CN105133839B

CN105133839B - 一种砂浆3d打印设备

Info

Publication number: CN105133839B
Application number: CN201510510634.6A
Authority: CN
Inventors: 蹇守卫; 何桂海; 张吕东; 孙孟琪; 马保国; 郅真真
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: CN105133839A

Abstract

本发明公开了一种砂浆3D打印设备，包括支撑架、伸缩杆和打印装置，伸缩杆与支撑架连接，伸缩杆的下端固设有物料仓；打印装置包括控制器、打印电机和打印管道，打印管道内设有若干与物料仓连通的打印支管，打印支管分别与打印电机连接；控制器与打印电机电连接，控制打印电机的打印；物料仓包括第一物料仓和第二物料仓，打印管道内设有并列的第一打印支管和第二打印支管；所述第一物料仓与第一打印支管连通，第二物料仓与第二打印支管连通。本发明并列设计的打印支管，可实现不同原料同时打印，打印速度相同，涂层厚度可以调节，与传统的打印设备相比，不需要更换打印原料即可一次性实现多种原料的分层打印，提高了打印效率，改善了打印效果。

Description

一种砂浆3D打印设备

技术领域

本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种砂浆3D打印设备。

背景技术

砂浆是由一定掺量的胶凝材料、颗粒粒径较小的集料加水混合搅拌而成，是建筑工程中具有重要作用的材料。随着我国城镇建设规模的不断扩大，每年新增的住宅建造面积超过20亿平方米，而在这些建筑的建造过程中，大概用到了40多亿平方米的砂浆。

目前，砂浆制备与施工的主要过程为：人工或者利用砂浆搅拌机将胶凝材料(通常为水泥、石灰、石膏、黏土等)、细集料(一般为人工砂、天然砂等)、外加剂(主要有减水剂、缓凝剂、消泡剂等，添加视具体要求而定)等原材料按照一定比例混合加水搅拌，再由人工涂抹施工。

上述传统的砂浆制备与施工方式存在着很多问题：1、对于砂浆制备过程中的需水量有着很高的要求，水量控制不好，易导致砂浆由于干燥失水出现收缩、变形、开裂等缺陷，影响砂浆的力学性能、热学性能和耐久性能；2、对于施工人员的施工技术依赖很大，施工人员的施工技术直接影响着砂浆涂抹的均匀性，同时也会造成施工过程中大量的砂浆材料的浪费，不符合建筑建造过程节能环保的要求；3、由于生活水平的提高，人们对于砂浆施工的要求也越来越高，对于砂浆施工的精准度、多样性、艺术性也提出了更多的需求，亟需寻找新的技术来改变砂浆的制备与施工方法。

3D打印技术是近30年来得到广泛关注和迅速发展的一种新型的材料制备技术。3D打印技术整合传统制备方式中的不合理步骤，将原材料用类似“堆积”的方式实现整件成型，极大地提高了制备效率，以及减少了原材料的浪费。正因如此，3D打印技术自问世以来，得到了世界各国、各行业的广泛关注，对3D打印技术在各行业中应用的研究层出不穷。

现阶段3D打印技术已经得到了相当程度的发展，比较成熟的打印技术分为以下几种：光固化整体成型技术(SLA)、分层实体制造技术(LOM)、选择性激光烧结技术(SLS)、熔融沉积成形技术(FDM)，这些技术虽然在成型方式上有一定的区别，但也有一定的共通点，这些区别主要取决于原材料不同，结合到上述方法中3D打印技术的原理，将3D打印技术应用到改进砂浆的制备与施工方法中，不但能实现实现砂浆的3D打印效果，更能有效的弥补传统砂浆制备与施工中的不足，提高砂浆的性能，简化砂浆的制备过程，提高施工效率，也进一步推动砂浆制备与施工向智能化、机械化发展，有着巨大的研究和应用价值。砂浆的喷涂设备最早起源于1958年德国工程师研发的世界上首台砂浆喷涂机，在不断的实验论证和研发生产中得到了现阶段的砂浆机械喷涂装备技术，但其并不是真正意义上的3D打印装置。3D砂浆打印考虑到了砂浆机械喷涂的“增材”特点，并结合到砂浆的制备、输送、施工各方面，融合进机械制备和数据程序操作等。发展到目前，已有一些3D打印设备可以实现砂浆等的打印，但也仍有一定不足，都只能对已制备好的原料进行打印，打印多种原料时，通常都需等前一种打印好后在进行后一种原料的打印，不能实现同时打印多种原料；对于需要多层涂层的施工，如果两种涂层喷涂的时间间隔较长时，会严重影响到涂层的性能。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种效率高、精度高、可实现分层打印的砂浆3D打印设备。

