摘 要

3D打印技术是最近几年开始流行的一种快速成型技术,与传统的打印不同的是，利用这项技术可以打印出三维立体的模型，而不是只能在一个平面打印。

建筑3D打印是以设计好的数据模型为基础的，利用凝胶类或者特殊纤维等为打印材料，通过逐层打印层层叠加的方式打印房屋建筑或者建筑模型的技术。

本文通过电机选型，喷头设计，主要运动控制设计等一系列工作实现了打印3D建筑模型3D打印机的基本系统设计。通过计算与比较，电机最后选用了步进电机，将线位移转化为步进电机的转动。喷头采用的是压电式喷头，结合选用耗材石膏水的特性，我们在储料罐处设立搅拌棒以维持石膏水的特性，同时也防止其不是在打印平台上脱水固化而堵塞储料罐和输送管道。此外，还另外设计了一个清水罐，以用来清洗每次打印后的管道，以提高打印机的使用寿命。主要运动控制有X、Y、Z轴3个方向的运动控制，利用机械结构将X、Y、Z轴的线运动分别转换成3个电机的转动。本文中是利用单片机作为控制器，使用的是KeilC51和proteus软件。用C51控制一台电机的正反转与加速减速，其他几个电机设计与此相似，本文中总共有5台电机，功能与此相似。

关键字：建筑3D打印；步进电机 ；喷头；KeilC51； proteus

Abstract

Recently，3D printing has been popular around the world as a kind of rapid prototyping technology, which is based digital model file and print the object step by step in pass way. The printer we use in our daily life can only print graphic paper materials. But 3D printer can print out a three-dimensional plastic products.

3D printing of construction is a kind of technology that use gelatinous material and special ‘ink’ made of special fiber. 3D printing of construction is of great significance in the transformation and upgrading of our country's construction industry. The development of 3D printing in construction have significant impact on solving the problems effectively of traditional construction.

In this article we have done the selection of the motor, nozzle design, the main movement control design and some other work to complete the basic work of the system design of 3D printer of construction. By calculating and comparing, finally we chose a stepper motor, converting linear displacement into the rotation of the stepper motor. The nozzle what we choose is the piezoelectric nozzle. Taking the characteristics of selected consumables (gypsum water) into account ,we set up a agitator in the material storage tank to maintain the plaster water features, but also prevent its not dehydration curing on the print platform and plugging material storage tank and pipeline. What’s more, we have designed a clean water tank in addition in order to clean pipes every time after printing and grow the service life of the printer. Main motion control have included 3 direction of motion control which are X, Y, Z axis. We use the mechanical structure to transform the line movement of X, Y, Z axis respectively into three motor rotation. In article, we use single chip microcomputer as the controller, and use KeilC51 and proteus software to simulate. Using C51 to control the reversing and speed change of an electric motor, this is similar to several other motor design. In this article we have 5 motors in total, whose function is similar to this.

Keywords:3D printing of construction ；stepper motor；spray-head,；KeilC51

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.21 美国的“轮廓工艺” 3

1.22 意大利的“D-shape” 3

1.23 荷兰的“Kamer Maker” 4

1.24 中国的盈创 4

1.25 英国的ARUP 5

1.3 建筑3D打印机系统的研究意义 5

1.4 本文主要研究内容 6

第2章 建筑3D打印机的方案设计 7

2.1 总体框架的设计 7

2.1.1 需求分析 7

2.1.2 系统框架 8

2.2 结构功能图 8

2.3 技术路线 9

2.4 主要参数 9

第3章 建筑3D打印机硬件设计部分 11

3.1 传动装置的选择 11

3.2 喷头 12

3.2.1 耗材 12

3.2.2 压电式喷头工作原理 12

3.2.3 喷头设计图 13

3.3 电机的选择 13

3.3.1 伺服电机 13

3.3.2 步进电机 14

3.3.3 选择电机：、电压与转速的选择 14

3.3.4 步进电机的计算 16

第4章 建筑3D打印机软件部分设计 19

4.1 单片机的选择 19

4.1.1 单片机概述 19

4.1.2 AT89C51简介 20

4.2 仿真软件的介绍 21

4.2.1 软件 21

4.2.2 软件 22

4.3 仿真过程与结果 22

4.3.1 硬件仿真图 22

4.3.2 软件设计 23

4.3.3 仿真结果截图 27

第5章 总结 30

5.1 研究工作总结 30

5.2 经济性分析 30

5.3展望 31

参考文献 32

致谢 33

附录 34

第1章 绪论

随着时代的进步，人们的生活水平在逐渐提高的同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。人们对物品的要求也越来越高，大家都希望能够得到比较精度较高，独特有个性的各种物体，而因为这些物体需求的数量不高，不能大量生产，生产的成本也就增高了。但现在因为3D打印机这一先进的技术的出现，我们可以打印许多复杂精美且独特的物品在人们可以负担的起的范围内，满足人们的个性化需求。现如今，3D打印机因为这一优点，已被各行各业的人利用起来，食品行业用它来实现精密的复杂的食品造型，建筑业用它来打印建筑模型实现设计，打印建筑装饰甚至还可以用来打印房屋，医疗行业用它来实现一些特定的人工器官及骨架，机械制造业用它来打印各种机密的器械与模具，还在其他许多行业得到了利用，十分的有应用发展前景。

3D打印技术是一种以数据文件为根据，在此基础上将立体的模型分片切割，最后通过一层一层的数据读取而一层一层的打印出来的能够快速制造物体的技术。3D打印机首次出现在上个世纪90年代中旬，是一种能够实现快速打印出物体的设备。主要是利用材料层层堆积的原理，以及一些材料在一定条件下可以固化的特性（例如光固化），实现立体物体的成型。3D打印机的打印原理，与一般2D打印机的原理类似，只是在一般2D打印的基础上增加了一个维度，将3D物体的打印分解成多个二维打印，再利用粘合剂或者其他固化技术，使它们层叠起来，将2D打印转变成立体物体的打印。3D打印机所用的耗材不再是油墨，而是有对应特性的塑料丝，或者一些易于成型固化的液体或粉末。人们只需要将自己想象设计需要的物品的拟定形象尺寸输入上位机（电脑），并将之传递给3D打印机就能将想法变成实物。现在应经有许多行业有3D打印机了，例如食品3D打印机，汽车3D打印机，医疗3D打印机，建筑3D打印机等。本文讨论的就是建筑3D打印机。

1.1 目的及意义

长期以来，传统的建造工具和技术手段限制了建筑工程建筑方式。一方面，建筑师们天马行空的想法通过传统建筑方法一般条件下无法实现，或者实现的成本太高。另一方面，传统的建筑方法过于粗糙，会产生许多建筑废料，并且施工现场尘土飞扬，这会影响工人的健康，也对城市空气质量造成了污染，也在一定程度上造成了资源的浪费。

随着社会的进步与科技的发展，人们生活水平得到了很大的提高，环保意识也越来越强。人们在追求造型独特，结构轻盈的同时也将绿色环保放在了要求里，而这种追求必定会随着时间的推移，成为建筑行业发展的新趋势。另外，在地球资源有限的前提下以及资源越来越紧张的大环境下，传统建筑方法造成的资源浪费势必会让它在以后的发展中被淘汰。因此，建筑行业需要找到新的方法以满足发展要求，而建筑3D打印机就提供了这一方法。