzle and a storage hopper which are connected with each other, and the diameters of the printing nozzles are different from each other. According to the invention, modeling software is combined with the mechanical arm, and the multi-nozzle assembly is designed, so that the extrusion speed of the multi-nozzles with different diameters is adjusted on the basis of a single fixed moving speed, and meanwhile, the printing precision and the printing speed are improved.)

一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构

技术领域

本发明属于3D打印领域，更具体地，涉及一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构。

背景技术

3D打印是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业有代表性的颠覆性技术，3D打印技术在工业机械、航空航天等行业已经得到广泛应用。3D混凝土打印技术还不成熟，远没有达到可以全面推广阶段。建筑领域内，由于材料和尺寸等方面的因素，常见的挤出式3D打印机仅包括单个喷嘴，单次打印一种材料，存在打印速度慢、打印材料单一等问题。

张自强等在深入研究3D打印机工作机理的基础上，充分考虑现有挤出机构在成型精度及成型速度等方面的问题，对3D打印机挤出机构进行了设计改进，建立了新型三喷嘴挤出机构模型，通过三维造型软件进行虚拟设计从而得到最优设计模型。

覃亚伟等针对建筑3D打印工艺中的挤出固化打印技术，集成数控技术、机械技术、计算机技术等设计研制出新型混凝土3D打印装置，该装置由控制机构、XYZ运动机构、挤出机构、数据处理机构等模块组成，具备良好的集成控制功能，可完成建筑信息模型的实体化建造。

吴少泓等提出了一种控制非同步多喷嘴协同打印的方法，该方法包括步骤：主机打印引擎程序产生打印数据和控制信息，并分开传输给打印主板控制器。打印数据通过打印主板控制器的数据通道进入打印主板控制器中的命令解析和数据分发模块，命令解析和数据分发模块将各喷嘴的打印数据分发至各自的第一级缓冲FIFO中，然后经内存控制器的读写仲裁后保存于内存SDRAM的独立数据区内，随着各喷嘴触发信号的到达，向内存控制器请求读出的打印数据暂存于各喷嘴的第二级缓冲FIFO中，最后由各喷嘴驱动模块发送至喷嘴。

沈洪垚等提出了一种多机器人协同三维打印方法，包括：(1)使用四台三轴机械臂作为协同三维打印设备，确定机械臂放置位置；(2)根据机械臂参数从开源打印软件中导出三维模型的G代码文件，按照打印时间一致准则用分割线将其分割为四个独立的G代码文件；(3)以机械臂末端执行器为参考设定机械臂的干涉尺寸，将每个独立的G代码文件分为安全区与干涉区；(4)设定机械臂执行打印任务时的调度准则，保证同一时刻最多只能有一台机械臂在干涉区内进行打印工作；(5)按照调度准则逐层打印三维模型。通过该发明可提高多机器人协同打印的效率。

但是上述方法都无法同时进行多种建筑材料的3D打印，存在打印速度慢、效率低、效果差的问题，故亟需一种可单次打印多材料的多喷嘴3D打印机构及方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，其目的在于，将建模软件与机械臂相结合，赋予数据处理系统、控制系统、动力系统和挤出系统整体新功能，同时对多喷嘴组件进行设计，实现以单次固定移动速度为基础对异直径的多喷嘴挤出速率进行调整，从而保证同一移动速率下同时打印不同材料的效果最优。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，包括数据处理系统、控制系统、动力系统、机械臂和挤出系统，其中：

所述数据处理系统用于根据材料特性预设打印路径；

所述控制系统用于通过所述动力系统和机械臂控制所述挤出系统按预设打印路径进行打印；

所述挤出系统包括多喷嘴组件，该多喷嘴组件安装在所述机械臂末端，其包括多个相互独立的单喷嘴单元，每个所述单喷嘴单元均包括相互连接的打印喷嘴和储料斗，所述打印喷嘴的直径各不相同。

作为进一步优选的，所述数据处理系统包括“移动速率-材料种类-喷嘴直径区间”匹配数据库，通过向该匹配数据库输入移动速率和材料种类获取喷嘴直径区间，进而确定各个打印喷嘴的直径。

作为进一步优选的，所述动力系统包括多个直接动力单元，该直接动力单元与所述单喷嘴单元一一对应；所述直接动力单元包括相连接的电机与蜗杆，所述电机带动蜗杆实现材料从所述储料斗到打印喷嘴的输送。

