本发明涉及增材加工或附加制造技术领域，特别地涉及一种3d打印方法及用于3d打印机的打印头装置。
背景技术：
在建筑领域，传统的施工方法是首先建筑墙体需要模板造型，然后进行浇注混凝土。其施工程序非常复杂，费时费力成本高。从制作模板开始都是大工操作，因此劳动力强度非常大。针对上述问题，3d打印技术开始兴起。目前现有的3d打印一般为水平打印，其在施工中先打印一个水平层，随后在该水平层上继续打印水平层，由此层层垒设形成一个完整的建筑体。但是在形成一个水平层的过程中不易更换打印头，其对于打印成型要求极严。尤其是针对建筑墙体拐角不是弧形的墙体，或建筑墙体拐角是圆弧且半径过小的墙体，水平打印则无法实现这些部位处的连续打印。
技术实现要素：
本发明提供一种3d打印方法及用于3d打印机的打印头装置，用于连续打印具有不同形状和不同要求的建筑体。
根据本发明的第一个方面，本发明提供一种3d打印方法，包括以下操作步骤：
s100：使3d打印机的打印头装置位于第i段建筑体的基准点处；
s200：使所述打印头装置的出料口输出打印材料，同时使所述打印头装置不断地向上移动，直至形成具有预定高度的第i段建筑体；
s300：使所述打印头装置沿水平方向移动一个标准宽度的距离，以使所述打印装置的出料口位于第i 1段建筑体的基准点处；
s400：重复步骤s200和s300，直至i 1＝n；
其中，i和n均为自然数，n为预设的建筑体的段数。
在一个实施方式中，第i段建筑体的基准点为该建筑体宽度方向上的二等分点；且第i 1段建筑体在宽度方向上的起始点为第i段建筑体在宽度方向上的终止点。
在一个实施方式中，所述出料口的侧部设置有用于使打印材料成型的成型挡板，所述成型挡板与所述打印头装置可拆卸连接；
其中，所述打印头装置以匀速运动的方式沿竖直方向向上移动；所述打印头装置每次沿水平方向移动的距离等于所述成型挡板的宽度。
在一个实施方式中，所述成型挡板构造为平板状结构、弧形结构、半圆形结构、u形结构或v形结构。
在一个实施方式中，步骤s200中，通过设置在所述出料口中的第一振捣装置和设置在所述出料口侧部的第二振捣装置对打印材料进行振捣，以促进打印材料形成为具有标准厚度的结构体。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种用于3d打印机的打印头装置，其包括：
料筒，其用于储存和输送打印材料；以及
打印头主体，所述打印头主体的上端与所述料筒相连，所述打印头主体的下端为出料口；
其中，所述打印头主体可向上移动或沿水平方向移动，所述打印头主体每次沿水平方向移动一个标准宽度的距离。
在一个实施方式中，所述出料口的侧部设置有用于使打印材料成型的成型挡板，所述成型挡板与所述打印头主体可拆卸连接；
其中，所述打印头装置以匀速运动的方式沿竖直方向向上移动；所述打印头装置每次沿水平方向移动的距离等于所述成型挡板的宽度。
在一个实施方式中，所述成型挡板构造为平板状结构、弧形结构、半圆形结构、u形结构或v形结构。
在一个实施方式中，所述料筒的数量为两个，所述打印头主体的数量为两个且与所述料筒一一对应相连，每个所述打印头主体的侧部均设置有一个所述成型挡板；
其中，两个料筒对称设置，两个所述打印头主体对称设置。
在一个实施方式中，还包括第一振捣装置和第二振捣装置；
所述第一振捣装置分别设置在每个所述打印头主体中，且延伸至相应的所述打印头主体的出料口处；
所述第二振捣装置分别设置在每个所述打印头主体的侧部，并延伸至相应的成型挡板的外侧。
与现有技术相比，本发明的优点在于：针对不同建筑体的不同部位的不同要求，在采用垂直提拉的方法形成一段建筑体，随后选择更换打印头主体(或更换成型挡板)进行调整，从而下一段建筑体可具有与上一段建筑体相同或者不同的结构，因此即可适用于不同厚度、不同高度及不同形状的建筑体的要求，因此本发明的打印方法不会受到建筑物的特殊部位的限制，而能够实现连续打印。
此外，本发明打印方法在实施时，不受现有的层层水平叠加打印的限制，因此本发明的打印方法能够在打印物体范围内打印任意不同高度和不同造型的建筑体(墙体)。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1是本发明的实施例中用于3d打印机的打印头装置的主视图；
图2是图1的侧视图；
图3是图1在b处的放大图；
图4a、图4b、图4c和图4d分别为本发明的四个实施例中成型挡板的结构示意图；
