赵洪河

(山东华宇工学院 电气工程学院 山东 德州 253034)

0 引言

常用的3D打印技术有熔融沉积快速成型、光固化成型、选择性激光烧结、三维粉末粘接等[1]。3D打印设计方法是通过专门的3D扫描仪，扫描打印件实物，完成建模。或者通过CAD图纸完成建模。建模完成后，将建模得到的数据分成逐层的截面，打印机通过这些截面信息，使用3D打印材料完成打印件的打印[2]。随着3D打印技术的发展，现在3D打印广泛应用于建筑、医疗、教育、航空航天、机加工、模具制造、工程施工等诸多方面。

建筑3D打印是3D打印在建筑方面的应用。根据打印工艺和材料的不同，常用的打印方法有基于材料挤出的打印方法与基于材料选择性粘黏的打印方法。建筑3D打印起源于1997年美国学者Joseph Pegna水泥逐层叠加的建筑方法。2001年，Behrokh Khoshnevis提出轮廓工艺的3D打印建筑方式。这是一种用喷头挤出水泥打印材料，材料层层叠加，最终形成打印物的建筑方式。2007年，Monolite公司推出了D-shape技术，这是一种喷头喷出黏合剂选择性粘黏建筑打印材料粉末的建造方式。2008年，Bichard Buswell推出了混凝土打印技术，这也是一项基于水泥等建筑材料挤出成型的3D打印建筑方法[3]。

1 硬件分析

分析设计了一种基于挤出技术的3D打印系统。与常见将打印实物转化成CAD模型再生成STL类程序不同[4]，本系统的工作原理是直接通过CAD模型编写程序，之后将程序存储到西门子PLC中，通过PLC控制XYZ轴电机与进料电机，从而完成3D打印机的控制。而在电机方面，选用了伺服电机与伺服控制器，在出料控制中选用伺服电机控制螺旋杆完成出料。

在电机选择方面，因为料斗与喷嘴同时运动质量巨大，需要大马力且控制精准的电机。常见的有步进电机与伺服电机，但因喷嘴口径大，喷嘴的运动速度不宜过快。步进电机工作在低速状态下易出现失步现象，所以系统选取伺服电机为系统使用电机。

在控制器方面，选择西门子S7-200PLC。S7-200PLC具有价格便宜、功能强大等诸多优点并且可以满足系统的控制需求。对于西门子S7-300PLC来说，实现多轴插补只需要使用多轴定位模板FM357-2。而对于西门子S7-200PLC而言，可以通过编程来实现直线插补与圆弧插补。直线插补时，可以利用PLC内置的脉冲输出指令，常用的方法有频率分解法与时间分割法。频率分解法是根据插补直线与坐标轴的角度，将原本频率分解成X、Y两轴的脉冲频率，从而执行PLC的梯形脉冲输出指令，实现直线插补。

2 软件设计

基于挤出技术的建筑3D打印系统的工作原理是：通过打印物体的模型绘制CAD图纸，根据CAD图纸结合插补算法编写PLC程序。每个打印件都有自己对应的程序，打印时，将打印件的程序下载到PLC中，通过控制XYZ三轴电机控制喷头的运行路径，通过控制喷头电机，完成旋杆驱动挤出水泥，从而完成打印件的层层打印。

喷头打印时，计算了中间点(起点与终点之间的点)，喷头按规定速度依次通过所有中间点，并完成打印。而找出适合的中间点办法叫做插补算法。

插补算法在数控系统中有着举足轻重的地位，它决定着整个数控系统的总体价值，所以插补算法一直是国内外专家及各大厂商的研究重点。

插补算法多种多样，按控制方法可以分成基于硬件控制的插补与应用软件进行的插补。按照发出脉冲信号或发出二进制编码又可以分为基准脉冲插补与数字增量插补。

基准脉冲插补每完成一次插补运算，都会向各个轴发出脉冲。常见的基准脉冲插补方法有逐点比较法、数字积分法等。

数字增量插补的特点是它产生的是二进制数。它的插补算法共两步，第一步是进行粗差补，第二步是进行精插补，即在第一步粗插补的基础上进行第二步的精插补。常见的数据采样插补方法有直接函数法、扩展数字积分法、二阶递归扩展数字积分圆弧插补法等。

本研究的主要编程原理就是基准脉冲插补中的逐点比较插补法，因为这种方法成型时间长，有着大量配套资源与相应案例。

3 设备生产过程与产品

设计分析了一种生产大型水泥构件的3D打印设备(如图1)，该设备可以生产多种类型的水泥构件(如图2)。

图1 分析设计的3D水泥打印机Fig.1 3D cement printer based on analysis design

设备生产过程：第一步建模，第二步通过模型编写所需程序，第三步将程序储存到PLC中。当设备有打印任务时，直接用电脑控制PLC，完成打印工作。

4 结语

建筑3D打印是一种高效节能的新型建筑方式。分析与设计了一种生产大型水泥构件的基于PLC控制的3D打印系统设备，并使用。实际生产证明，该系统设备可以使用3D打印技术生产多种符合实际应用的大型水泥构件。