作为进一步优选的，所述打印喷嘴出口处设有打印喷嘴开关，该打印喷嘴开关由所述控制系统控制，用于自动开关打印喷嘴，以防止材料溢出。

作为进一步优选的，所述储料斗与所述打印喷嘴外壁倾斜角度为45°。

作为进一步优选的，所有所述打印喷嘴固定在同一直管上，该直管固定在所述机械臂上。

作为进一步优选的，所述储料斗通过输料管与所述打印喷嘴连接，且所述储料斗与输料管之间，以及所述输料管与打印喷嘴之间均设有连接套管。

作为进一步优选的，所述储料斗内设置有搅拌器和除尘软管，所述搅拌器用于对储料斗内材料进行搅拌，所述除尘软管用于排出储料斗内的灰尘。

作为进一步优选的，所述打印喷嘴采用不锈钢材料制成。

作为进一步优选的，所述单喷嘴单元的个数为3～5个。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明将建模软件与机械臂相结合，赋予数据处理系统、控制系统、动力系统和挤出系统整体新功能，同时对多喷嘴组件进行设计，实现以单次固定移动速度为基础对异直径的多喷嘴挤出速率进行调整，从而保证同一移动速率下同时打印不同材料的效果最优，即使打印精度和打印速度同时得到提高，通过使用本发明机构，可单次完成多种建筑材料构件的3D打印活动，并节省约1/3的人工劳动成本。

2.本发明的多喷嘴组件提高了打印空间的使用效率，缩小打印工作区域的基础上大幅度增大打印范围；且多喷嘴同时打印可大幅度提升打印速度，在保证打印可靠性及精度的基础上简化建模难度，降低构建表面粗糙度；同时由于不同喷嘴出料时间差较短，不同材料凝固时间较为接近，材料之间结合效果更好，有利于提高打印构件的强度和精度。

3.本发明的多个打印喷嘴直接固定在同一直管上，打印时不存在独立空间移动，可减小由于喷嘴间相对位置变化所产生的打印精度损失。

4.本发明的储料斗、输料管、打印喷嘴之间均设有连接套管，保证连通的基础上安装拆卸简单，方便不同直径输料管与打印喷嘴的替换。

5.本发明的储料斗可实现建筑材料的搅拌-挤出一体化，可保证其在较长时间内保持较好的材料性能；同时独立储料斗之间通过输料管将材料分别输送至相应喷嘴，可避免材料之间出现混合污染。

附图说明

图1为本发明实施例基于机械臂的单次多材料3D打印机构结构示意图；

图2为本发明实施例控制系统结构示意图；

图3为本发明实施例动力系统结构示意图；

图4为本发明实施例挤出系统结构示意图；

图5为本发明实施例基于机械臂的单次多材料3D打印工作流程图；

图6为本发明实施例多喷嘴组件结构示意图；

图7为本发明实施例储料斗结构示意图；

图8为本发明实施例单喷嘴结构剖视图；

图9为本发明实施例打印喷嘴开关放大图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电机，2-进料口，3-蜗杆，4-除尘软管，5-储料斗，6-输料管，7-直管，8-出料口，9-连接螺丝，10-打印喷嘴，11-打印喷嘴开关，12-旋转平台，13-电动旋转轴，14-喷嘴外盖，15-连接套管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于机械臂的单次多材料3D打印机构，如图1所示，包括数据处理系统、控制系统、动力系统、机械臂和挤出系统，其中：

所述挤出系统如图4所示，包括打印喷嘴开关11、多喷嘴组件，所述多喷嘴组件安装在所述机械臂末端，如图6所示，其包括多个相互独立的单喷嘴单元，单喷嘴单元的个数优选为3～5个，具体数量根据待打印模型包含的材料种类确定，每个所述单喷嘴单元均包括打印喷嘴10和储料斗5，所述打印喷嘴10的直径各不相同；所述打印喷嘴开关11设置在打印喷嘴10出口处，该打印喷嘴开关11由所述控制系统控制，用于自动开关打印喷嘴10，以防止材料溢出，具体的，如图9所示，打印喷嘴开关11包括旋转平台12和喷嘴外盖14，旋转平台12固定在打印喷嘴10上，喷嘴外盖14通过电动旋转轴13与旋转平台12连接，其可通过电动旋转轴13对打印喷嘴10出口进行闭合或打开；