图5a是本发明的一个实施例中打印建筑体的过程示意图；
图5b是图5a在a-a处观察的视图；
图6是本发明的实施例中打印成型后的建筑体的俯视图。
附图标记：
100-打印头装置；
110-料筒；120-打印头主体；
121-成型挡板；121-1-平板状成型挡板；121-2-半圆形成型挡板；121-3-弧形成型挡板；121-4-u形成型挡板；
122-第一振捣装置；123-第二振捣装置；
210-第1段建筑体；211-第一起始点；212-第一基准点；213-第一终止点；
220-第2段建筑体；221-第二起始点；222-第二基准点；223-第二终止点；
230-第3段建筑体；231-第三起始点；232-第三基准点；233-第三终止点；
240-第4段建筑体；241-第四起始点；242-第四基准点；243-第四终止点；
250-第5段建筑体；251-第五起始点；252-第五基准点；253-第五终止点；
300-钢筋。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，根据本发明的第一个方面，本发明提供一种3d打印方法，包括以下操作步骤。
s100：使3d打印机的打印头装置100位于第i段建筑体的基准点处。
s200：使打印头装置100的出料口输出打印材料，同时使打印头装置100不断地向上移动。
其中，打印头装置100可以根据打印材料的流速和粘稠度等参数选择移动的速度，例如以匀速运动的方式沿竖直方向向上移动(可以是匀速运动、匀加速运动或匀减速运动等)。为了保证打印的连贯性，优选使打印头装置100匀速运动。
并且进一步地，打印头装置100以匀速运动的方式沿竖直方向向上移动。即在打印头装置100在竖直方向的移动轨迹为直线。可以理解地，打印头装置100在竖直方向的移动轨迹还可以是曲线。由此可以根据建筑物的不同造型的要求，设定打印头装置100的移动轨迹，从而形成不同造型的建筑体(墙体)。
通过使打印头装置100输出打印材料的同时使其不断地向上移动，从而能够连续不间断地形成具有预定高度的第i段建筑体；换言之，本发明的具有预定高度的第i段建筑体在打印过程中没有间断或中断，而是一次打印即可形成。这是本发明与现有的层层垒设水平打印最根本的区别。
需要说明的是，可以采用现有的驱动装置和/或行走机构使打印头装置100进行移动，本发明对此不再赘述。
s300：使打印头装置100沿水平方向移动一个标准宽度的距离，以使打印装置100的出料口位于第i 1段建筑体的基准点处。
s400：重复步骤s200和步骤s300，直至i＝n。
其中，i和n均为自然数，n为预设的建筑体的段数。
第i段建筑体的基准点为该建筑体宽度方向上的二等分点；且第i 1段建筑体在宽度方向上的起始点为第i段建筑体在宽度方向上的终止点。
本发明的3d打印方法，其发明构思在于先使打印头装置100在竖直方向(如图1所示的y轴方向)上不断地向上移动，从而使打印材料(例如混凝土)不间断地形成具有预定高度的建筑体。从外形上来看，现有的层层垒设水平打印的建筑体能够看出层层垒设痕迹(在未修整前)，而本发明所形成的该具有预定高度的建筑体，由于其一次直接成型，因此不具有这种层层垒设痕迹，外观上显示为一个整体的结构。
在形成该段预定高度的建筑体之后，使打印头装置100沿水平方向(如图1所示的x轴方向)移动，从而到达下一段建筑体的开始处，并重复上述打印过程，从而又形成一段具有预定高度的建筑体，这两段建筑体首尾相接，不断重复上述过程，即可形成预定宽度的建筑体。
本发明的3d打印方法与现有的水平打印方法的区别在于，本发明并未使打印头装置100一直保持水平行走的状态来形成一圈建筑体的方式，而是形成一段段预定高度的建筑体，这些建筑体之间首尾相接，从而形成一个完整的建筑体。换言之，现有的水平打印方法是通过形成一个个建筑体的水平层，并使这些水平层在高度方向上叠加，从而形成一个完整的建筑体。而本发明的打印方法则在于，通过形成一段段建筑体的竖直段，并使这些竖直段在水平方向上连接，从而形成一个完整的建筑体。