本发明采用的技术方案是：一种砂浆3D打印设备，包括支撑架、伸缩杆和打印装置，所述伸缩杆与支撑架连接，伸缩杆可沿支撑架在水平方向上移动；伸缩杆的下端固设有物料仓；所述打印装置包括控制器、打印电机和打印管道，打印管道内设有若干与物料仓连通的打印支管，打印支管分别与打印电机连接；所述控制器与打印电机电连接，控制打印电机的打印；所述伸缩杆可带动打印装置在水平方向和竖直方向移动。

按上述方案，所述物料仓包括第一物料仓和第二物料仓，所述打印管道包括并列的第一打印支管和第二打印支管；所述第一物料仓与第一打印支管连通，第二物料仓与第二打印支管连通。

按上述方案，所述第一物料仓通过第一进浆管道与第一打印支管连通；所述第二物料仓与搅拌装置连通，搅拌装置通过第二进浆管道与第二打印支管连通。

按上述方案，所述打印管道内设有一个第一打印支道和两个第二打印支道，所述第二打印支管分别位于第一打印支管的两侧。

按上述方案，所述支撑架包括框架和架设在框架上的横向滑轨和纵向滑轨，横向滑轨与纵向滑轨通过滑块连接，滑块的下部固接有承重杆，承重杆的下端与伸缩杆的上端固定连接。

按上述方案，搅拌装置的进气口设置为可开合的形式，搅拌装置的搅拌轴转速为300～600r/min。

按上述方案，第一物料仓内的原料为集料，第二物料仓内的原料为胶凝材料。

按上述方案，所述第一打印支管和第二打印支管的管道半径为0.004～0.01m。

按上述方案，第一打印支管和第二打印支管的长度为0.2～0.5m。

按上述方案，打印电机的喷射压强为7830～24500Pa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、并列的打印支管，可以实现不同原料同时打印，而且打印速度相同，涂层厚度可以调节，与传统的打印设备相比，不需要更换打印原料即可一次性实现多种原料的分层打印，提高了打印效率，改善了打印效果；

2、本设备同时实现了原料如砂浆的制备和打印一体化，制备好的原料可直接供于打印，方便快捷；不需要再提供专门的原料制作设备，一定程度上降低了设备投资成本；

3、本发明可通过打印管道的长度和内径、原料本身性质(包括塑性粘度μ、屈服应力τ₀)等等，计算打击机的喷射强度，可进一步提高打印效果；

5、采用控制器控制打印，与人工操作相比，准确度高，可靠性高；

4、本设备结构简单，操作方便，运行稳定，可行性高，实用性强。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。

图2为本实施例中打印部分的结构示意图。

图3为本实施例中打印管道的结构示意图。

其中：1、框架；2、横向滑杆；3、纵向滑杆；4、承重杆；5、伸缩杆；6、物料仓；6.1、第一物料仓；6.2、第二物料仓；7、进料管道；8、搅拌装置；9、搅拌电机；10.1、第一进浆管道；10.2、第二进浆管道；11、打印电机；12、控制器；13、打印管道；14、第二打印管道；15、第一打印管道。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1和图2所示的一种砂浆3D打印设备，包括支撑架、伸缩杆5和打印装置，伸缩杆5与支撑架连接，伸缩杆5的下端固设有物料仓6(通过伸缩杆5的伸长和缩短为打印装置的上下移动提供辅助)；所述打印装置包括控制器12、打印电机11和打印管道13，打印管道13内设有若干与物料仓6连通的打印支管，打印支管分别与打印电机11连接；控制器12与打印电机11电连接，控制打印电机11的打印；所述伸缩杆5可带动打印装置在水平方向和竖直方向移动。

本实施例中，物料仓6包括第一物料仓6.1和第二物料仓6.2，打印管道13内设有一个第一打印支道15和两个第二打印支道14，第二打印支管14分别位于第一打印支管15的两侧，三个打印支管均并列设置；所述第一物料仓6.1通过第一进浆管道10.1与第一打印支管15连通，第二物料仓6.2通过进料管道7与搅拌装置8连通，搅拌装置8的进气口设置为可开合的形式，搅拌装置8其搅拌电机9的转速为300～600r/min。搅拌装置8通过第二进浆管道10.2与第二打印支管14连通；第一打印支管15和第二打印支管14的管道半径为0.004m、0.006m、0.008m或0.01m，长度L为0.2m、0.3m、0.4m或0.5m。

本实施例中，支撑架包括框架1和架设在框架1上的横向滑轨2和纵向滑轨3，横向滑轨2与纵向滑轨3通过滑块连接，滑块的下部固接有承重杆4，承重杆4的下端与伸缩杆5的上端固定连接，通过程序控制可进行打印装置的前后、左右、上下移动。