进一步的，所有所述打印喷嘴10通过连接螺丝9拧紧在同一直管7上，该直管7由法兰盘固定在机器人的机械臂末端，利用机械臂的移动完成移动打印过程；所述打印喷嘴10如图8所示，其采用不锈钢材料制成，且打印喷嘴10可根据打印材料的不同进行人工拆换；

进一步的，所述储料斗5上端为进料口2，下端为出料口8，储料斗5内设置有搅拌器和除尘软管4，存储不同材料的储料斗之间相互独立；

进一步的，储料斗5通过输料管6与打印喷嘴10进行连接，用于同时挤出不同建筑材料的胶溶拌合物，各单喷嘴单元中输料管6的直径不同，保证打印时不同材料的独立搅拌与输出；如图7所示，所述储料斗5与输料管6之间，以及所述输料管6与打印喷嘴10之间均设有连接套管15，保证连通的基础上安装拆卸简单，方便不同直径输料管与喷嘴的替换；

进一步的，打印喷嘴10与储料斗5外壁的倾斜角度α与β均设置为经验系数45°，打印喷嘴10长度L＝0.15m，根据使用材料的不同分别确定输料管6直径R_i、出料口8口径D_i、打印喷嘴10的管道直径R'_i与喷嘴直径D'_i(i＝1,2,3…)的取值，电动旋转轴13与喷嘴外盖14中心距离

所述数据处理系统在完成以往的单一材料3D打印建模要求的功能上将STL文件(建模时便针对不同材料对模型本身进行区分)根据不同材料的要求(不同的空间关系与材料特性等)进行材料单元划分、切片分层处理及路径规划，并转化为数控程序；具体的，所述数据处理系统可用于对STL文件进行解析生成G代码，并将该代码转化为可识别的机器人代码，从而控制机械臂进行打印；该数据处理系统主要实现以下功能:(1)模型显示与划分，(2)材料匹配，(3)数据处理，(4)路径模拟；

进一步的，数据处理功能由系统内置的分层算法与填充算法来实现，分层算法采用基于三角面片位置信息的分层处理算法，用于路径规划的填充算法参照文献；

进一步的，所述数据处理系统包括“移动速率-材料种类-喷嘴直径区间”匹配数据库，通过向该匹配数据库输入移动速率和材料种类获取喷嘴直径区间，进而确定各个打印喷嘴的直径。

所述控制系统作为中枢部分读取数控程序集成控制动力系统、机械臂和挤出系统的开关及运行；具体的，如图2所示，所述控制系统采用可集成控制电机、控制柜、机械臂、多喷嘴组件的数控系统，该数控系统包括：微处理器、外部输入模块、G代码解释模块、联动模块、机械信号处理模块和人机交互界面，其中，G代码解释模块能够开放接口接入机器人，利用该模块对输入其中的代码指令进行解析，以实现机械臂轴之间的匀速运动、位置运动以及回零运动。

所述动力系统如图3所示，包括多个直接动力单元，该直接动力单元与所述单喷嘴单元一一对应；所述直接动力单元包括相连接的电机1与蜗杆3，所述电机带动蜗杆通过输料管将不同材料从各自的储料斗内以挤压的方式送入打印喷嘴；所述动力系统还包括PLC控制柜、变频器、挤出开关和检测传感器，其中，挤出开关受数控程序控制，并可以人工调整泵送速度；经由控制柜所发出的信号指令由控制线传至挤出开关进行建筑材料流量控制。

上述基于机械臂的单次多材料3D打印机构工作时，如图5所示，包括如下步骤：

S1利用AUTO CAD、SolidWorks等建模软件进行模型设计，并将模型输出为STL文件；

S2在数据处理系统中输入材料种类及移动速率参数，利用“移动速率-材料种类-喷嘴直径区间”匹配数据库获取多种材料限定下最优多喷嘴直径组合，并根据结果进行相应打印喷嘴和输料管的更换；

S3将STL文件导入数据处理系统进行不同材料单元划分，输入设定参数(移动速率、各打印厚度、各分层厚度等)进行切片及路径规划等数据处理，输出为G代码文件；

S5在人机交互界面输入G代码文件，利用G代码解释模块对输入其中的代码指令进行解析，获得控制机械臂移动、电机及打印喷嘴开关的数控程序；

S6利用进料口将预搅拌材料灌至不同储料斗内后，开启直接动力输送单元与机器人开始打印，打印过程中，利用数控程序和人机交互界面不同操纵按钮协同控制打印各单元运作，直至完成多建筑材料下的3D打印全过程，生成多材料3D打印产品。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。