由于现有的水平打印方法中，针对每一个水平层的打印过程中不易更换打印头装置，因此其打印成型的要求比较严苛。而且针对建筑物的拐角等特殊部位，如果其不是弧形结构体，或者其拐角的圆弧半径过小，那么现有的水平打印则无法连续进行打印。针对上述问题，本发明的打印方法的重要意义在于，针对不同建筑体的不同部位的不同要求，在采用垂直提拉的方法形成一段建筑体，随后选择更换打印头主体(或更换成型挡板)进行调整，从而下一段建筑体可具有与上一段建筑体相同或者不同的结构，因此即可适用于不同厚度、不同高度及不同形状的建筑体的要求，因此本发明的打印方法不会受到建筑物的特殊部位的限制，而能够实现连续打印。
下面以图5a和图5b所示的具有5段建筑体的墙体为例对本发明的方法进行详细地说明。
第一步：使3d打印机的打印头装置100位于第1段建筑体210的第一基准点211处。
第二步：使打印头装置100的出料口输出打印材料，同时使打印头装置100沿竖直方向以匀速运动的方式向上移动，直至形成具有预定高度的第1段建筑体210。
第三步：使打印头装置100沿水平方向移动一个标准宽度的距离，以使打印装置100的出料口位于第2段建筑体220的第二基准点221处。
第四步：使打印头装置100的出料口输出打印材料，同时使打印头装置100沿竖直方向以匀速运动的方式向上移动，直至形成具有预定高度的第2段建筑体220。
第五步：使打印头装置100沿水平方向移动一个标准宽度的距离，以使打印装置的出料口位于第3段建筑体230的第三基准点231处。
第六步：使打印头装置100的出料口输出打印材料，同时使打印头装置100沿竖直方向以匀速运动的方式向上移动，直至形成具有预定高度的第3段建筑体230。
第七步：使打印头装置100沿水平方向移动一个标准宽度的距离，以使打印装置的出料口位于第4段建筑体240的第三基准点241处。
第八步：使打印头装置100的出料口输出打印材料，同时使打印头装置100沿竖直方向以匀速运动的方式向上移动，直至形成具有预定高度的第4段建筑体230。
第九步：使打印头装置100沿水平方向移动一个标准宽度的距离，以使打印装置的出料口位于第5段建筑体250的第三基准点251处。
第十步：使打印头装置100的出料口输出打印材料，同时使打印头装置100沿竖直方向以匀速运动的方式向上移动，直至形成具有预定高度的第5段建筑体250。
需要说明的是，本实施例中打印头装置100沿竖直方向移动时，采用匀速移动的方式。
如图5a所示，第1段建筑体210的第一终止点213即为第2段建筑体220的第二起始点221；第2段建筑体220的第二终止点223即为第3段建筑体230的第三起始点231；第3段建筑体230的第三终止点233即为第4段建筑体240的第四起始点241；第4段建筑体240的第四终止点243即为第5段建筑体250的第五起始点251。换言之，第1段建筑体210至第5段建筑体250在宽度方向(即图1所示x方向)上首尾相连，从而形成一个完整的建筑体。
图5a中的第1段建筑体210、第2段建筑体220和第3段建筑体230已经完成了打印，其中显示的填充体即为打印材料；第4段建筑体240正在打印中，第5段建筑体250还未开始打印。
图5a中显示的以斜线填充的部件即为成型挡板121，其仅用于示意与其余部件的区别。图5b中的打印头装置100中显示的颗粒状的填充体即为打印材料，即打印头装置100中装满了打印材料。
其中，第1段建筑体210的第一基准点212即为其在宽度方向上的二等分点，同样地，其余建筑体的基准点也均是其在宽度方向上的二等分点，从而便于打印头装置对准基准点进行打印，以保证上一段建筑体终止点和下一段建筑体的起始点能够重合，从而保证相邻的建筑体之间的紧密衔接。
可以理解地，可以根据整体建筑体的不同设计要求、不同结构形式等将其在宽度方向上划分为多段建筑体，从而采取上述步骤进行打印形成完整的建筑体。上述5段建筑仅为示例性地，可以具有更多或更少的建筑体。
为了使打印材料能够成型，在打印头装置100的出料口的侧部设置有用于使打印材料成型的成型挡板121，其中，成型挡板121与打印头装置100可拆卸连接。如图3所示，成型挡板121与打印头装置100通过螺栓进行连接。
其中打印头装置100每次沿水平方向移动的距离等于成型挡板121的宽度。换言之，上述的标准宽度即为成型挡板121的宽度，从而能够选择合适的出料口输出打印材料的流量和流速以及打印头装置100的移动速度等参数。
为了形成不同结构的墙体，成型挡板121可以构造为平板状结构的成型挡板121-1、半圆形结构的成型挡板121-2、弧形结构的成型挡板121-3、和u形结构的成型挡板121-4。或者成型挡板121还可以构造v形结构等其他合适的结构。