本实施例中，第一物料仓6.1内的原料为集料，第二物料仓6.2内的原料为胶凝材料；由于集料无需搅拌，可直接由第一进浆管道10.1输送至打印装置的第一打印支管15准备打印；胶凝材料通过进料管道7进入搅拌装置8进行搅拌，胶凝材料进入搅拌装置8后按配合比加水由搅拌电机9带动进行搅拌，搅拌好的浆体通过第二进浆管道10输送到打印装置的第二打印支管14准备打印；集料和胶凝材料的料浆在控制器12的控制下，由打印电机11进行分层打印，如图3所示，左右打印时，底部涂层a为胶凝材料浆体，中间涂层b为集料；上部涂层c为胶凝材料浆体。

本发明中的胶凝原料在搅拌装置中制备完毕后，通过打印管道13喷射到待施工基面上，其打印过程受到砂浆浆体本身性质(包括塑性粘度μ、屈服应力τ₀等)、喷射压强P、打印支管的管道长度L等因素的影响。根据对砂浆在打印管道13中的流态模型进行分析，可得出上述因素之间的函数关系，并根据砂浆的施工情况进行参数选择，从而确定合适的砂浆性能参数。通过砂浆流变性能分析，可得出以下函数关系式：

Q＝(r+R)vd＝2.4Rvd (3)

其中，μ为流体粘度，pa·s；τ₀为流体屈服应力，N/m²；Q为砂浆流量(本实施例中指的是集料的流量或胶凝材料搅拌后的浆体流量)，m³/s；R为打印支管的管道半径，m；v为水平打印速度，m/s；P为喷射压强，pa；L打印支管的管道长度，m；d为喷涂厚度，m；u为砂浆流速，m/s。

其中，根据抹灰砂浆的相关技术规程JGJT220-2010中的规定，3D打印砂浆在具体施工过程中喷涂厚度d为0.01～0.02m；打印装置的水平打印速度v为0.01～0.02m/s。

根据3D打印砂浆的施工特点，为保证砂浆施工的均匀性和稳定性，打印支管的管道半径R为0.004m、0.006m、0.008m或0.01m，打印支管的长度L为0.2m、0.3m、0.4m或0.5m。

结合式(1)、(2)、(3)和(4)，并带入相关的R和L，可以求出打印机的喷射压强P的范围：

针对砂浆稠度70～90mm(在工程应用中，砂浆稠度范围为70-90mm的砂浆在实际使用应用效果最好)的砂浆屈服应力和塑性粘度进行测试，带入公式(5)、(6)式进行极限计算，可得喷射压强P范围为7830～24500Pa。

通过上述参数范围的确定，将参数代入上述公式，还可以得到砂浆的流变性能参数范围；在一定的砂浆流变性能参数情况下，可通过公式反推得到打印装置其他操作参数；通过调整不同的操作参数，可以提高打印设备的整体性能。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种砂浆3D打印设备，其特征在于，包括支撑架、伸缩杆和打印装置，所述伸缩杆与支撑架连接，伸缩杆可沿支撑架的水平方向移动，伸缩杆的下端固设有物料仓；所述打印装置包括控制器、打印电机和打印管道，打印管道内设有若干与物料仓连通的打印支管，打印支管分别与打印电机连接；所述控制器与打印电机电连接，控制打印电机的打印；所述伸缩杆可带动打印装置在水平方向和竖直方向移动；所述物料仓包括第一物料仓和第二物料仓，打印管道内设有并列的第一打印支管和第二打印支管；所述第一物料仓与第一打印支管连通，第二物料仓与第二打印支管连通；第一物料仓内的原料为集料，第二物料仓内的原料为胶凝材料；并列的第一打印支管和第二打印支管可同时打印两种原料；打印电机的喷射压强为7830~24500Pa。

2.如权利要求1所述的一种砂浆3D打印设备，其特征在于，所述第一物料仓通过第一进浆管道与第一打印支管连通；所述第二物料仓与搅拌装置连通，搅拌装置通过第二进浆管道与第二打印支管连通。

3.如权利要求1所述的一种砂浆3D打印设备，其特征在于，所述打印管道内设有一个第一打印支管和两个第二打印支管，所述第二打印支管分别位于第一打印支管的两侧。

4.如权利要求1所述的一种砂浆3D打印设备，其特征在于，所述支撑架包括框架和架设在框架上的横向滑轨和纵向滑轨，横向滑轨与纵向滑轨通过滑块连接，滑块的下部固接有承重杆，承重杆的下端与伸缩杆的上端固定连接。

5.如权利要求2所述的一种砂浆3D打印设备，其特征在于，搅拌装置的进气口设置为可开合的形式，搅拌装置的搅拌轴转速为300~600r/min。

6.如权利要求1所述的一种砂浆3D打印设备，其特征在于，所述第一打印支管和第二打印支管的管道半径为0.004~0.01m。

7.如权利要求1所述的一种砂浆3D打印设备，其特征在于，第一打印支管和第二打印支管的长度为0.2~0.5m。