如图4a、4b、4c和4d所示，通过选择不同结构的成型挡板121，能够形成具有不同形状的建筑体。图4a、4b、4c和4d显示的填充体即为打印材料。
在一个可选的实施例中，如图4a所示，成型挡板121为平板状结构的成型挡板121-1，其分别位于两个打印头主体120的两侧，并分别位于钢筋300的两侧，从而可形成直线段的建筑体，如图6所示的a、c和d段建筑体。
在一个可选的实施例中，如图4b所示，成型挡板121为半圆形结构的成型挡板121-2，其分别位于两个打印头主体120的两侧，并分别位于钢筋300的两侧，两个半圆形结构的成型挡板121-2可以形成一个圆形结构，因此可形成圆柱段的建筑体，如图6所示的b段建筑体。
在一个可选的实施例中，如图4c所示，成型挡板121为弧形结构的成型挡板121-3，其分别位于两个打印头主体120的两侧，并分别位于钢筋300的两侧，其可形成弧形段的建筑体，如图6所示的f和g段建筑体。
在一个可选的实施例中，如图4d所示，成型挡板121为u形结构的成型挡板121-4，其分别位于两个打印头主体120的两侧，并分别位于钢筋300的两侧，两个u形结构的成型挡板121-4可形成一个正方形(或长方形)，其可形成柱状段的建筑体，如图6所示的e和h段建筑体。
本发明的成型挡板121并不局限于上述结构形式，其为了适用于所需的建筑体的水平截面形状，可选择合适的结构形式。
在一些优选的实施例中，在步骤s200中，通过设置在出料口侧部的第一振捣装置122和设置在出料口中的第二振捣装置123对打印材料进行振捣，以促进打印材料的成型。由于打印头主体120输出打印材料的同时进行移动，因此第一振捣装置122和第二振捣装置123的振捣作用至关重要，其能够保证从打印头主体120的出料口输出的打印材料在成型挡板121的阻挡作用下形成所需的形状，并且还能适应打印头主体120的移动。也就是说，在打印头主体120移动的同时其输出的打印材料就可成型，从而实现了连续不间断的打印作业。
如图5b所示，第二振捣装置123设置在打印头主体120的内部，并延伸至其出料口。第二振捣装置123可与电机等驱动装置相连，从而使其能够进行振动，以便促进打印材料的成型。第一振捣装置122设置在打印头主体120的侧部，即成型挡板121的外侧，第一振捣装置122可与电机等驱动装置相连，从而使其能够进行振动，以便促进打印材料的成型。其中，第一振捣装置122和第二振捣装置123同步进行振捣。
在第一振捣装置122和第二振捣装置123的振捣作用下，打印材料在两侧成型挡板121的作用下，即可塑形成成型挡板121所组成的形状，如图6所示，通过更换成型挡板121，可形成连续地、具有多种结构形式的建筑体。
第一振捣装置122和第二振捣装置123可采用现有技术中的结构形式，本发明对此不再赘述。
通过第一振捣装置122和第二振捣装置123，对混凝土采用内外振捣的方式，能够提高混凝土和钢筋的握裹率和混凝土密度。特别是针对超薄或者超厚混凝土建筑体时，振捣装置的作用显得尤为重要。因为打印头装置100的提升速度、出料口的打印材料流出量与振捣作用息息相关，振捣的强度和大小直接关系到打印头装置100的提升速度和打印材料的流出量。因此通过第一振捣装置122和第二振捣装置123的辅助振捣作用，对打印超薄、超厚墙体成型能够起到关键作用。
需要说明的是，上述的超厚的墙体以厚度不超过300毫米为宜，当厚度超过300毫米后，需要考虑更改出料口以增加进料流量。例如采取将出料口的尺寸增大或者采用人工补充打印材料的措施。
根据本发明的第二个方面，如图1-3所示，本发明提供一种用于3d打印机的打印头装置100，其包括料筒110和打印头主体120。料筒110用于储存和输送打印材料，打印头主体120的上端与110-料筒110相连，打印头主体120的下端为出料口。
其中，打印头主体120可向上移动或沿水平方向移动，打印头主体120每次沿水平方向(如图1所示的x轴方向)移动一个标准宽度的距离。
进一步地，出料口的侧部设置有用于使打印材料形成为具有标准宽度的结构体的成型挡板121，成型挡板121与打印头主体120可拆卸连接；
优选地，打印头装置100以匀速运动的方式沿竖直方向向上移动；打印头装置100每次沿水平方向移动的距离等于成型挡板121的宽度。
在一些实施例中，成型挡板121构造为平板状结构、弧形结构、半圆形结构、u形结构或v形结构。
在一个优选的实施例中，料筒110的数量为两个，打印头主体120的为两个且与110-料筒110一一对应相连，每个打印头主体120的侧部均设置有一个成型挡板121。其中，两个料筒110对称设置，两个打印头主体120对称设置，且两个成型挡板121对称设置或不对称设置。
如图4a所示，两个平板状成型挡板121-1对称设置；如图4b所示，两个半圆形成型挡板121-2对称设置；如图4d所示，两个u形成型挡板121-4对称设置。
如图4c所示，两个弧形成型挡板121-3不对称设置，并且两个弧形成型挡板121-3相互平行，其弯曲方向一致。
在一些优选地实施例中，本发明的用于3d打印机的打印头装置100还包括第一振捣装置122和第二振捣装置123。第一振捣装置122分别设置在每个打印头主体120的侧部，并延伸至相应的成型挡板121的外侧。第二振捣装置123分别设置在每个打印头主体120中，且延伸至相应的打印头主体120的出料口处。通过第一振捣装置122和第二振捣装置123，对混凝土采用内外振捣的方式，能够提高混凝土和钢筋的握裹率和混凝土密度。
打印头主体120构造为偏心变径锥体结构的筒体，筒体的一端为与料筒110相连的进料口，筒体的另一端为用于输出打印材料的出料口，进料口的中心线(一般与料筒110的中心线重合)与出料口的中心线之间具有偏心距。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
1.一种3d打印方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
s100：使3d打印机的打印头装置位于第i段建筑体的基准点处；
s200：使所述打印头装置的出料口输出打印材料，同时使所述打印头装置不断地向上移动，直至形成具有预定高度的第i段建筑体；
s300：使所述打印头装置沿水平方向移动一个标准宽度的距离，以使所述打印装置的出料口位于第i 1段建筑体的基准点处；
s400：重复步骤s200和步骤s300，直至i 1＝n；
其中，i和n均为自然数，n为预设的建筑体的段数。
2.根据权利要求1所述的3d打印方法，其特征在于，第i段建筑体的基准点为该建筑体宽度方向上的二等分点；且第i 1段建筑体在宽度方向上的起始点为第i段建筑体在宽度方向上的终止点。
3.根据权利要求1或2所述的3d打印方法，其特征在于，所述出料口的侧部设置有用于使打印材料成型的成型挡板，所述成型挡板与所述打印头装置可拆卸连接；
其中，所述打印头装置以匀速运动的方式沿竖直方向向上移动；所述打印头装置每次沿水平方向移动的距离等于所述成型挡板的宽度。
4.根据权利要求3所述的3d打印方法，其特征在于，所述成型挡板构造为平板状结构、弧形结构、半圆形结构、u形结构或v形结构。
5.根据权利要求1或2所述的3d打印方法，其特征在于，步骤s200中，通过设置在所述出料口中的第二振捣装置和设置在所述出料口侧部的第一振捣装置对打印材料进行振捣，以促进打印材料形成为具有标准厚度的结构体。
6.一种用于3d打印机的打印头装置，其特征在于，包括：
料筒，其用于储存和输送打印材料；以及
打印头主体，所述打印头主体的上端与所述料筒相连，所述打印头主体的下端为出料口；
其中，所述打印头主体可向上移动或沿水平方向移动，所述打印头主体每次沿水平方向移动一个标准宽度的距离。
7.根据权利要求6所述用于3d打印机的打印头装置，其特征在于，所述出料口的侧部设置有用于使打印材料成型的成型挡板，所述成型挡板与所述打印头主体可拆卸连接；
其中，所述打印头装置以匀速运动的方式沿竖直方向向上移动；所述打印头装置每次沿水平方向移动的距离等于所述成型挡板的宽度。
8.根据权利要求7所述用于3d打印机的打印头装置，其特征在于，所述成型挡板构造为平板状结构、弧形结构、半圆形结构、u形结构或v形结构。
9.根据权利要求7或8所述用于3d打印机的打印头装置，其特征在于，所述料筒的数量为两个，所述打印头主体的数量为两个且与所述料筒一一对应相连，每个所述打印头主体的侧部均设置有一个所述成型挡板；
其中，两个料筒对称设置，两个所述打印头主体对称设置。
10.根据权利要求7或8所述的用于3d打印机的打印头装置，其特征在于，还包括第一振捣装置和第二振捣装置；
所述第一振捣装置分别设置在每个所述打印头主体的侧部，并延伸至相应的成型挡板的外侧；
所述第二振捣装置分别设置在每个所述打印头主体中，且延伸至相应的所述打印头主体的出料口处。
技术总结